黃 中，張文娟，李慧敏，高 劍

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電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新型雙向DC-DC變換器小波信號(hào)模型分析研究

黃 中1，張文娟2，李慧敏3，高 劍3

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.長(zhǎng)沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410002；3.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)通常需要在加速、減速、低速大扭矩、高速恒功率等狀態(tài)間頻繁轉(zhuǎn)換，會(huì)引起直流母線電壓出現(xiàn)較大的波動(dòng)。為了控制直流母線電壓的穩(wěn)定，本文提出了一種新型雙向DC/DC變流器，分析出不同模式下小信號(hào)模型，再根據(jù)小信號(hào)模型建立變流器控制模型。通過(guò)對(duì)比其與傳統(tǒng)雙向DC/DC變流器的差異，結(jié)果表明該新型雙向DC/DC具有更小的電壓應(yīng)力以及更高的電壓增益，有效提高直流母線電壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定。

電動(dòng)汽車(chē) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 雙向DC/DC變換器 小波信號(hào)

0 引言

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要組成部分通常在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，例如在加速、減速、低速大扭矩、高速恒功率等狀態(tài)間頻繁轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載多變，因此，對(duì)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行能力與可靠性要求進(jìn)一步提升[1]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行工況通常隨機(jī)波動(dòng)較大且較為復(fù)雜，同時(shí)受到電動(dòng)汽車(chē)蓄電池輸出波動(dòng)的影響，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力以及高速時(shí)的功率輸出能力受到極大挑戰(zhàn)。大量文獻(xiàn)研究表明[2-5]，提高直流母線電壓可以提高電機(jī)轉(zhuǎn)折速度，間接提高電機(jī)過(guò)載能力，擴(kuò)展恒轉(zhuǎn)矩區(qū)以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。直流母線作為連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)與逆變器的橋梁，其電壓等級(jí)既影響控制算法的設(shè)計(jì)又影響控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)與選擇。選擇過(guò)高的電壓等級(jí)會(huì)引起電壓利用率降低，同時(shí)，固定直流母線電壓及調(diào)整調(diào)制系數(shù)控制逆變器輸出電壓將帶來(lái)較大基頻帶諧波，產(chǎn)生比變直流母線控制明顯增加的電機(jī)鐵耗，影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出性能；相反，當(dāng)直流母線電壓等級(jí)不足時(shí)，容易引起逆變器的過(guò)調(diào)制，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)輸出特性產(chǎn)生影響。為避免上述問(wèn)題，在全速域范圍內(nèi)采用合適的直流母線電壓控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)效率最大化尤為重要[6-8]。

本文首先分析了一種新型雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為連接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器與蓄電池的中間端，為實(shí)現(xiàn)直流母線電壓提供了橋梁。根據(jù)其工作原理分析出不同模式下的小信號(hào)模型，再根據(jù)小信號(hào)模型建立變流器控制模型，同時(shí)仔細(xì)對(duì)比其與傳統(tǒng)雙向DC/DC變流器的差異，得出了該新型雙向DC/DC具有更小的電壓應(yīng)力以及更高的電壓增益的結(jié)論，能夠更好實(shí)現(xiàn)直流母線電壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定與高效性。

1 新型雙向DC/DC變換器拓?fù)浼肮ぷ髂Ｊ椒治?/h2>

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文選擇的新型雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。開(kāi)關(guān)電容C1是實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與釋放的中轉(zhuǎn)，在提高電壓增益的同時(shí)起到降低器件開(kāi)關(guān)應(yīng)力的作用。通過(guò)該變換器在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)直流母線電壓調(diào)整。

圖1 新型非隔離型交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器拓?fù)鋱D

圖2 新型雙向DC/DC變流器boost模式下電流階段

圖3 新型雙向DC/DC變流器boost模式下電路工作波形

1.2 工作模式分析

新型交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器可工作在兩種模式：升壓boost模式和降壓buck模式，低壓側(cè)電壓由直流儲(chǔ)能電源供電，高壓側(cè)為直流母線即圖1中的負(fù)載側(cè)。當(dāng)變換器處在升壓狀態(tài)時(shí)，由直流儲(chǔ)能電源向直流母線供電，開(kāi)關(guān)器件T1與T3和二極管D2、D4工作。當(dāng)變換器降壓狀態(tài)時(shí)，負(fù)載端的能量流入儲(chǔ)能元件中。

在分析變流器工作原理之前假設(shè)電路均工作在電流連續(xù)模式下，兩路開(kāi)關(guān)管的占空比相同，相位相差半周期。工作原理根據(jù)開(kāi)關(guān)管占空比的情況可分為三類(lèi)，>0.5，=0.5和<0.5。

1）升壓（boost）模式：

當(dāng)變流器處在升壓模式中，為保障開(kāi)關(guān)穩(wěn)態(tài)工作，占空比通常選擇大于0.5。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變流器時(shí)有4種工作模態(tài)，各模態(tài)工作電路如圖2所示。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)各器件上電壓電流波形，如圖3所示。

2）降壓（buck）模式：

當(dāng)變流器工作于Buck模式時(shí)，能量由負(fù)載側(cè)流向直流儲(chǔ)能電源側(cè)，為保障開(kāi)關(guān)穩(wěn)態(tài)工作，占空比通常小于0.5。具體工作模態(tài)可以分為以下四類(lèi)，如圖4所示，工作波形如圖5所示。

圖4 新型雙向DC/DC變流器buck模式下電流階段

2 小波信號(hào)分析

對(duì)雙向DC/DC變換器在boost模式下系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)設(shè)定如下：

圖5 新型雙向DC/DC變流器buck模式下電路工作波形

當(dāng)DC/DC變換器處在Boost模態(tài)時(shí)，高壓側(cè)為負(fù)載端用替代，設(shè)定直流母線電壓為u，即輸出電容0上的電壓。低壓側(cè)蓄電池供電端簡(jiǎn)化為恒定直流電壓源，電壓值為U。電容1為開(kāi)關(guān)電容，其電壓為U1，設(shè)定電感值1=2。由上小節(jié)分析可知，boost模型下主要由開(kāi)關(guān)器件T1與T3工作，其占空比分別為1與3。因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)空間狀態(tài)變量的平均值為：

當(dāng)變流器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)電容電壓v1()=U1，直流源輸入電壓v()=U，輸出端直流母線電壓v()=U，電感上電流穩(wěn)態(tài)值，<i1()>=I1，<i2()>=I2，穩(wěn)態(tài)下開(kāi)關(guān)器件占空比1()=1，3()=3。根據(jù)電感伏秒平衡與電容電荷平衡原理，代入各量的穩(wěn)態(tài)值由式（1）可計(jì)算出：

根據(jù)小信號(hào)方程（5）建立其模型如圖6所示。

圖6 新型雙向DC/DC變流器交流小信號(hào)等效電路

由式（6）、（7）可得電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為：

3 仿真分析

在輸入同樣的電壓，輸出同樣幅值的電壓前提下，仿真結(jié)果如圖7所示，新型雙向DC/DC變流器開(kāi)關(guān)器件所需占空比明顯小于傳統(tǒng)DC/DC變流器，且期間上的電壓值僅為傳統(tǒng)型變流器的一半，因此電壓應(yīng)力也顯著減小。

圖7 新型雙向DC/DC變流器開(kāi)關(guān)器件電壓波形

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單同時(shí)具有高電壓增益的新型雙向DC/DC變換器，在永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)直流母線電壓調(diào)整。通過(guò)對(duì)新型雙向DC/DC變流器的小信號(hào)分析得到了不同工作模態(tài)下變流器的控制模型。與傳統(tǒng)雙向DC/DC進(jìn)行對(duì)比，在系統(tǒng)參數(shù)完全相同的情況下，新型變流器上的電壓值僅為傳統(tǒng)變流器的一半，在提高電壓增益的同時(shí)可以起到降低器件開(kāi)關(guān)應(yīng)力的作用，能夠有效地減小系統(tǒng)的體積和成本，提高母線電壓的穩(wěn)定性。

[1] 朱顯輝, 崔淑梅, 師楠, 閔遠(yuǎn)亮. 電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)可靠性的灰色預(yù)測(cè)模型[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2012, 16(8): 42 -46.

[2] 張方華. 雙向DC-DC變換器的研究[D]. 博士學(xué)位論文: 南京航空航天大學(xué), 2005.

[3] 王正平. 電動(dòng)汽車(chē)高效率安全DC/DC變換器的研究[D]. 碩士學(xué)位論文: 電子科技大學(xué), 2017.

[4] Mehnaz Akhter Khan, and et. al. Performance analysis of bidirectional DC–DC converters for electric vehicles [J]. IEEE Transactions on Industrial Applications, 2015, 51(4): 2442-2452.

[5] Longcheng Tan, Bin Wu, and et. al. Comprehensive DC power balance management in high-power three-level DC–DC converter for electric vehicle fast charging [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(1): 89-100.

[6] 馬超群. 基于電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合電源直流母線電壓控制的PMSM-DTC系統(tǒng)研究[D]. 碩士學(xué)位論文: 蘭州理工大學(xué), 2017.

[7] 梁亮, 劉南. 交錯(cuò)并聯(lián)雙向 DC /DC 變換器小信號(hào)模型分析[J]. 控制工程, 2014, 21(6): 886-890.

[8] Omar Hegazy, Joeri Van Mierlo, Philippe Lataire. Analysis, modeling, and implementation of a multi-device interleaved DC/DC converter for fuel cell hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4445-4457.

Small-Signal Analysis of a Novel Bi-directional DC/DC Converter in Electrical Vehicle Driver Systems

Huang Zhong1, Zhang Wenjuan2, Li Huimin3, Gao Jian3

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2.Electronic Information and Electrical Engineering College, Changsha 410002, China; 3.Electrical and Information Engineering of Hunan University, Changsha 410082, China)

TM315

A

1003-4862（2019）02-001-04

2018-10-30

黃中（1978-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電機(jī)電器及控制。E-mail: 13971644018@163.com