基于雙閉環(huán)交錯并聯(lián)高壓Boost的研究

馬圓 高文根 吳志遠

摘 要：雙向DC-DC是新能源汽車電池連接驅(qū)動器的重要組成部分，用于為汽車在不同的工況下提供不同的電壓.三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC結(jié)構(gòu)簡單，電流紋波系數(shù)小可以為驅(qū)動器提供穩(wěn)定的電壓，提高電動汽車的效率，提升續(xù)航里程.本文主要研究Boost模式電壓外環(huán)電流獨立內(nèi)環(huán)環(huán)路的設(shè)計，計算相應(yīng)的PI值，最后在Simulink建立系統(tǒng)的仿真模型，對不同工況下系統(tǒng)的輸入輸出進行分析，驗證了系統(tǒng)的抗干擾和均流能力.

關(guān)鍵詞：三相交錯并聯(lián);雙向DC/DC;電壓電流雙閉環(huán)

中圖分類號：TV508? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）10-0007-03

隨著石油能源的減少，汽車尾氣造成的環(huán)境問題越來越突出，新能源電動汽車越來越得到國家的重視，得到了大力發(fā)展.雙向DC/DC是連接汽車電池與驅(qū)動器組成部分，當(dāng)汽車處在啟動，加速爬坡的工作狀態(tài)下，雙向DC/DC變換器工作在Boost升壓模式，為驅(qū)動器提供高電壓;當(dāng)汽車處在制動下坡的狀態(tài)，變換器工作在Buck模式，對電池進行充電完成能量的回收與利用，提高電動汽車的續(xù)航里程[1-3].

相比于傳統(tǒng)的單相雙向DC/DC和隔離型雙向DC/DC，三相交錯并聯(lián)DC/DC結(jié)構(gòu)簡單，元器件體積小，易于控制，各相電路的電壓電流紋波大大減小，每個器件承受的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力也相對較小.所以研究變換器的工作狀態(tài)有著重要意義[4-9].本文是基于電動汽車電池和驅(qū)動器之間的三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器，對Boost模式工作過程進行了分析，設(shè)計電壓外環(huán)電流獨立內(nèi)環(huán)的控制策略，對汽車不同工況進行了仿真，對結(jié)果進行分析，提高整個變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)[10-11].

1 Boost模式的工作過程

設(shè)一個周期時間為TS，S1、S2、S3導(dǎo)通的時間分別為D1Ts、D2Ts、D3Ts，則模式2、4、6的時間分別為（1-D1）Ts、（1-D2）Ts、（1-D3）Ts.

當(dāng)電池工作在模式1、3、5時，S1、S2、S3導(dǎo)通，S4、S5、S6關(guān)斷，電流通過開關(guān)管S1.S2，S3對電感進行充電.電容C2進行放電，電流iL1、iL2、iL3不斷增大.

當(dāng)電池工作在模式2時，S1、S3導(dǎo)通，S2關(guān)斷，電感L1、L3充電，儲存能量，電感L2經(jīng)過二極管D5對負載供電.電流iL1、iL3不斷增大，電流iL2不斷減小.

當(dāng)電池工作在模式4時，S1、S2導(dǎo)通，S3關(guān)斷，電感L1、L2充電，儲存能量，L3經(jīng)過二極管D6對負載進行供電.電流iL1、iL2不斷增大，電流iL3不斷減小.

當(dāng)電池工作在模式6時，S2S3導(dǎo)通，S1關(guān)斷，電感L2、L3充電，儲存能量，L1經(jīng)過二極管D4對負載進行供電.電流iL2、iL3不斷增大，iL1電流不斷減小.

2 Boost模式控制器的設(shè)計

Boost模式時電池根據(jù)驅(qū)動器的指令來對輸出不同的電壓，提高電動機的扭矩和輸出能力，大大提高電動機的工作效率.交錯并聯(lián)電路理想狀態(tài)是三路的元器件參數(shù)都完全一致，達到均流效果.但是現(xiàn)實情況下，由于工藝等其他因素可能會導(dǎo)致參數(shù)的不一致，進而影響到三相電流不一致，給輸出設(shè)備帶來危害.為了解決三相均流的問題，本文采用的是電壓外環(huán)電流獨立內(nèi)環(huán)的控制策略，下圖2是Boost模式的控制框圖，輸出測量電壓與設(shè)定電壓相比得到的誤差Vref經(jīng)過電壓環(huán)PI控制器得到參考電流Iref，再與測得的IL1、IL2、IL3相比得出誤差經(jīng)過電流環(huán)PI控制器最終得到輸出電壓V2.該控制策略能夠保證三相電路均流，使整個變換器工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下.

2.1 電流內(nèi)環(huán)PI控制器的設(shè)計

本文將電流采樣系數(shù)K1，K2，K3電壓采樣系數(shù)K4都取為1，增益GPWM（s）也取為1.電路中各個參數(shù)為輸入電壓Vi為250V，輸出電壓范圍600-800V，額定功率30KW，最大功率60KW，開關(guān)頻率15KHZ，低壓側(cè)電容150uF，高壓側(cè)電容500uF，三相電感1200Uh，IGBT最大電流150A.

2.2 電壓環(huán)PI控制器設(shè)計

同理，建立電壓環(huán)的各個函數(shù)，電壓環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)如式（4）所示：

電壓外環(huán)的響應(yīng)速度一般遠小于電流內(nèi)環(huán)，所以電壓環(huán)的帶寬也應(yīng)遠遠小于電流環(huán)，所以本文取電壓環(huán)的穿越頻率f1=100HZ，轉(zhuǎn)折頻率f2=30HZ，則根據(jù)式（6）求解電壓環(huán)PI參數(shù)

3 Boost模式仿真結(jié)果及分析

本文是基于MATLAB simulink搭建仿真模型的，系統(tǒng)的主電路圖如圖3所示.

本文通過simulink主要仿真了Boost模式中的幾種不同工作狀態(tài)，（1）根據(jù)輸出端工不同工作模式需要不同的電壓，對輸出端進行600-800V的電壓模擬仿真，觀察輸出端的電壓波形變化情況.（2）對三相電路中的兩相加入微小擾動，驗證系統(tǒng)的抗干擾性能，觀察三相電感的電流波形.（3）對輸出端的負載進行增加或較少，驗證系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)能力，觀察輸出電壓波形的變化情況，（4）對出現(xiàn)輸入端電池電壓出現(xiàn)下降的情況進行模擬，驗證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力.

（1）電池電壓為250V時，當(dāng)電動汽車處在不同的工作模式下，需要的驅(qū)動電壓也不同，這就要求系統(tǒng)具有快速調(diào)節(jié)電壓的能力，為輸出端提供穩(wěn)定的電壓.如圖4是仿真系統(tǒng)在0.07秒左右輸出端需要700V電壓，0.16秒輸出端需要800V的電壓.

結(jié)論（1）：從波形中可以看出系統(tǒng)在接收到驅(qū)動器調(diào)壓信號后能夠快速的做出反應(yīng)，如圖所示，系統(tǒng)在接收信號之后0.01秒左右完成電壓的改變，且保持穩(wěn)定，所以該系統(tǒng)能夠滿足快速調(diào)節(jié)電壓的要求.

在第一相電路串聯(lián)一個0.5歐姆大小的電阻，第二相電路串聯(lián)一個1歐姆大小的電阻，第三相電路不加任何擾動，觀察各相電流波形，分析系統(tǒng)均流的抗干擾能力.如圖5和圖6所示.

結(jié)論（2）：如圖5所示兩相電路加入擾動后三相電流并沒有明顯的波動，沒有發(fā)生突變.可以看出電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制策略具有良好的抗干擾能力.

當(dāng)輸出端負載突然發(fā)生變化時，系統(tǒng)輸出電壓會發(fā)生如何變化，下圖6和圖7為輸出電壓和輸出電流圖.

結(jié)論（3）：在simulink中系統(tǒng)設(shè)置0.05s時輸出負載突然降低一半，觀察輸出電壓的變化情況，從波形可以看出系統(tǒng)在發(fā)生突變時，電壓發(fā)生變化，但是在0.05s之后電壓又穩(wěn)定在設(shè)定值600v，電流也是快速跟隨電壓變化后穩(wěn)定且三相依然保持均流.，可以得出控制器符合系統(tǒng)的要求.

（4）隨著電池端不斷為負載供電，電池電壓也會隨之下降，無法達到額定值250V，下面模擬的是電池電壓下降到200V時輸出電壓會如何變化.如圖8和9，電池電壓在0.1S時電壓下降到200V，輸出電壓和三相電流的變化.

結(jié)論（4）：如圖所示輸入電壓在0.1S時發(fā)生突變降至200V，系統(tǒng)隨之做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)電壓，輸出電壓在下降0.01S之后恢復(fù)設(shè)置值并保持穩(wěn)定，電流也是在發(fā)生突變后出現(xiàn)短暫波動后迅速恢復(fù)穩(wěn)定.

經(jīng)過以上四組仿真可以得出該系統(tǒng)的抗干擾能力和均流能力都能達到要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo).

4 結(jié)語

本文主要研究的三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC的Boost模式，通過狀態(tài)空間法建立小信號模型，求出系統(tǒng)Boost模式下的傳遞函數(shù).采用電壓外環(huán)電流獨立內(nèi)環(huán)的控制策略，求出PI參數(shù).并在MATLAB simulink中對系統(tǒng)進行仿真，對系統(tǒng)的抗干擾，均流能力進行仿真驗證，研究分析實驗結(jié)果，最終得出雙閉環(huán)控制下的系統(tǒng)具有很好的抗干擾能力和均流能力.能夠滿足要求，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo).

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