余開江,康龍云

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東廣州510640)

1 引言

由于資源和環(huán)境問題,世界各國對電動汽車的研究日益重視,而蓄電池-超級電容復(fù)合能源電動汽車是解決目前電動汽車瓶頸問題的有效途徑。復(fù)合能源電動汽車能夠結(jié)合蓄電池的高能量密度特性和超級電容的高功率密度特性,以適應(yīng)電動汽車工況復(fù)雜的特點。雙向DC變換器作為復(fù)合能源電動汽車多能源為接口電路的核心部件,能夠?qū)﹄娫吹妮敵鲎杩惯M行調(diào)節(jié)。為適應(yīng)電動汽車模型和工況的復(fù)雜性,根據(jù)電動汽車的最佳動力特性和節(jié)能特性對雙向DC變換器的變比進行匹配,便能得到變換器的最優(yōu)調(diào)節(jié)特性。通過調(diào)節(jié)總體能量流動,優(yōu)化匹配整車動力參數(shù),提高能量利用效率和電動汽車?yán)m(xù)駛里程,以使電動汽車工作在最佳工作范圍。

由于雙向DC變換器可以調(diào)節(jié)電源的輸出阻抗,實現(xiàn)在一定功率性要求下的效率性的極限值。確定了變換器在一定工況的最優(yōu)變比后,通過改變變換器PWM占空比來調(diào)節(jié)變換器工作電壓以實現(xiàn)最優(yōu)控制。

鑒于以上因素,本文主要對雙向DC變換器最優(yōu)控制進行試驗研究,這有助于推進其在電動汽車的應(yīng)用。雙向DC變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用升壓斬波器和降壓斬波器的反并聯(lián),這樣電機便能工作在4象限運行狀態(tài)下的正轉(zhuǎn)驅(qū)動和正轉(zhuǎn)發(fā)電模式。本文討論雙向DC變換器的工作模式并提供驅(qū)動和再生制動最優(yōu)控制實驗結(jié)果。

2 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的雙向DC變換器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用升壓斬波器和降壓斬波器的反并聯(lián)[1],如圖1所示。由于超級電容在低壓段工作模式儲存的能量沒有高壓段工作模式高,電壓利用范圍窄,可控性不好,另外,電機反電動勢不高時,低壓段工作模式無法給超級電容充電,回收利用率低。所以根據(jù)本文電動車的實際情況,決定采用高壓段工作模式,即對超級電容可進行升壓充電和降壓放電。在電機驅(qū)動狀態(tài)下,雙向DC變換器工作于降壓變換模式,超級電壓和蓄電池聯(lián)合驅(qū)動電機,根據(jù)電動汽車的行駛工況調(diào)節(jié)變換器變比,以實現(xiàn)最優(yōu)驅(qū)動控制,并減小電機轉(zhuǎn)矩波動。同時通過雙向DC變換器升壓變換模式實現(xiàn)超級電容對再生制動能量的高效回收。

圖1 雙向DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 T opological structure of bi-directional DC converter

另一方面,兩個MOSFET交替工作,即 T8在驅(qū)動模式下保持常閉,而在再生制動模式下保持常閉。在和門極信號之間需要插入一段死區(qū)時間,以避免器件擊穿和貫穿電流。

本文提出的雙向DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),能夠使超級電容工作在一個較高的電壓水平上,同時通過超級電容峰值功率發(fā)生器的作用可以對電機的轉(zhuǎn)矩進行粗調(diào)。在驅(qū)動工況下,DC變換器能夠?qū)Τ夒娙蓦妷哼M行降壓輸出,以適應(yīng)電動汽車寬的調(diào)速范圍,提高驅(qū)動效率。而且,雙向DC變換器允許功率的雙向流動以及對電機制動電流的控制。

2.1 變換器工作模式

當(dāng)電機電流參考值被設(shè)定為零或者車輛制動指令發(fā)出時,T7關(guān)斷,直到制動指令解除或者電機電流參考值大于零。當(dāng)開關(guān)T7保持恒定關(guān)斷狀態(tài)時,由于電壓和超級電容電壓的即時差值使二極管反偏,超級電容輸出電流降到零。

經(jīng)過一段死區(qū)時間,T8開啟,為功率的反向流動提供通道。然后以恒定的開關(guān)頻率和可變的占空比以維持再生制動電流充入超級電容的期望值。圖2b顯示了變換器工作于再生制動工況時的電路狀態(tài)。當(dāng)開啟時,電池同時從電機和電容C接收能量,發(fā)電機的能量來自車輛的動能或勢能。關(guān)斷可以切斷對超級電容的供能,通過調(diào)節(jié)開關(guān)的PWM占空比就可以對再生制動的電流值控制。這樣一種控制方法可以減輕蓄電池在再生制動時的電流沖擊,而且允許駕駛員選擇最好的車輛制動方式。

圖2 變換器工作模式Fig.2 Converter operation mode

無論是電機轉(zhuǎn)速還是再生制動回饋電流都是反應(yīng)電動汽車行駛狀態(tài)的反饋量,通過調(diào)節(jié)變換器PWM占空比總能實現(xiàn)在電動汽車一定工況下的最優(yōu)控制。

2.2 變換器控制

圖3顯示了總體控制結(jié)構(gòu)框圖,主要包括4大部件:載有逆變器的CRPWM 永磁電機,超級電容器,蓄電池和雙向DC變換器。

圖3 控制系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Schematic of control system

為保證復(fù)合能源電動汽車閉環(huán)系統(tǒng)在模型和參數(shù)不確定性條件下的魯棒性,設(shè)計了基于變換器參數(shù)匹配的最佳功率-效率控制器(見圖4)。這種控制是通過超級電容和蓄電池兩種能源作最優(yōu)的配合來實現(xiàn)的。

圖4 雙向DC變換器匹配最佳功率-效率控制原理Fig.4 Optimal power-efficiency control principle of bi-directional DC converter

電動車在行駛過程中由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因,負(fù)載電流變化比較大[2]。當(dāng)負(fù)載電流太大以至于超過蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時,為了避免電池組過電流放電或充電,由超級電容放電或充電,以便改善電池組的工作狀態(tài),延長其使用壽命。電池組的工作電流為

式中:iload為總線電流(負(fù)載電流);ic為由超級電容器通過雙向DC/DC變換器產(chǎn)生的電流;為電池組工作電流。

ib限制條件為

式中:Ibn為電池組最大充電電流;Ibp為電池組最大放電電流。

由式(1)和式(2)可以得到:

電流控制策略就是通過雙向DC/DC變換器根據(jù)電機轉(zhuǎn)速控制變換器輸出電壓使ic工作在合適的范圍。

另一方面,電機轉(zhuǎn)矩波動決定于電機終端瞬時電壓和電機反電動勢的差值,因此,根據(jù)電機反電動勢即時調(diào)節(jié)電機終端驅(qū)動電壓就成為減小電機轉(zhuǎn)矩波動的有效措施。這種電壓控制方法可以通過控制DC變換器的占空比與變換器直流母線電壓匹配來實現(xiàn),即CRPWM逆變器根據(jù)行駛車速供給電機合適的電壓。這種方法能夠?qū)﹄姍C的轉(zhuǎn)矩波動進行微調(diào),提高電動汽車控制性能和安全性。

3 仿真研究

對圖3所示的永磁電機控制系統(tǒng)進行了建模和仿真。為達到這一目的,建立了雙向DC變換器的模型,一種理想的電流控制方式被應(yīng)用于CRPWM逆變器。電機模型根據(jù)電機機械方程和三相反電動勢建立[3]。

本文建立了如圖3所示的載有CRPWM逆變器的永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的仿真模型,以驗證雙向DC變換器控制最優(yōu)控制的有效性。變換器模塊考慮了理想開關(guān)模型和永磁電機的等效電路模型。

圖5所示為蓄電池和超級電容放電電流隨直流母線電壓的變化曲線圖?？梢娀谥绷髂妇€電壓的變換器控制能夠發(fā)揮蓄電池的高比能量特性和超級電容的高比功率特性。

圖5 變換器電壓控制下電池和電容電流Fig.5 Battery and capacitor current under converter voltage control

綜上所述,仿真曲線表明雙向DC變換器作為阻抗匹配器進行電源最優(yōu)控制的有效性。

4 實驗研究

本文對圖1所示的雙向DC變換器進行了實驗研究,采用的功率器件為MOSFET,額定值為600 V,50 A,換能電感額定值為1.5 mH,25A,輸出電容額定值為 1 860 μ F,450 V。MOSFET的開關(guān)頻率為15 kHz,變換器控制算法采用TMS320 LF2407DSP控制芯片實現(xiàn)。

驅(qū)動和再生制動工況下的實驗曲線如圖6和圖7所示。圖6顯示了驅(qū)動工況下的實驗結(jié)果?？梢钥吹?通過變換器對電機的驅(qū)動電流進行控制,其波動較小,相應(yīng)的蓄電池電流值被降低在安全工作水平。圖7為再生制動工況實測曲線。在初始車速和電池電壓改變的情況下,控制器具有良好的控制效果,充電電流跟隨性好。從能量回收效率的角度分析,由于制動過程中蓄電池端電壓基本恒定,所以蓄電池充電電流和充電時間的乘積就與回收到蓄電池的能量基本成正比,因此,較小的穩(wěn)態(tài)誤差及較快的響應(yīng)速度就意味著可以回收更多的能量。通過超級電容對功率匹配的粗調(diào)和雙向DC變換器的細(xì)調(diào),整車便能實現(xiàn)最佳功率-效率控制。

圖6 變換器電壓控制下電池和電容電流實驗波形Fig.6 Battery and capacito r experimental current under converter voltage control wavefo rms

圖7 再生制動工況實驗曲線Fig.7 Experimental curve under regenerative braking mode

圖8顯示了變換器根據(jù)車輛速度控制逆變器輸入電壓算法的實驗結(jié)果。其為變換器最小占空比條件下的直流母線電壓和電流曲線。通過調(diào)節(jié)電機相電流來控制車輛的加減速,而電機相電流的控制可以通過DC變換器占空比調(diào)整逆變器輸入電壓來達到。

圖8 電壓控制方法實驗結(jié)果Fig.8 Experimental results of voltage control

5 結(jié)論

雙向DC變換器有助于推進載有逆變器的電機驅(qū)動系統(tǒng)在電動汽車上的應(yīng)用。事實上,DC變換器可以作為一個接口電路對超級電容和蓄電池的輸出阻抗進行調(diào)節(jié),從而達到適應(yīng)電動汽車工況復(fù)雜的目的。

這樣一種帶控制器的電機系統(tǒng)允許電機在整個調(diào)速范圍的高效運作,同時可以減小電機轉(zhuǎn)矩波動。而且,雙向DC變換器的使用允許功率的雙向流動,因此車輛的動能和勢能中很大一部分能量可以被回收到蓄電池。

考慮上述因素,本文論述了雙向DC變換器在電動汽車上的運用。討論了雙向DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并且進行了實驗,采用的功率器件為MOSFET。實驗驗證了雙向DC變換器工作的可靠性和控制方法的有效性。

[1] Tao Haimin,Kotsopoulos A,Duarte J L,et al.T riple-Half-Bridge Bidirectional Converter Controlled by Phase Shift and PWM[C]∥In Proceeding,APEC,2006:1256-1262.

[2] Sangtaek Han,Deepak Divan.Bi-directional DC/DC Converter for Plug-in Hybrid Electric Vehicle(PHEV)Applications[C]∥In Proceeding,APEC,2008:784-789.

[3] 林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

修改稿日期:2010-09-29