一種復(fù)合電源用雙向DC的實現(xiàn)方法

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(中國北方車輛研究所，北京 100072)

一種復(fù)合電源用雙向DC的實現(xiàn)方法

宋克嶺，李申，蔣任君

(中國北方車輛研究所，北京100072)

某混合動力車輛電網(wǎng)采用超級電容直接掛接電網(wǎng)，動力電池通過DC/DC掛接電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，需要雙向DC/DC為超級電容降壓/升壓預(yù)充電；系統(tǒng)工作后雙向DC/DC工作在降壓/升壓狀態(tài)，為動力電網(wǎng)補充能量或回收制動能量；維修保養(yǎng)時通過DC/DC為電池充電；待機狀態(tài)作為電站按需輸出不同電壓等級的直流電源；通過高壓直流接觸器與雙向DC/DC的組合控制，利用該拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的雙向DC/DC變換器能夠滿足混合動力車輛的多樣化能量需求，具備實際應(yīng)用的能力。

雙向DC/DC；預(yù)充電；降壓/升壓

0 引言

混合動力車輛需要一套性能良好、工作可靠的電能量存儲裝置,以降低原動機及發(fā)電系統(tǒng)功率，盡可能多地回收整車制動能量, 并高效地為電機供電。復(fù)合電源的控制目標(biāo)是:在保證整車動力性的前提下,充分發(fā)揮超級電容/削峰填谷的作用,減小大電流對電池的沖擊,延長電池的使用壽命,滿足瞬態(tài)功率用電設(shè)備的需求；提高電源充放電效率,最大限度的回收整車制動能量,提高整車的燃油經(jīng)濟性；穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電機驅(qū)動效率。復(fù)合電源主要由電池、超級電容、雙向DC/DC構(gòu)成。

1 復(fù)合電源拓撲及雙向DC的工作原理

1.1 復(fù)合電源拓撲結(jié)構(gòu)

混合動力車輛的復(fù)合電源一般由動力電池、超級電容、雙向DC/DC組合構(gòu)成。復(fù)合電源可采用多種拓撲結(jié)構(gòu)，不同拓撲結(jié)構(gòu)據(jù)用不同的優(yōu)缺點，但總的出發(fā)點是超級電容提供功率，電池提供能量，從而提高電源利用率，延長動力電池使用壽命。采用的復(fù)合電源拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合電源拓撲結(jié)構(gòu)

拓撲結(jié)構(gòu)中超級電容直接掛接電網(wǎng)的作用：

1)響應(yīng)速度快，快速向電網(wǎng)補充能量、吸收電網(wǎng)瞬態(tài)功率；

2)超級電容特性基本不受低溫影響，嚴(yán)寒條件下有利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定；

3)電網(wǎng)工作電壓無限制，在車輛潛伏待機工況下實現(xiàn)270～900 V直流電輸出，為車內(nèi)外用電設(shè)備供電；

拓撲結(jié)構(gòu)中電池通過雙向DC/DC掛接電網(wǎng)的作用：

1)實現(xiàn)電池充放電保護與SOC的調(diào)整；

2)實現(xiàn)不同電壓等級外接直流電源對電池的充電保養(yǎng)；

3)電池通過雙向DC/DC為超級電容快速預(yù)充電，超級電容不需要自備充電機。

1.2 雙向DC工作模式

初始上電時，電池通雙向DC給超級電容充電，此時雙向DC工作在充電機模式；車輛啟動后，雙向DC主要工作在升壓(Buck)或者降壓(Boost)模式，車輛加速行駛時，動力電池通過雙向DC向電網(wǎng)補充車輛加速所需的能量，為車輛加速提供助力，此時雙向DC工作在Boost模式；車輛減速或者制動時，電網(wǎng)中制動回饋的能量通過雙向DC存儲在動力電池中，此時雙向DC工作在Buck模式。

1.3 雙向DC工作原理

雙向DC升壓側(cè)連接超級電容，降壓側(cè)連接電池，如圖2所示，圖中紅色方框內(nèi)的部分就是雙向DC的基本拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2 雙向DC的基本拓撲結(jié)構(gòu)

Buck模式時DC的工作原理：開關(guān)管G2封鎖狀態(tài)，開關(guān)管G1處于周期性導(dǎo)通和關(guān)斷作狀態(tài)，G1處于導(dǎo)通期間時，超級電容通過開關(guān)管G1、電感L給電容C2和電池充電，同時電感L電流逐漸增大，一部分能量存儲在電感L中。G1處于關(guān)斷期間時，由于電感電流不能突變，二極管D2給電感L提供續(xù)流通道，電感L中存儲的能量通過二極管D2繼續(xù)給電容C2和電池充電，電感L電流逐漸減小，如果電感電流減小到零時，開關(guān)管G1仍處于關(guān)斷狀態(tài)，電容給C2給電池充電。雙向DC通過控制開關(guān)管G1的導(dǎo)通和關(guān)斷實現(xiàn)了超級電容中的能量轉(zhuǎn)移到電池中。

Boost模式時DC的工作原理：開關(guān)管G1封鎖狀態(tài)，開關(guān)管G2處于周期性導(dǎo)通和關(guān)斷作狀態(tài)，G2處于導(dǎo)通期間時，電池通過開關(guān)管G2、電感L構(gòu)成回路，同時電感L電流逐漸增大，能量存儲在電感L中。G2處于關(guān)斷期間時，由于電感電流不能突變，二極管D1給電感L提供續(xù)流通道，電池中能量以及電感L中存儲的能量通過二極管D1給電容C1和超級電容充電，電感L電流逐漸減小，如果電感電流減小到零時，電容C1給超級電容充電，同時在G2導(dǎo)通期間時，仍是電容C1給超級電容充電。雙向DC通過控制開關(guān)管G2的導(dǎo)通和關(guān)斷實現(xiàn)了電池中能量轉(zhuǎn)移到超級電容中。

Buck和Boost模式時，開關(guān)管G1和開關(guān)管G2為硬開關(guān)工作狀態(tài)，在導(dǎo)通和關(guān)斷時都存在損耗，開關(guān)管的工作頻率愈高損耗就愈大。由于雙向DC的功率愈大其電感的體積就愈大，隨著開關(guān)頻率的升高電感的體積及重量顯著下降，減小電感體積和重量可以有效的減少雙向DC的體積及重量，控制型軟開關(guān)技術(shù)可以有效的減少開關(guān)損耗和電感體積之間的矛盾，減小了雙向DC的體積和重量，提高了雙向DC的功率密度。

1.4 控制型軟開關(guān)雙向DC工作原理

硬開關(guān)時開關(guān)管G1和G2中的某一個開關(guān)管處于封鎖狀態(tài)，軟開關(guān)時開關(guān)管G1和G2均處于周期性導(dǎo)通和關(guān)斷作狀態(tài)，G1和G2導(dǎo)通和關(guān)斷時相互之間存在一定的死區(qū)時間間隔，避免G1和G2同時導(dǎo)通而損壞G1和G2，設(shè)定G1和G2之間的死區(qū)間隔時間為td，電感電流方向為從側(cè)左流向右側(cè)為“+”，從右側(cè)流向左側(cè)為“-”。

Buck模式時DC的工作原理：開關(guān)管G1為主開關(guān)，開關(guān)管G2為輔開關(guān)，G1導(dǎo)通時G2關(guān)斷，同時電感L電流逐漸增大，電流方向為從“+”，在G1關(guān)斷時電感電流達到正的最大值；G1關(guān)斷時G2仍處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D2給電感L續(xù)流，電感L電流逐漸減小，G1關(guān)斷后經(jīng)過td后G2導(dǎo)通，由于二極管D2續(xù)流導(dǎo)致G2導(dǎo)通時為零電壓接通，G2接通損耗為零。電感電流為零時，由于G2的導(dǎo)通，電感L電流逐漸增大，但是電流方向為從“-”，在G2關(guān)斷時電感電流達到負的最大值；G2關(guān)斷時G1仍處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D1給電感L續(xù)流，電感L電流逐漸減小，G2關(guān)斷后經(jīng)過td后G1導(dǎo)通，由于二極管D1續(xù)流導(dǎo)致G1導(dǎo)通時為零電壓接通，G1接通損耗為零。

Boost模式時DC的工作原理：開關(guān)管G2為主開關(guān)，開關(guān)管G1為輔開關(guān)，G2導(dǎo)通時G1關(guān)斷，同時電感L電流逐漸增大，電流方向為從“-”，在G2關(guān)斷時電感電流達到負的最大值；G2關(guān)斷時G1仍處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D1給電感L續(xù)流，電感L電流逐漸減小，G2關(guān)斷后經(jīng)過td后G1導(dǎo)通，由于二極管D1續(xù)流導(dǎo)致G1導(dǎo)通時為零電壓接通，G1接通損耗為零。電感電流為零時，由于G1的導(dǎo)通，電感L電流逐漸增大，但是電流方向為從“+”，在G1關(guān)斷時電感電流達到正的最大值；G1關(guān)斷時G2仍處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D2給電感L續(xù)流，電感L電流逐漸減小，G1關(guān)斷后經(jīng)過td后G2導(dǎo)通，由于二極管D2續(xù)流導(dǎo)致G2導(dǎo)通時為零電壓接通，G2接通損耗為零。

開關(guān)管G1和開關(guān)管G2處于軟開關(guān)狀態(tài)，與硬開關(guān)狀態(tài)相比，降低了近一半的開關(guān)損耗，同時也減小了電感的體積，有利于DC的散熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 雙向DC的功能實現(xiàn)

圖1中復(fù)合電源轉(zhuǎn)換功率為150 kW，為提高轉(zhuǎn)換效率，降低雙向DC變換器體積，變換器采用四相交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電感電流不連續(xù)，在基本不增加功率器件基礎(chǔ)上實現(xiàn)控制型軟開關(guān)，是圖3四相交錯并聯(lián)控制型軟開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。每一相電感為0.1 mH，600 V側(cè)電容C2取值300 μF/1000 V，900 V側(cè)電容C1取值300 μF/1200 V，每一相功率開關(guān)管為IGBT半橋，型號為英飛凌的FF450R17ME4，在每個IGBT半橋上下兩個開關(guān)管上分別并聯(lián)緩沖電容，電容容量為0.1 μF/1600 V，IGBT半橋上下管死區(qū)時間10 μs。

圖3 四相交錯并聯(lián)控制型軟開關(guān)拓撲

2.1 預(yù)充電

復(fù)合電源系統(tǒng)采用圖1所示的電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，超級電容直接與電網(wǎng)連接，由于超級電容初始電壓不確定，但最終工作電壓與電網(wǎng)電壓相同，系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓為900 V，電池電壓為600 V，因此，在初始上電時需要電池通過雙向DC給超級電容進行預(yù)充電，以下是幾種預(yù)充電方式的對比分析。

2.1.1 電阻限流預(yù)充電

電池的600 V電壓先通過雙向DC升至900 V，然后900 V電壓通過電阻限流的方式給超級電容充電，如圖4所示，開關(guān)K1、K2和電阻R1構(gòu)成了電阻限流預(yù)充電電路。

圖4 電阻限流預(yù)充電

電阻在預(yù)充電期間平均功率：

(1)

設(shè)超級電容初始電壓為零，將C=3 F，V=900 V，t=5 s代入式(1):

復(fù)合電源系統(tǒng)超級電容為3 F/900 V, 由于超級電容容量較大，采用充電電阻為超級電容預(yù)充電，充電電阻的功率、體積和重量等都無法接受。

2.1.2 雙向Buck&Boost預(yù)充電

超級電容初始電壓可能低于電池電壓，也可能高于或者等于動力電壓，雙向Buck&Boost預(yù)充電是根據(jù)比較超級電容電壓和電池電壓的高低，使雙向DC工作在Buck或者Boost模式，電池通過雙向DC給超級電容預(yù)充電，當(dāng)?shù)陀陔姵仉妷簳r，電池通過雙向DC以Buck限流方式為超級電容充電，當(dāng)高壓或者等于電池電壓時，電池通過雙向DC以Boost限流方式為超級電容充電。圖5是雙向Buck&Boost預(yù)充電的示意圖。

如圖5所示， 開關(guān)管G1工作于周期性導(dǎo)通和關(guān)斷作狀態(tài)，開關(guān)管G2、G3、G4處于封鎖狀態(tài)，雙向DC工作于Buck模式；開關(guān)管G1直通，開關(guān)管G4工作于周期性導(dǎo)通和關(guān)斷作狀態(tài)，開關(guān)管G2、G3處于封鎖狀態(tài)，雙向DC工作于Boost模式；實現(xiàn)電池至超級電容方向上既能Buck又能Boost，反之亦然。

圖5 雙向Buck&Boost

主電路采用四相交錯并聯(lián)的拓撲，電感電流處于不連續(xù)工況，一相采用雙向Buck&Boost電路則一方面紋波電流較大，四相全部采用雙向Buck&Boost電路可以減小紋波，但需要八個半橋，體積、成本較高，另一方面會造成四路電流不均衡。

2.1.3 高壓接觸器切換預(yù)充電

由于雙向DC本身輸入輸出側(cè)需要高壓直流接觸器及預(yù)充電電阻，在四相交錯并聯(lián)的基礎(chǔ)上，通過高壓接觸器的切換實現(xiàn)同一方向上的Buck&Boost，在原電路的基礎(chǔ)上增加了兩個高壓接觸器及兩個預(yù)充電電阻。

超級電容電壓低于電池電壓95%時，雙向DC工作于Buck模式，Buck預(yù)充電如圖6所示。雙向DC執(zhí)行超級電容Buck充電之前，高壓接觸器K5和K8吸合，其余高壓接觸器斷開，電池先通過高壓接觸器K5、電阻R5平衡雙向DC900 V側(cè)的濾波電容電壓，電壓平衡后高壓接觸器K1吸合、K5斷開。超級級電容先通過高壓接觸器K8、電阻R8平衡雙向DC600V側(cè)的濾波電容電壓，電壓平衡后高壓接觸器K4吸合、K8斷開。

圖6 Buck預(yù)充電電路

高壓接觸器K1、K4吸合后，超級電容連接到雙向DC的600 V側(cè)，電池連接到雙向DC的900 V側(cè)，雙向DC工作在Buck模式，電池給超級電容Buck預(yù)充電，充電過程中，采用恒流或者限流方式給超級電容充電，當(dāng)超級電容電壓充至電池電壓的95%時，高壓接觸器K1、K4斷開，Buck預(yù)充電完成。

超級電容電壓高于蓄電池電壓的95%時，雙向DC工作于Boost模式，Boost預(yù)充電如圖7所示。雙向DC執(zhí)行超級電容Boost充電之前，高壓接觸器K6和K7吸合，其余高壓接觸器斷開，電池先通過高壓接觸器K6、電阻R6平衡雙向DC600V側(cè)的濾波電容電壓，電壓平衡后高壓接觸器K2吸合、K6斷開。超級級電容先通過高壓接觸器K7、電阻R7平衡雙向DC900V側(cè)的濾波電容電壓，電壓平衡后高壓接觸器K3吸合、K7斷開。

圖7 Boost預(yù)充電電路

高壓接觸器K2、K3吸合后，超級電容連接到雙向DC的900 V側(cè)，電池連接到雙向DC的600 V側(cè)，雙向DC工作在Boost模式，電池給超級電容Boost預(yù)充電，充電過程中，采用恒流或者限流方式給超級電容充電，當(dāng)超級電容電壓充至電池電壓的95%時，電池通過電感和IGBT上橋臂并聯(lián)的續(xù)流二極管給超級電容充電，超級電容電壓等于或者大于電池電壓時，雙向DC執(zhí)行Boost限流模式，電池給超級電容Boost預(yù)充電，超級電容電壓達到電網(wǎng)大牙900 V后Boost預(yù)充電完成。

2.2 電力輸出能力

電池通過雙向DC可以對外輸出多種電壓，如圖8所示，高壓接觸器切換到Buck預(yù)充電狀態(tài)，雙向DC/DC工作在Buck狀態(tài)，可以輸出0～600 V；如圖 9所示，高壓接觸器切換到Boost預(yù)充電狀態(tài)，雙向DC/DC工作在Boost狀態(tài)，可以輸出600～900 V；通過外接插座將電源引出，可以在待機工況滿足多種電壓等級高壓用電設(shè)備需求。

2.3 電池充電維護

將市電中的交流220 V整流，通過外部電源插座引入車輛

圖8 Buck預(yù)充電模式電力輸出

圖9 Boost預(yù)充電模式電力輸出

動力電網(wǎng)。如圖10所示，高壓接觸器切換到Buck預(yù)充電狀態(tài)，雙向DC工作在Boost狀態(tài)，雙向DC可將市電整流得到的310 V電源泵升，設(shè)定一定大小的電流為電池充電，對電池進行維護保養(yǎng)，充電電大小流的可由電池BMS發(fā)送給雙向DC。

圖10 動力電池充電

在外部電源插座輸入的電壓高于電池電壓時，高壓接觸器切換到Boost預(yù)充電狀態(tài)，雙向DC工作在Buck狀態(tài)，雙向DC可將高于電池電壓的直流電源降壓后給電池充電。

3 結(jié)論

普通半橋結(jié)構(gòu)的雙向DC一側(cè)只能升壓，一側(cè)只能降壓，此拓撲結(jié)構(gòu)的DC在結(jié)合高壓接觸器切換后就可實現(xiàn)每一側(cè)的雙向Buck&Boost。雙向DC變換器在600 V和900 V側(cè)都實現(xiàn)了升壓和降壓的功能，解決為超級電容充電的同時，實現(xiàn)了不同電壓直流電源輸出和動力電池充電保養(yǎng)的一體化。有利于混合動力車輛作為移動電力平臺的功能實現(xiàn)。

[1] 王志強,等譯. 開關(guān)電源設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 于遠彬. 車載復(fù)合電源設(shè)計理論與控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2008.

[3] 鄧湘鄂， 電動汽車多重軟化開關(guān)雙向DC/DC變換器研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

AMethodofRealizingBidirectionalDCforCompositePowerSupply

Song Keling, Li Shen, Jiang Renjun

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072,China)

A hybrid electric power grid adopts an ultracapacitor directly to connect the power grid. The power battery is connected to the power grid through DC/DC. The bi-directional DC/DC is required for the super capacitor buck/boost precharge. The DC/DC works in the Buck/Boost state when the system works, replenishing energy or recovering braking energy for the power grid; Charge the battery through DC/DC when maintenance; The standby state is the dc power supply of different voltage grade according to the need of the power station. By high voltage DC contactor and bi-directional DC/DC combination control, using the topology design of bi-directional DC/DC converter can meet the demand of the diversification of hybrid electric vehicle energy, have the ability of practical application.

bidirectional DC/DC; precharge; buck/boost

2017-05-17；

2017-07-17。

宋克嶺(1972-)男，研究員，碩士，主要從事車輛電源變換器總體技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)11-0227-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.058

TP3

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