黃 中，張文娟，李慧敏，高 劍

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電動汽車驅動系統(tǒng)新型雙向DC-DC變換器小波信號模型分析研究

黃 中1，張文娟2，李慧敏3，高 劍3

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.長沙學院電子信息與電氣工程學院，長沙 410002；3.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

現代電動汽車通常需要在加速、減速、低速大扭矩、高速恒功率等狀態(tài)間頻繁轉換，會引起直流母線電壓出現較大的波動。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模型，再根據小信號模型建立變流器控制模型。通過對比其與傳統(tǒng)雙向DC/DC變流器的差異，結果表明該新型雙向DC/DC具有更小的電壓應力以及更高的電壓增益，有效提高直流母線電壓調節(jié)的穩(wěn)定。

電動汽車 驅動系統(tǒng) 雙向DC/DC變換器 小波信號

0 引言

永磁同步電機驅動系統(tǒng)作為現代電動汽車發(fā)展的重要組成部分通常在惡劣環(huán)境下運行，例如在加速、減速、低速大扭矩、高速恒功率等狀態(tài)間頻繁轉換，導致驅動電機負載多變，因此，對永磁同步電機驅動系統(tǒng)的運行能力與可靠性要求進一步提升[1]。驅動系統(tǒng)的運行工況通常隨機波動較大且較為復雜，同時受到電動汽車蓄電池輸出波動的影響，驅動電機的轉矩輸出能力以及高速時的功率輸出能力受到極大挑戰(zhàn)。大量文獻研究表明[2-5]，提高直流母線電壓可以提高電機轉折速度，間接提高電機過載能力，擴展恒轉矩區(qū)以提高電機的轉矩輸出能力。直流母線作為連接驅動電機與逆變器的橋梁，其電壓等級既影響控制算法的設計又影響控制系統(tǒng)硬件部分的設計與選擇。選擇過高的電壓等級會引起電壓利用率降低，同時，固定直流母線電壓及調整調制系數控制逆變器輸出電壓將帶來較大基頻帶諧波，產生比變直流母線控制明顯增加的電機鐵耗，影響驅動系統(tǒng)輸出性能；相反，當直流母線電壓等級不足時，容易引起逆變器的過調制，也會對系統(tǒng)輸出特性產生影響。為避免上述問題，在全速域范圍內采用合適的直流母線電壓控制方法來實現永磁同步電機調速系統(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變換器的拓撲結構，作為連接驅動系統(tǒng)逆變器與蓄電池的中間端，為實現直流母線電壓提供了橋梁。根據其工作原理分析出不同模式下的小信號模型，再根據小信號模型建立變流器控制模型，同時仔細對比其與傳統(tǒng)雙向DC/DC變流器的差異，得出了該新型雙向DC/DC具有更小的電壓應力以及更高的電壓增益的結論，能夠更好實現直流母線電壓調節(jié)的穩(wěn)定與高效性。

1 新型雙向DC/DC變換器拓撲及工作模式分析

1.1 拓撲結構

本文選擇的新型雙向DC/DC變換器拓撲結構如圖1所示。開關電容C1是實現能量存儲與釋放的中轉，在提高電壓增益的同時起到降低器件開關應力的作用。通過該變換器在驅動系統(tǒng)中實現動態(tài)直流母線電壓調整。

圖1 新型非隔離型交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器拓撲圖

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，低壓側電壓由直流儲能電源供電，高壓側為直流母線即圖1中的負載側。當變換器處在升壓狀態(tài)時，由直流儲能電源向直流母線供電，開關器件T1與T3和二極管D2、D4工作。當變換器降壓狀態(tài)時，負載端的能量流入儲能元件中。

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

1）升壓（boost）模式：

當變流器處在升壓模式中，為保障開關穩(wěn)態(tài)工作，占空比通常選擇大于0.5。每個開關周期內變流器時有4種工作模態(tài)，各模態(tài)工作電路如圖2所示。一個開關周期內各器件上電壓電流波形，如圖3所示。

2）降壓（buck）模式：

當變流器工作于Buck模式時，能量由負載側流向直流儲能電源側，為保障開關穩(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，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 小波信號分析

對雙向DC/DC變換器在boost模式下系統(tǒng)狀態(tài)參數設定如下：

圖5 新型雙向DC/DC變流器buck模式下電路工作波形

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

當變流器進入穩(wěn)態(tài)運行時，開關電容電壓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)下開關器件占空比1()=1，3()=3。根據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）可計算出：

根據小信號方程（5）建立其模型如圖6所示。

圖6 新型雙向DC/DC變流器交流小信號等效電路

由式（6）、（7）可得電感電流到輸出電壓的傳遞函數為：

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，仿真結果如圖7所示，新型雙向DC/DC變流器開關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，因此電壓應力也顯著減小。

圖7 新型雙向DC/DC變流器開關器件電壓波形

4 結論

本文設計了一種結構簡單同時具有高電壓增益的新型雙向DC/DC變換器，在永磁同步電機調速系統(tǒng)中實現動態(tài)直流母線電壓調整。通過對新型雙向DC/DC變流器的小信號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進行對比，在系統(tǒng)參數完全相同的情況下，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可以起到降低器件開關應力的作用，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。

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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

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1003-4862（2019）02-001-04

2018-10-30

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