唐 磊 謝 丹 袁 玲

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.湖南工貿(mào)技師學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引言

為了達(dá)到縮小體積、降低成本的目的，電動汽車設(shè)計(jì)者一般采用電壓較低的車載蓄電池，但電動汽車在起動、加速或爬坡時所需的瞬時功率很大，會導(dǎo)致蓄電池放電電流極大，從而影響電池的使用壽命，而在電動汽車減速、下坡等制動狀態(tài)下，不能收集電動車的機(jī)械能，存在浪費(fèi)資源的情況；同時，采用較低的直流電壓作為逆變器電源會降低逆變器的效率，長期過載工作后蓄電池的續(xù)航里程也會縮短。因此從安全、經(jīng)濟(jì)、高效以及實(shí)用等方面綜合考慮，可以采用交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器來解決上述問題。

交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器具有電流紋波小、功率管承受電壓應(yīng)力低、變換比大以及各相電感電流能自動均流等特點(diǎn)。在兩相交錯并聯(lián)DC/DC變換器中，總輸入電流均分到2個電感支路中，單相電感儲能變?yōu)樵瓉淼?/4，因此在相同功率的條件下，每相可以選擇容量較小的功率開關(guān)管，非常適合電動汽車這種大變換比的車型。

1 工作原理

兩相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器可以作為電動車車載蓄電池的補(bǔ)充電源裝置，在過載時為蓄電池補(bǔ)充電能，同時也可以暫存電動車制動能量，其主電路如圖1所示（虛線部分）。

圖1 兩相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器主電路圖

根據(jù)電動車的工作特點(diǎn)，變換器共有3種不同的工作模式，見表1。

表1 交錯并聯(lián)雙向DC/DC工作模式

1.1 待機(jī)模式

當(dāng)電動車在平地上正常行駛時，蓄電池能夠?yàn)殡妱榆嚨倪\(yùn)行提供足夠的電功率，電動機(jī)需要的電能完全由蓄電池直接供電，此時只需要將功率開關(guān)管的驅(qū)動信號全部封鎖，變換器處于待機(jī)模式，超級電容與電動車及蓄電池之間無功率流動。

1.2 Boost模式

要實(shí)現(xiàn)Boost模式，就需要封鎖變換器中上橋臂功率管的驅(qū)動信號，使下橋臂在開關(guān)狀態(tài)下交錯工作，即下橋臂2個功率管以相等的占空比運(yùn)行，但一個功率管滯后另一個功率管半個開關(guān)周期，則由2個“超級電容-電感-二極管-電動機(jī)”回路組成的回路就可實(shí)現(xiàn)超級電容對電動機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充供電的目標(biāo)，以彌補(bǔ)超出蓄電池的功率。

1.3 Buck模式

當(dāng)電動車下坡制動或者減速停車時，使變換器在Buck模式下工作，具體做法如下：封鎖變換器中下橋臂功率管的驅(qū)動信號，使上橋臂在開關(guān)狀態(tài)下交錯工作，則電動車的制動能量將由2個“電動機(jī)-上橋臂功率管-電感-超級電容”回路完成回收任務(wù)，并儲存在超級電容中，為下一次的啟動或爬坡儲存能量。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

為了對變換器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該文設(shè)計(jì)所用參數(shù)要求見表2。

表2 雙向DC/DC變換器參數(shù)

2.1 Buck模式下的參數(shù)計(jì)算

在Buck模式下，雙向DC/DC變換電路為典型的降壓斬波電路，假定電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)小紋波特性近似分析，在一個開關(guān)周期內(nèi)，儲能元件電壓與電流波形如圖2所示。

由伏秒特性以及降壓斬波電路計(jì)算表達(dá)式可知，導(dǎo)通期間，電感電流紋波Δ如公式（1）所示。

即電感的計(jì)算值如公式（2）所示。

式中：為蓄電池的電壓，V；為超級電容的電壓，V；為Buck模式下的電感，μH；為占空比；Δ為電感電流的波動值，A；為開關(guān)管周期，s；為頻率，Hz。

Δ太大將導(dǎo)致電感上壓降過大，同時也會造成功率開關(guān)管的損耗增大，不利于系統(tǒng)的正常工作。一般情況下，Δ取最大功率時直流分量的10%～20%，該文按最小紋波計(jì)算，即Δ=0.1×10000/40=25 A，代入相關(guān)參數(shù)，如公式（3）所示。

為了正確選擇超級電容側(cè)濾波電容，需要精確計(jì)算超級電容側(cè)電壓紋波，采用簡單的小紋波近似估算無法得到有效的計(jì)算結(jié)果，必須對電容器的電流和電壓進(jìn)行精確估計(jì)，充電時，電容電壓增量Δ與充電總電荷之間關(guān)系如公式（4）所示。

由圖2（b）可知，總電荷如公式（5）所示。

圖2 變換器Buck模式下儲能元件電壓和電流波形

為了使輸出側(cè)電壓波動滿足超級電容電壓波動的需求，一般限制電壓紋波Δ在超級電容電壓的5%以內(nèi)，因此輸入電容如公式（6）所示。

代入相關(guān)參數(shù)，如公式（7）所示。為了抵消其他等效電阻所引起的附加電壓紋波，取為80 μF。

2.2 Boost模式參數(shù)計(jì)算

同理，在Boost模式下，對變換器進(jìn)行小紋波特性近似分析，其電壓電流波形如圖3所示。

圖3 變換器Boost模式下儲能元件電壓和電流波形

導(dǎo)通期間，電感電流紋波Δi如公式（8）所示。

式中：為Boost模式下的電感，μH；為占空比。

因此，可以得到電感的選擇表達(dá)式如公式（9）所示。

代入相關(guān)參數(shù)，如公式（10）所示。

同理，由圖3（b）可知，在功率開關(guān)管閉合時，蓄電池側(cè)濾波電容的電壓如公式（11）所示。

為了滿足蓄電池電壓波動的需求，Δ同樣取蓄電池的5%，因此，輸出濾波電容如公式（12）所示。

代入相關(guān)參數(shù)，如公式（13）所示。

綜上所述，結(jié)合2種工作模式，取儲能電感的參數(shù)為==80 μH，輸入電容=80 μF，輸出電容=350 μF。

2.3 控制策略

根據(jù)前文的分析，交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器控制框圖如圖4所示。當(dāng)滿足表1中的Buck模式時，切換開關(guān)置于位置1，此時的控制電路由超級電容電壓外環(huán)和儲能電感電流內(nèi)環(huán)2個部分組成，外環(huán)電壓經(jīng)PI比較器后輸出一分為二作為內(nèi)環(huán)電流的給定參考值，用于控制每相的電感電流；當(dāng)滿足表1中的Boost模式時，切換開關(guān)置于位置2，此時的控制對象為電感電流，目的是限制蓄電池放電，電流為限制值，儲能電感設(shè)定參考值=（-）/；當(dāng)滿足表1中的待機(jī)模式時，切換開關(guān)置于位置3，將封鎖所有功率開關(guān)管。

圖4 交錯并聯(lián)雙向DC/DC電路控制策略框圖

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該文參數(shù)計(jì)算方法的正確性，在SIMULINK平臺中搭建了10 kW仿真模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證，各參數(shù)取值見表3。

表3 雙向DC/DC變換器參數(shù)

取蓄電池額定參考電流=30 A，不同模式之間相互切換的波形如圖5所示。其中，圖5（a）為待機(jī)模式與Boost模式切換過程雙向DC/DC變換器輸出電流、蓄電池電流以及負(fù)載電流波形圖，由圖5（a）可知，當(dāng)負(fù)載電流>時，雙向DC/DC變換器進(jìn)入Boost模式，負(fù)載超出蓄電池的功率由雙向變換器提供，當(dāng)負(fù)載功率降低時，變換器重新切換至待機(jī)模式。

圖5（b）為Buck模式與 Boost模式切換過相關(guān)波形圖，初始時，超級電容電壓為40 V，變換器處于Buck模式，負(fù)載電流>時，雙向DC/DC變換器進(jìn)入Boost模式，負(fù)載超出蓄電池的功率由雙向變換器提供，當(dāng)負(fù)載功率降低時，變換器再次切換到Buck模式。

圖5 模式切換實(shí)驗(yàn)波形

圖5（c）為待機(jī)模式與 Buck模式切換過相關(guān)波形圖，在初始時，超級電容電壓為40 V，變換器處于Buck模式，隨后負(fù)載增大，變換器轉(zhuǎn)入Boost模式運(yùn)行，負(fù)載超出蓄電池的功率由雙向變換器提供，當(dāng)負(fù)載功率變小時，變換器重新進(jìn)入Buck模式，再次對超級電容進(jìn)行充電，為下次Boost模式做好準(zhǔn)備。

為說明雙向DC/DC變換器的作用，圖5（d）為僅有蓄電池工作時的工作情況，其與圖5（b）具有相同負(fù)載，根據(jù)對比可知，在Boost模式下，變換器可以發(fā)揮補(bǔ)充負(fù)載所超出蓄電池限定電流的作用，因此可以極大地限制蓄電池在電動車加速時的過放現(xiàn)象，從而延長蓄電池的使用壽命。

4 結(jié)語

采用交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器作為電動車蓄電池供電系統(tǒng)的補(bǔ)充，由變換器中儲能元件的小紋波特性對變換器的儲能電感和穩(wěn)壓電容的參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)與計(jì)算，利用電流控制法對電流與電壓進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了交錯并聯(lián)雙向DC/DC變流器系統(tǒng)，并驗(yàn)證了在不同工作模式之間的切換效果，證明了其功率雙向流動過程中作為電動車輔助供電系統(tǒng)的可行性與有效性。