王 銳，阮 會，石靈丹

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

基于混合動力公交平臺的DC-DC雙向電源的設計

王 銳，阮 會，石靈丹

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文主要介紹DC-DC雙向電源在混合動力公交的應用，文中分別介紹了混合動力公交的動力組成、DC-DC雙向電源原理結構圖，DC-DC雙向電源控制策略。實際運行結果表明：設備能夠滿足混合動力公交設計的要求，等效成本低，控制頻率高，響應速度快，紋波小，噪聲低，高效節(jié)能，具有很好的應用前景。

DC-DC雙向電源 混合動力公交 并聯(lián)移相

0 引言

近年來，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，很多廠家在純電動和混合動力汽車投入了大量的研發(fā)力量，相關的電力電子產(chǎn)品日益發(fā)展，競爭激烈。純電動汽車由于電池儲能不足，循環(huán)壽命較短，成本高依然是制約其發(fā)展的瓶頸?；旌蟿恿ζ囎鳛橐环N內(nèi)燃機和純電動車的過渡，其效率高，經(jīng)濟性好，改善了燃油經(jīng)濟性，減少了排放，是一個值得研究和發(fā)展的領域。針對公交和大巴等大功率汽車混動系統(tǒng)，我們研制了高壓大功率DC-DC雙向電源用于電池組與超級電容之間的能量交換，在特定情況下可由電池組與超級電容共同為電機驅(qū)動器提供能量，也可以在特定情況下由電池組吸收超級電容回饋的能量，以滿足混合動力汽車在不同工況下的動力需求，達到高效節(jié)能、延長電池組壽命的目的[1]。

目前關于混合動力公交大巴（主動力是柴油機動力），工作方式主要也是兩種形式：一是不帶DC-DC雙向電源產(chǎn)品，當需要電力投切時，直接將電池電源投切到電機控制器驅(qū)動電機。二是加入DC-DC雙向電源產(chǎn)品，逆變器直流側是靠超級電容提供能量，電容電壓下降到一定值，電池組通過DC-DC雙向電源給電容補充電。第一種工作方式電池的數(shù)量和容量需要較大，電池輸出特性偏軟，輸出電壓不穩(wěn)定，需要反復充放電，壽命會大大降低，成本太高。第二種形式可以很好彌補第一種形式缺點，通過超級電容間接提供能量，其動力性能也得到提高，另外電池組可以很好吸收和釋放多余的能量，電池組和超級電容需要通過一套DC-DC雙向電源設備控制。如圖1所示，DC-DC雙向電源包括共模電感L1，功率控制單元IGBT1、IGBT2，及采樣、驅(qū)動單元，控制器采用TI公司TMS320F2812DSP芯片，電源后級接電機驅(qū)動器和牽引電機M，電機M通過變速箱及軸系與發(fā)動機相連[2]。

圖1 混合動力公交動力構成拓撲結構圖

圖2 DC-DC雙向電源允許短時大電流拓撲結構圖

1 DC-DC雙向電源原理結構圖

DC-DC雙向電源是能量傳輸部件，需要滿足轉(zhuǎn)換效率高的要求，以便提高能源利用率，并且具有良好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力。為了提高電動汽車功率密度比，需要電動汽車各部件體積小，重量輕，以提高電動汽車的運輸能力，使其更有實用價值，因而DC-DC雙向電源要滿足體積小，重量輕的要求。電源拓撲結構分為隔離型和非隔離型，本設計DC-DC雙向電源采用的是非隔離型拓撲結構，采用Buck-Boost電路形式。當能量從右邊超級電容C流向左邊電池組E時是BUCK拓撲結構；當能量從左邊電池組E流向右面超級電容C時是BOOST拓撲結構。該拓撲結構在工作時候，上下兩個管子互補導通，并且在導通和關斷時都有一定的死區(qū)，以防止上下兩個管子同時導通[3]。超級電容電壓在正常范圍時，DC-DC雙向電源處于休眠狀態(tài)，電池組不輸出電流；當電機負荷過重時，就會造成超級電容電壓急速下降，電池組通過DC-DC雙向電源給超級電容充電；當電機處于能量回饋狀態(tài)時，就會造成超級電容電壓急速上升，超級電容通過DC-DC電源給電池組充電，達到能量回收的目的。電流接受車載控制器的控制，雙向移動，并且大小可控。

圖1中，設備輸出功大約30KW，電池組電壓工作區(qū)間200～300 V，超級電容電壓工作范圍400～600 V。當公交車上坡或負載較大時，開始啟動混動工作模式，超級電容電壓很快降低，當電壓降到一定值時，電池組通過DC-DC電源工作，用恒流或恒功率模式快速給超級電容補充電能，超級電容電壓上升，當上升到一定值時，DC-DC電源停止工作，處于休眠狀態(tài)。同理，當公交車下坡或者制動時，超級電容電壓上升，當電容電壓上升到一定值時，DC-DC電源工作，超級電容給電池組充電，將能量回收到電池組，超級電容電壓降低，當降低到一定值，DC-DC電源停止工作，處于休眠狀態(tài)。如此反復，使超級電容電壓維持在一個區(qū)間（始終大于電池組電壓），實現(xiàn)了DC-DC雙向電源在混合動力公交平臺的應用。

混合動力公交在實際運行過程中情況復雜，極端情況下如果牽引電機的突加超重負載或者超級電容電壓突然出現(xiàn)故障，使得超級電容電壓接近或低于電池組電壓，當汽車控制器未及時保護時，可能出現(xiàn)大電流直接通過IGBT續(xù)流二極管不受控制，電流如果達到IGBT設計的極限值，就會損壞IGBT。根據(jù)此我們在上面結構上，在電池組和正極母排并聯(lián)一個二極管D1，當電壓平臺接近時，大電流可以直接通過二極管D1，保護IGBT，如圖2所示[4]。

圖1中，由于設計功率是30 kW，電池組輸出電流100 A。實際工作中，如果混合動力系統(tǒng)要達到更快的響應的速度，電流可能需要達到200 A、300 A，可以將兩路IGBT輸出變成了四路輸出如圖3所示，其中共模電感L1和L2分別并聯(lián)移相半個周期，實現(xiàn)既穩(wěn)定性好又動態(tài)響應快的要求[5]。

圖3 DC-DC雙向電源4路并聯(lián)拓撲結構圖

2 DC-DC雙向電源控制策略

2.1 客戶期望的控制流程如圖4所示

圖4 客戶需求的控制流程

2.2 電池組輔助供電的控制流程如圖5所示

2.3 能量回收的控制流程如圖6所示

3 結論

本設計的關鍵技術在于通過中間超級電容反復充放電，給電機提供能量，并且能夠?qū)⒛芰炕厥盏诫姵亟M，避免直接用電池組提供能量，造成電池組損耗太快。設備采用先進的IGBT控制技術，具有控制精度高、響應及轉(zhuǎn)換時間快、電流電壓紋波小等特點。采用移相控制技術，電流紋波減小，等效頻率提高了一倍，噪音低，電源的溫升大幅降低[6]。其主要性能指標能滿足系統(tǒng)的要求，電流的響應時間和轉(zhuǎn)換時間如圖7、8所示為33.6 ms、65.6 ms，電流、電壓紋波峰峰值如圖9、10所示為640 mA、1.04 V，小于1%滿量程，達到國內(nèi)領先水平。通過系統(tǒng)調(diào)試和試運行階段的試驗數(shù)據(jù)，針對能量控制邏輯、功率分配和動力蓄電池組的科學使用方法等關鍵問題，可以進行進一步優(yōu)化，適合在新能源混合動力汽車中推廣和應用。

圖5 電池組輔助供電的控制流程

圖6 能量回收的控制流程

圖7 電流響應時間

圖8 電流轉(zhuǎn)換時間

圖9 電流紋波

圖10 電壓紋波

[1] 馮柳鑫. 5kW混合動力汽車用雙向DC/DC變換器的設計[D]. 浙江大學, 2014.

[2] 陶鈞炳等. 一種新的混合動力車雙向DC-DC拓撲[J]. 機電工程, 2010, 27（7）： 97-99.

[3] 郭朋飛. 基于DSP的雙向DC/DC變換器的研究[D].廣東工業(yè)大學, 2012.

[4] 王兆安. 電力電子技術[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2013： 119-184.

[5] 景中炤, 黃熙. 一種雙相結構的同步Buck DC/DC變換器[J]. 電力自動化設備, 2010, 30（2）：113-116.

[6] 屈克慶. 基于載波移相技術的PWM多重化整流器[J]. 上海電力學院學報, 2008, 24（3）： 283-285.

Design of DC-DC Bidirectional Power Supply for Hybrid Electric Bus

Wang Rui, Ruan Hui, Shi Lingdan

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

This paper mainly introduces the application of DC-DC bidirectional power supply to the hybrid electric bus. It introduces the composition of hybrid electric bus power, the schematic diagram of DC-DC bidirectional power supply, and the control strategy of DC-DC bidirectional power supply. The actual operation results show that the equipment can meet the design requirements of hybrid electric bus, which has the advantage of low equivalent cost, high control frequency, fast response speed, small ripple, low noise, and so on which has good application prospect.

DC-DC bidirectional power supply; hybrid electric bus; parallel phase shift

TM561

A

1003-4862（2016）12-0018-04

2016-05-18

王銳(1985-)，男，工程師，碩士。專業(yè)方向：電力電子。