劉 斌，林小峰，宋紹劍，賀德強，李先旺

（1．廣西大學電氣工程學院，南寧 530004；2．廣西大學機械工程學院，南寧 530004）

混合動力城市客車車載DC/DC輔助電源設(shè)計

劉 斌1，林小峰1，宋紹劍1，賀德強2，李先旺2

（1．廣西大學電氣工程學院，南寧 530004；2．廣西大學機械工程學院，南寧 530004）

主要討論了一種采用新型SiC器件及全橋拓撲的混合動力城市客車車載DC/DC輔助電源的總體設(shè)計方案。針對城市客車車載電源低壓大電流的應用場合，闡述了一種基于倍流整流電路的DC/DC變換器的原理及工作模式，研究了其主電路參數(shù)的設(shè)計方法，控制策略及其數(shù)字化實現(xiàn)。研制了3 kW工業(yè)樣機，并進行實驗。實驗結(jié)果表明，該DC/DC電源實現(xiàn)了全橋移相控制，滿載效率達96%，所有性能參數(shù)完全滿足混合動力城市客車DC/DC輔助電源的要求。

混合動力汽車；SiC器件；倍流整流

當今世界環(huán)境、能源等兩大難題日益突出，發(fā)展具有環(huán)保、節(jié)能等特點的新能源汽車已成為業(yè)界共識［1］。新能源汽車以優(yōu)越的環(huán)保和節(jié)能特性，成為了汽車工業(yè)研究、開發(fā)和使用的熱點。目前，城市客車以油電或氣電混合動力汽車HEB（hybrid electric bus）為主［2，3］。輔助電源的工作狀態(tài)直接影響到車內(nèi)主動力變流器的工作以及列車的運行狀態(tài)，它在混合動力城市客車安全穩(wěn)定運行的過程中起著重要作用［4］?；旌蟿恿Τ鞘锌蛙嚨蛪狠o助供電系統(tǒng)，由DC/DC變換器與低壓蓄電池組構(gòu)成。車載DC/DC變換器需滿足輸入電壓范圍寬、輸出動態(tài)性能好等要求外［5］，還擔負著給低壓蓄電池合理充放電控制及延長與保護蓄電池使用壽命等任務(wù)［6，7］。

本文給出了一種混合動力汽車車載電源的車載DC/DC輔助電源的總體設(shè)計方案，仿真與實驗結(jié)果驗證本設(shè)計方案的正確性和可行性。

1 系統(tǒng)與主電路設(shè)計

1.1 車載DC/DC電源容量與設(shè)計要求

1.1.1 車載DC/DC電源容量設(shè)計

圖1為混合動力城市客車車體內(nèi)輔助供電系統(tǒng)的電氣連接圖，輔助供電系統(tǒng)主要為車內(nèi)低壓負載進行供電。車內(nèi)低壓側(cè)電壓定級為27 V，低壓負載主要有：①客車的照明系統(tǒng)，包括行車大燈、車內(nèi)照明燈；②位于客車車頂?shù)目蛙嚳照{(diào)，功率為2.2 kW左右；③車內(nèi)的風扇，包括散熱風扇和設(shè)備的冷卻風扇；④行車控制器、整車控制器的電源，以及儀表盤電源的供電。經(jīng)過綜合與統(tǒng)計，整車低壓負載總功率為3 kW，峰值功率約3.3 kW。

圖1 HEB輔助供電系統(tǒng)原理Fig.1 Electrical priciple of HEB auxiliary power supply system

1.1.2 車載DC/DC電源輸入需求特性

由圖1可以看出，輔助DC/DC電源的輸入連接于車內(nèi)高壓直流母線，而車內(nèi)高壓直流母線的電壓由汽車的運行工況所決定。高壓直流母線連接的超級電容為混合動力汽車的儲能裝置，由于體積和重量的限制，城市客車上的超級電容的容量為11 F。由超級電容低能量密度和高功率密度的特性，其充放電時間比較短，因此超級電容穩(wěn)定直流母線電壓的能力有限。當整車的驅(qū)動電機處于牽引工況時，電機驅(qū)動器將超級電容中的能量傳輸?shù)诫姍C側(cè)，從而使直流母線上的電壓下降；當汽車運行于制動狀態(tài)時，電機驅(qū)動器將驅(qū)動電機的制動能量回收并傳輸至超級電容側(cè)，并為其充電，使高壓直流母線上的電壓上升。由于城市客車車輛在城市運行時，汽車處于驅(qū)動與制動兩種工況的反復交替。圖2所示為混合動力城市客車運行車速曲線。由圖可見，車速一般在70 km/h以下，起停次數(shù)多。其母線電壓的波動也比較大，經(jīng)測量與統(tǒng)計，高壓直流母線電壓處于280～720 V之間。由此，在DC/DC輔助電源的軟硬件設(shè)計中，必須滿足輸入電壓范圍寬廣、輸出電壓恒定，并達到一定電能質(zhì)量的要求。

圖2 HEB城市運行時車速隨時間變化曲線Fig.2 Time variation curve of vehicle speed for HEB in urban operation

1.2 主電路拓撲設(shè)計

圖3為本文結(jié)合混合動力城市客車車載DC/ DC電源低壓大電流應用所需的的主電路拓撲，采取全橋倍頻電路拓撲。Uin為DC/DC變換器直流端輸入電壓，Cin為DC/DC輸入端支撐電容，電力電子器件Q1-Q4構(gòu)成全橋電路，T1為高頻平板變壓器，變壓器變比n：1=9:2，Cb為隔直電容。副邊為倍流整流電路，由電感L1、L2及二極管D1、D2構(gòu)成。Co為輸出濾波電容，Uo為輸出電壓，io和R分別表示輸出電流與輸出負載。工作中為了保證脈沖變壓器的磁平衡，防止磁飽和，Q2、Q3同時導通與Q1、Q4同時導通的時間需嚴格對稱相等。設(shè)在一個周期內(nèi)，Q1、Q4同時導通的占空比為d，則d＜0.5。

圖3 車載移相全橋DC/DC變換器拓撲Fig.3 Topology of vehicle phase shifted full bridge DC/DC converter

1.3 參數(shù)設(shè)計與器件選擇

1.3.1 直流輸入端支撐電容

根據(jù)高頻紋波電壓計算方法,設(shè)E為每次開關(guān)管導通所需的能量，ΔUin為紋波電壓峰峰值，則可計算得到

本文設(shè)計的車載DC/DC輔助電源功率容量P= 3 kW，開關(guān)頻率f=100 kHz，每個開關(guān)周期的能量E=P/f=0.03 J，輸入端電壓額定值Uin=280 V，紋波率取2%，即ΔUin=5.6 V，代入式（1），計算得Cin=19.32 μF，考慮到裕量和電容規(guī)格，選用型號為MKP1848 650094Y5的薄膜電容，耐壓為900 V，容值為50 μF，可滿足設(shè)計要求。

1.3.2 副邊二極管選型

由于副邊二極管上承受的最高電壓發(fā)生在直流輸入電壓為最大值的情況下，直流輸入電壓最大值為Uin_max=720 V，此時變壓器副邊繞組的電壓為

式中，n為變壓器變比。計算得Us_max=160 V。本車載電源的最大負載電流Iomax=120 A，因此，采用倍流整流電路拓撲時，每個二極管通過的電流為60 A。因此，選用DSEP2x101-04A快恢復二極管，其額定正向平均電流IFAM=100 A，反向重復峰值電壓VRRM= 400 V，恢復時間trr=30 ns，可完全滿足工程需求。

1.3.3 主開關(guān)器件選型

本電源的主開關(guān)管為Q1~Q4,在主開關(guān)期間輸入的最大平均值電流可表示為

式中：Uin_min為輸入最小電壓，本設(shè)計為Uin_min=280 V；Dmax為最大占空比，本文取Dmax=0.95。計算得Imax= 11.3 A。

開關(guān)器件承受的最高電壓Um可表示為

式中：Usp為過沖電壓；k1為中間環(huán)節(jié)直流電壓波動系數(shù)，k1=1.02；k2為安全裕量系數(shù)，k2=1.2。將以上參數(shù)代入，可求得Um=887 V。

開關(guān)器件Q1~Q4通過的最大電流表示為

式中：a1為電流尖峰電流過載系數(shù)，a1=1.2；a2為溫度降額系數(shù)，a2=1.2；a3為過載系數(shù)，a3=1.4。代入?yún)?shù)計算得Icm=22.8 A。

為方便選取本電源合適的主功率器件，表1對比了SiC基MOSFET和Si基IGBT的主要參數(shù)?；诒?的參數(shù)對比，相同或相近電壓等級的SiC基MOSFET具有導通電阻小，開通與關(guān)斷能量小的優(yōu)勢［8］，是本電源的最佳選擇。

本設(shè)計選取CREE公司出品的新型SiC材料MOSFET器件CMF20120D為主開關(guān)管Q1~Q4，其連續(xù)導通最大電流為42 A，滿足本設(shè)計要求。

表1 參數(shù)對比Tab.1 Comparison of devices parameters

1.3.4 輸出濾波電感設(shè)計

計算輸出濾波電感時，電源工作在額定功率1/10的情況下，此時濾波電感取值大小應能滿足輸入電壓為最大值，濾波電感電流工作在臨界導通狀態(tài)，輸出電流Io=Iomax/10=12 A。副邊整流輸出的最大電壓值Us_max，由式（2）計算得Us_max=160 V。本輔助電源作為電壓源，輸出電壓Uo=27 V，此時占空比Do為

開關(guān)管導通時間ΔT為

計算得ΔT=1.687 5 μs。則倍流整流電路的關(guān)系為

則電感量為

計算電感量時，式（9）ΔI=Io=12 A，最后計算得電感L=11.25 μH，取12 μH。

1.3.5 隔直電容設(shè)計

在全橋拓撲中，為了避免由于正負半波驅(qū)動脈沖中占空比不能嚴格對稱等非理想因素引起系統(tǒng)磁路不平衡，產(chǎn)生直流偏磁，需要在原邊電路中串聯(lián)一個隔直電容Cb。設(shè)計隔直電容時，其充電電流不宜過大，系統(tǒng)滿載時，電容兩端電壓變化ΔUCb最大應為其額定輸入電壓Uin的 5%～10%，本文選取ΔUCb=28 V。設(shè)Cb的電流變化率ΔICb為

取ΔICb=Imax=11.3 A，Δt為控制周期的1/4，可計算得到隔直電容容值為

EPCOS公司的薄膜電容B32676 E6335K即可滿足工程要求，容值3.3 μF，等效短路電阻9.3 mΩ。

2 控制策略與軟件設(shè)計

圖4主程序控制流程Fig.4 Control flow chart of main program

圖4為本輔助電源的主程序控制框圖。首先讀取傳感器采集的輸出電壓、電流。如果蓄電池沒充滿，則輸出電壓低于轉(zhuǎn)換值，輔助電源工作在恒流充電階段，繼續(xù)給電池充電；當輸出電壓大于轉(zhuǎn)換值時，電源轉(zhuǎn)換到電壓與電流雙閉環(huán)控制模式。

本文設(shè)計的輔助電源除了作為車載負載的供電設(shè)備外，還承擔著對車內(nèi)低壓蓄電池的充電控制，其充電模式是“先恒流后恒壓型”，如圖5所示。

圖5 三段式充電特性Fig.5 Characteristics of three stage charging

當電池的端電壓低于DC/DC變換器輸出參考電壓值Uref前，對蓄電池進行恒流充電，蓄電池端電壓上升；當電池的端電壓高于參考值后，充電電流逐漸減小，直至達到電池的閾值電壓；DC/DC變換器的輸出電流為浮充電流和負載電流之和，浮充電流僅抵消蓄電池的自放電；長時間充電對電池是無害的，既可維持蓄電池的充滿狀態(tài)，又能延長保護蓄電池的使用壽命［9］。

3 實驗驗證

圖6DC/DC電源靜態(tài)實驗波形Fig.6 Static experimental waveforms of DC/DC power supply

圖6所示為車載DC/DC電源靜態(tài)實驗波形，圖中，uo為輸出電壓，io為輸出電流，uT為高頻變壓器原邊電壓。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)為：uin=400 V，uo=27 V，io=90 A，控制頻率為100 kHz。從靜態(tài)實驗波形可以看出，采用SiC基的MOSFET后，具有理想的開通與關(guān)斷過程。相比于IGBT等功率器件，其開通時的米勒效應減弱，而在器件關(guān)斷時不存在拖尾現(xiàn)象，MOSFET具有更低的開關(guān)損耗，有利于高頻DC/ DC變換器的效率提升［10］。

圖7為利用本文所提的車載DC/DC輔助控制策略算法及實現(xiàn)的實驗波形。從實驗波形可以看出，本控制策略融合了蓄電池的三段式充電特性。該算法實驗中，充電過程的軟啟動、恒流充電、恒壓供電、聯(lián)合供電等狀態(tài)，在波形都能體現(xiàn)。蓄電池組的起始電壓初始狀態(tài)為23.8 V，軟啟動時，電流斜坡上升增至110 A,蓄電池進入恒流充電模式后，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)得到一合適的充電電流值，輸出電流開始下降；最后DC/DC輔助電源進入恒壓充電模式，在此模式下，負載電流由DC/DC電源的輸出電流與蓄電池共同提供。

圖7 DC/DC輔助電源控制算法實現(xiàn)實驗波形Fig.7 Experimental waveforms of DC/DC auxiliary power supply with the proposed control method

圖8為車載DC/DC電源動態(tài)性能實驗波形。由圖可見，輸出電流參考指令值由20 A階躍變化至50 A，實際電流則在2.5 ms內(nèi)迅速跟蹤階躍響應，無穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào)小。

圖8 DC/DC電源動態(tài)實驗波形Fig.8 Dynamic experimental waveforms of DC/DC power supply

圖9為輸入電壓變化時DC/DC電源實驗波形。采取可編程控直流電源（Chorma 62150H-600S）對輸入電壓進行模擬。實驗中，設(shè)定輸入電壓1 s內(nèi)550 V斜坡下降至330 V，330 V穩(wěn)定10 s后，又在1 s內(nèi)斜坡上升至550 V，此曲線比實際工況的電壓變化率更大。實驗結(jié)果證明，本文所設(shè)計的DC/DC輔助電源能滿足輸入電壓變化范圍寬廣、變化率大的工況，系統(tǒng)的魯棒性強。

圖9 輸入電壓變化時的實驗波形Fig.9 Experimental waveforms under the condition of input voltage variation

圖10為該DC/DC電源在整個功率段的效率曲線。由于SiC基MOSFET開關(guān)速度與開關(guān)損耗均優(yōu)于Si基MOSET，在本裝置100 kHz的高頻工作中更加適合，使得整機效率高。最高效率為96.02%出現(xiàn)在2 400 W左右。

圖10 DC/DC電源效率曲線Fig.10 Efficiency curve of DC/DC power supply

4 結(jié)語

本文采用移相全橋倍流電路應用于混合動力汽車DC/DC輔助電源場合，對主電路拓撲和系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計進行研究。融合蓄電池的三段式充電模式進行了具有“先恒流后恒壓型”的軟件設(shè)計。實驗和實際的工程應用證明了本文提出的DC/DC輔助電源設(shè)計方法的正確性與可行性。應用了最新SiC型MOS管及移相全橋控制的該DC/DC電源運行高效，最高效率可達96%，并且安全可靠。

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Design of Hybrid Electric Bus DC/DC Auxiliary Power Supply

LIU Bin1，LIN Xiaofeng1，SONG Shaojian1，HE Deqiang2，LI Xianwang2
（1.College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China;2.College of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China）

This paper discuss the design scheme of hybrid electric bus（HEB）DC/DC auxiliary power supply,which take the full bridge topology and advanced SiC semiconductor devices,firstly.For the application situation of low voltage and large current,in the hybrid electric bus,the working principle and mode of DC/DC converter based on full bridge and current doubler output rectifier topology are explained.The main circuit parameter design method,control strategy and its digital realization are discussed lately.At last,a 3 kW industrial prototype has been developed.The experimental results validated the proposed design scheme of DC/DC auxiliary power supply and its control strategy.The efficiency of the DC/DC converter reach 96%,all of the performance parameters satisfy the requirements of hybrid electric bus DC/DC auxiliary power supply.

hybrid electric bus;SiC semiconductor devices;full bridge current-doubler rectifier

劉斌

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.115

TM 315

A

劉斌（1982-），男，通信作者，博士，講師，研究方向：電力電子技術(shù)，軌道交通技術(shù)，新能源與分布式發(fā)電技術(shù)，E-mail：Bingo.liu@gxu.edu.cn。

林小峰 （1955-），男，教授，博士生導師，研究方向：新能源轉(zhuǎn)換與優(yōu)化控制，E-mail：gxulinxf@163.com。

宋紹劍（1970-），男，教授，碩士生導師，，研究方向：新能源轉(zhuǎn)換與優(yōu)化控制，電力電子變流技術(shù)，E-mail：57095158@qq. com。

賀德強（1973-），男，博士，教授，博士生導師，研究方向：軌道交通列車信息系統(tǒng)及故障診斷、網(wǎng)絡(luò)化制造，E-mail：hdqianglqy@126.com。

李先旺（1982-），男，博士，講師，研究方向：制造業(yè)信息化、信息系統(tǒng)集成、智能制造，E-mail：xianwang@gxu.edu.cn。

2016-09-08

廣西自然科學基金資助項目（2016GXNSFBA3802 41）；廣西教育廳中青年教師提升計劃資助項目（KY20 16YB028）

Project Supported by Guangxi Natural Science Foundation（2016GXNSFBA380241）;Program of Youth Teacher Enhancements（KY2016YB028）