用于電動汽車的交錯并聯(lián)軟開關(guān)雙向DC/DC變換器

周美蘭　田小晨

摘要：雙向DC/DC變換器作為電動汽車能量控制的關(guān)鍵性元件，是復(fù)合電源儲能系統(tǒng)中不可或缺的重要部件之一，鑒于不同的雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇能夠影響其成本的高低、性能的好壞，以電壓、電流應(yīng)力最小的雙向半橋變換器為基礎(chǔ)，采用不添增額外半導(dǎo)體器件的軟開關(guān)技術(shù)，有效的減小器件的開關(guān)損耗，并選取兩相交錯式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來彌補輸出電壓、電流紋波大的缺點，在雙向Dc/Dc變換器中采用兩個電流內(nèi)環(huán)并共用一個電壓外環(huán)的控制策略，通過仿真實驗驗證了該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)對能量雙向流動的穩(wěn)定控制，具有零電壓、零電流開關(guān)，輸出電壓、電流紋波小的優(yōu)點，

關(guān)鍵詞：雙向DC/DC變換器；軟開關(guān)技術(shù)；開關(guān)損耗；控制策略

DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.016

中圖分類號：TM46

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）04-0083-07

0引言

目前市場上的純電動汽車絕大多數(shù)是以單一蓄電池為主能量源來驅(qū)動汽車的工況運行，而復(fù)合電源儲能系統(tǒng)對于純電動汽車的發(fā)展是一次質(zhì)的飛躍，它能夠提高電動汽車的續(xù)駛里程，減少蓄電池的大電流放電，從而起到節(jié)約資源、延長蓄電池使用壽命的作用，在電動汽車的工況運行中，雙向DC/DC變換器能夠抬高超級電容的輸出電壓以獲得穩(wěn)定可靠的直流母線側(cè)電壓，另外，在電動汽車制動的情況下，還可以通過雙向DC/DC變換器將電動機的能量回饋到超級電容，從而增加電動汽車的續(xù)駛里程。

與幾種經(jīng)典的雙向DC/DC變換器進行對比發(fā)現(xiàn)，雙向半橋式DC/DC變換器所用的開關(guān)元件和二極管的電壓、電流應(yīng)力較小，并且只需一個電感就可以儲存和釋放能量。但如果將其運用在大功率負(fù)載情況下，所需開關(guān)管的等級較高，電感較大，則變換器的體積也相應(yīng)增大。為了彌補上述缺點，本文以雙向半橋式DC/DC變換器為基本單元，采用不添增額外開關(guān)器件的軟開關(guān)技術(shù)，降低開關(guān)器件的功率等級，減小電感電流紋波，并有效的減小器件的開關(guān)損耗，提高變換器的工作效率，

2.雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略

2.1雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

本文采用兩相交錯式雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩個基本半橋式雙向DC/DC變換器交錯并聯(lián)構(gòu)成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在圖1中，高壓側(cè)V_h為直流母線側(cè)電壓，低壓側(cè)V_l為超級電容側(cè)電壓，

采用兩相PWM控制信號，每個單元的開關(guān)控制信號相差1/2個周期，且每個周期的導(dǎo)通時間相等，從而電感電流也互錯疊加，紋波減小到原來的二分之一。

當(dāng)變換器正向運行時，下方開關(guān)管S_d1、S_d2處于導(dǎo)通狀態(tài)，與上方開關(guān)管S_u1S_u1共同構(gòu)成升壓模式；當(dāng)變換器反向運行時，上方開關(guān)管S_d1S_d2處于導(dǎo)通狀態(tài)，與下方開關(guān)管S_d1S_d1共同構(gòu)成降壓模式。

為了實現(xiàn)軟開關(guān)的目的，變換器在實際的運行過程中為上下方開關(guān)管的驅(qū)動信號加入了死區(qū)時間，此時電感相當(dāng)于獨立電流源，使上下方開關(guān)管分別并聯(lián)的小電容在死區(qū)時間內(nèi)能夠進行能量交換，從而實現(xiàn)零電壓開通和零電流關(guān)斷，以單相半橋式為例，對降壓運行模式進行分析，升壓運行模式同樣適用，單相半橋式雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，規(guī)定其電壓電流的方向為正方向，C_l為低壓側(cè)濾波電容，C_h為高壓側(cè)濾波電容，D_u和D_u分別為上下方開關(guān)管S_U和s_d反并聯(lián)的二極管，C_n和C_d為上下方開關(guān)管分別并聯(lián)的小電容，高壓側(cè)%接電動機負(fù)載，低壓側(cè)V_L接超級電容，當(dāng)電動機處于制動狀態(tài)下，電動機反饋的能量從高壓側(cè)v_h經(jīng)過變換器進行降壓，傳向低壓側(cè)V_l給超級電容充電，此時，s_n為主開關(guān)，S_D為輔助開關(guān)，圖3給出降壓運行模式下的波形圖。

圖3中，V_su、V_sd分別為S_u和s_d的驅(qū)動信號，i_l為電感電流。

1）當(dāng)t_o≤tC_l時，如圖3中，由于變換器工作在電感電流正負(fù)交替的狀態(tài)下，電感L值較小，在t₀時刻，i_l為負(fù)的最小值獲取關(guān)斷信號，即進入死區(qū)時間，此時C_d處于充電狀態(tài)，C_n處于放電狀態(tài)，當(dāng)小電容完全充放電后，即進入t_n-t_l階段，電感電流i_l流經(jīng)上方二極管D_u，此時開關(guān)管s_u工作在零電壓開通（zVS）條件下，相應(yīng)降低了開關(guān)管s_d。的開關(guān)損耗，此狀態(tài)直到開關(guān)管s_u擁有導(dǎo)通驅(qū)動信號為止。

2.2雙向DC/DC變換器的控制策略

由于電動汽車在實際運行過程中頻繁工作在加速、減速狀態(tài)下，此時電動機的轉(zhuǎn)速范圍較寬，如果用蓄電池組直接驅(qū)動電動機運行會導(dǎo)致電動機的驅(qū)動性能嚴(yán)重惡化雙向DC/DC變換器可以在負(fù)載發(fā)生變化或蓄電池組允許的輸出電壓范圍內(nèi)使電動機的驅(qū)動性能得到顯著提高，本文對雙向DC/DC變換器采用電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)，避免負(fù)載突變對直流母線側(cè)電壓產(chǎn)生較大影響，保證母線電壓快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。

另一方面，在電動機突然制動狀態(tài)下，大量由機械能轉(zhuǎn)化來的電能會產(chǎn)生較高的反電動勢，采用雙向DC/DC變換器的降壓模式，可將電能以低電壓、大電流的形式回饋給電池組，以可調(diào)控的方式對電池組進行充電，故采用電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)，本文根據(jù)前面的研究，所選用的電壓電流雙閉環(huán)控制模式如圖4所示。

在每相基本半橋變換器中添加獨立的PWM發(fā)生器模塊，當(dāng)在某個基本單元變換器存在故障時，兩相交錯式結(jié)構(gòu)變換器仍可以繼續(xù)工作，

汽車駕駛員在實際駕駛車輛的過程中，常通過踩油門、踩剎車、換擋位等對電動機發(fā)出運行指令，當(dāng)電動機運行在電動狀態(tài)下，雙向DC/DC變換器采用通道1，變換器工作在升壓模式，根據(jù)電動機的運行參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)；當(dāng)電動機運行在緊急制動狀態(tài)下，雙向DC/DC變換器采用通道2，使變換器工作在降壓模式，根據(jù)超級電容給定的充電電壓，實現(xiàn)電能回饋。

3.雙向DC/DC變換器的仿真分析

針對電動汽車在實際行駛過程中頻繁加速、減速和起動、制動，為驗證所選變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理，本文采用的參數(shù)如表1所示。

3.1Boost模式下雙向DC/DC變換器的仿真分析

如圖5所示為搭建的雙向DC/DC變換器主電路的仿真模型，圖6所示為變換器控制器CON—TROIJ，ER的子控制模型，為了簡化變換器的控制量，內(nèi)環(huán)采用總電流控制，外環(huán)采用輸出電壓控制，同時參照圖1的總拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖加以分析。

圖7所示分別為i_l、i_l1、i_l2的電感電流波形，電感L1和L2過零交替導(dǎo)通，主電路電流i_l的紋波是單個電感電流的1/2，有效的彌補了輸出電流紋波大的缺點，同時，主電路的輸出電流為20 A左右，是單個電感工作時的2倍，完全滿足最大輸出功率的要求，從而進一步增加了變換器的效率。

開關(guān)管MOSFET的電壓、電流波形如圖8所示，因本文選用的是MOSFET與續(xù)流二極管的整體模型，所以僅測出其整體模型下的電壓電流波形，其截止電壓即為輸出電壓，由于MOSFET開關(guān)管中存在導(dǎo)通電阻，在開關(guān)管導(dǎo)通時，其電壓隨著流過MOSFET的電流而逐漸增加，在MOSFET獲取導(dǎo)通信號時，由于存在電流反向，MOSFET并不馬上導(dǎo)通，而是等到電流過零變?yōu)檎龝r，MOSFET實現(xiàn)ZCS，有效的降低了開通損耗。

超級電容的放電波形圖如圖9所示，在變換器的工作狀態(tài)下，超級電容的端電壓逐漸降低，在Boost模式中，圖10、11、12、13所示分別為輸入電壓等于10、15、18、21，6 V時所對應(yīng)的輸出電壓波形，超級電容作為輸入動力源，其放電瞬間會產(chǎn)生較大超調(diào)，通過變換器的控制，在1ms內(nèi)輸出電壓可達到穩(wěn)定，圖14所示為Boost模式下的輸出電壓波形，從波形圖可以看出輸出電壓紋波小于5%，符合變換器的最初設(shè)計。

2.2 Buck模式下雙向DC/DC變換器的仿真分析

Buck模式下的工作過程與Boost模式類似，圖15為Buck模式下的總電流和單個電感電流波形，i_l1、i_l2正負(fù)交替導(dǎo)通，主電路的總電流i。的紋波是單個電感電流的1/2，有效的彌補了單相輸入電流紋波大的缺點，

在Buck模式下MOSFET的電壓電流波形如圖16所示，MOSFET基本處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)其獲取導(dǎo)通信號時，因電感電流反向，電感電流經(jīng)過二極管續(xù)流，此時MOSFET兩端的電壓為0，實現(xiàn)了ZVS，從而降低了導(dǎo)通損耗。

在Buck模式中，不同的超級電容端電壓所對應(yīng)的充電電壓波形如圖17、18、19所示，超級電容采用恒壓充電，因負(fù)載側(cè)的電壓波動較大，將超級電容的充電電壓穩(wěn)定在18 V，考慮到在變換器起動瞬間，超級電容保存有一定的電壓和電荷，則必然存在起動瞬間的放電過程，在5 ms內(nèi)充電電壓在許可范圍內(nèi)波動，隨后電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)，由圖20可看到超級電容的輸入電壓紋波小于5%，滿足變換器的最初設(shè)計。

4.結(jié)論

本文為復(fù)合電源儲能系統(tǒng)提供了一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高效率雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的雙向DC/DC變換器相比，它的優(yōu)點如下：

1）設(shè)計電感電流正負(fù)交替導(dǎo)通，不添加額外的半導(dǎo)體器件，實現(xiàn)主輔開關(guān)的零電壓導(dǎo)通和反并接二極管的零電流關(guān)斷，使變換器的工作效率得到提高，并且采用兩相交錯式結(jié)構(gòu)有效的降低了電感電流的紋波。

2）采用電壓電流雙閉環(huán)的控制方式，即采用一個電壓外環(huán)和兩個電感電流內(nèi)環(huán)，使得總電流反饋的響應(yīng)速度較快，提升了變換器的可靠性和安全性。

雙向DC/DC變換器是電動汽車中不可或缺的重要部件之一，對雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方式仍需不斷研究與改進，從而推動變換器的快速發(fā)展。