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        新能源汽車雙向全橋LLC變換器的設(shè)計(jì)與研究

        2022-08-02 08:59:58王東旭李前進(jìn)
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2022年12期
        關(guān)鍵詞:全橋傳遞函數(shù)雙向

        0 引言

        新能源汽車以其零排放的絕對優(yōu)勢,成為近幾年國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署。然而,新能源汽車電池存在動態(tài)響應(yīng)較慢的缺點(diǎn)。當(dāng)在車輛制動時(shí)無法快速地回收能量

        。雙向DC-DC變換器搭配控制電路及超級電容組成的儲能系統(tǒng)可以很好地彌補(bǔ)這一不足。雙向DC-DC變換器在系統(tǒng)中承擔(dān)能量傳遞的作用。在汽車剎車過程中,所產(chǎn)生的再生電能將通過雙向DC-DC變換器為系統(tǒng)中的超級電容提供電力。這一方案很好地解決了新能源汽車動態(tài)響應(yīng)慢的缺陷,對于新能源汽車的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)效益

        傳統(tǒng)的雙向DC-DC變換器的開關(guān)管大都處于硬開關(guān)狀態(tài),致使儲能系統(tǒng)的損耗增加,極大程度的降低了整機(jī)效率

        。能量損耗低的特點(diǎn)在相關(guān)文獻(xiàn)中被證實(shí)

        。研究發(fā)現(xiàn),雙向全橋LLC拓?fù)渚哂须娔茈p向流動和軟開關(guān)范圍大的特點(diǎn)。因此,本文將以雙向全橋LLC電路為基礎(chǔ)對新能源汽車的變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

        1 原理介紹與分析

        1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

        圖1所示為雙向全橋LLC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)與整流網(wǎng)絡(luò)三個(gè)組成部分。并且,根據(jù)電流的流動方向,可將行變換器分為正向與反向兩種工作模式

        。本文針對現(xiàn)有LLC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。將現(xiàn)有方案中的不可控整流二極管采用可關(guān)斷的全控型器件進(jìn)行代替,同時(shí),在變換器的輸入端并聯(lián)一個(gè)與原勵(lì)磁電感相同的電感。

        ③收益增加額減去項(xiàng)目總投資額后,第一年項(xiàng)目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為804萬元-527.43萬元=276.57萬元。

        由圖1可以看出,當(dāng)左側(cè)的全橋網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在逆變狀態(tài)時(shí),右側(cè)的全橋結(jié)構(gòu)將運(yùn)行在同步整流狀態(tài)

        。使得雙向全橋LLC電路無論位于正向或反向工作模式下均處于諧振變換狀態(tài)。這一優(yōu)勢能夠在分析拓?fù)潆娐窌r(shí),均可按照單向LLC電路的工作模式進(jìn)行分析。更重要的是,無論正向或反向工作模式下的控制策略相同,極大地簡化了系統(tǒng)的控制策略及控制算法

        。

        從本質(zhì)上來講,智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)信息化的網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)本體和信息深度融合,實(shí)時(shí)掌握發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的信息,實(shí)現(xiàn)電力電量實(shí)時(shí)平衡。

        1.2 基波近似分析

        本節(jié)基波近似法對變換器正向與反向運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。首先針對正向工作模式進(jìn)行分析。

        擴(kuò)展描述函數(shù)法能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)潆娐返臅r(shí)域與頻域分析。本節(jié)將采用此方法構(gòu)建連續(xù)時(shí)間的線性小信號模型。分析可知,對于正反向工作模式都可簡化為單向進(jìn)行分析。因此,可將變換器簡化為全橋LLC變換器進(jìn)行分析。全橋LLC等效電路如圖2所示。

        (1)

        同理,將輸出阻抗

        等效到交流側(cè),近似認(rèn)為

        2

        兩端電壓為正弦波。同樣對

        進(jìn)行傅里葉分解后,如式(2)所示。。

        (2)

        同理,反向工作模式下的分析流程與正向工作模式相同。同樣按照前文計(jì)算方法可以得到反向工作模式下的直流增益函數(shù):

        (3)

        對比正向與反向模式下的直流增益函數(shù)可見,由于

        1

        =

        2

        ,當(dāng)

        1

        =

        2

        時(shí),兩個(gè)模式下的直流增益函數(shù)相同。

        運(yùn)用Matlab軟件,可以得到7階傳遞函數(shù):

        (4)

        結(jié)合圖1,基于基爾霍夫定律可以得到正向工作模式下直流增益的傳遞函數(shù):

        (5)

        將傳遞函數(shù)中

        采用

        代替,

        =2

        ,

        =5,

        =2。采用Mathcad 軟件可得到正向工作模式下的直流增益曲線。

        這里將交流等效阻抗

        2

        視為純電阻,則流經(jīng)

        2

        的電流將為正弦特征,記作

        2

        (

        )=

        sin(

        ),則

        (6)

        2 閉環(huán)變換器設(shè)計(jì)

        2.1 數(shù)學(xué)建模

        將圖1中雙向全橋LLC電路進(jìn)行簡化并取正向工作模式進(jìn)行分析。在全橋結(jié)構(gòu)中,開關(guān)網(wǎng)絡(luò)逆變后的電壓

        是一個(gè)幅值為

        的方波,且方波正向的起始時(shí)刻為0。對

        進(jìn)行傅里葉分解后,如式(1)所示。

        基于圖2,運(yùn)用基爾霍夫定律獲取狀態(tài)方程??梢缘玫街C振網(wǎng)絡(luò)電壓如下式所示。

        我非常納悶,經(jīng)理解釋公司高層先前商量一致決定推選沙莉升職,因?yàn)樗皿w貼客戶,人性化地?cái)U(kuò)展業(yè)務(wù),后來出現(xiàn)緋聞意外,通過人事部調(diào)查證實(shí)沙莉是無辜的。

        大學(xué)較之中學(xué)存在階段性的差別,主要表現(xiàn)在學(xué)習(xí)和人際交往上。新生中主要的問題之一是學(xué)習(xí)問題,不少新生來訪者主訴“學(xué)習(xí)內(nèi)容比較枯燥,沒意思”,“不知道學(xué)這些東西有什么用,對現(xiàn)在的學(xué)習(xí)很迷茫”,“擔(dān)心未來的發(fā)展,不知道將來自己要做什么,能做什么”。大學(xué)新生學(xué)習(xí)上的迷茫感主要表現(xiàn)三個(gè)方面。

        (7)

        式中,當(dāng)

        >0時(shí),sgn(

        )=1,當(dāng)

        <0時(shí),sgn(

        )=-1。

        該地區(qū)近期構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈頻繁,新構(gòu)造運(yùn)動既起了加深以往構(gòu)造變動的作用,并產(chǎn)生了一些新的構(gòu)造形態(tài)。通過新構(gòu)造運(yùn)動,最后形成了境內(nèi)之全貌。

        同時(shí),得到諧振網(wǎng)絡(luò)電流:

        (8)

        變壓器原邊電壓:

        (9)

        式中,

        =2

        ;

        =2

        2;

        為積分環(huán)節(jié)的增益。采用 Matlab 軟件的 sisotool 工具可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),并得到系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)

        (

        )如下式所示。

        強(qiáng)化品牌意識,加大策劃包裝力度,大力宣傳洮北區(qū)“雪寒”韭菜、鎮(zhèn)賚縣“杏花村”大蔥、洮南市“福勝”蔬菜、大安市“太山”黃姑娘、“白城”香瓜等棚膜產(chǎn)品品牌,以品牌效應(yīng)發(fā)展優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)、開拓產(chǎn)品銷售市場。

        (10)

        輸出電壓:

        (11)

        2.2 閉環(huán)變換器設(shè)計(jì)

        基于2.1節(jié)分析,可以得到雙橋LLC變換器的小信號模型,基于小信號模型,可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。本節(jié)將結(jié)合具體的電路參數(shù)對控制環(huán)路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        表1 所示為電路參數(shù)表。將數(shù)值帶入,可以得到開環(huán)控制函數(shù)。

        (2)合同對結(jié)算方式要求不明確,結(jié)算可調(diào)部分規(guī)定不明確,如人工、材料調(diào)差未明確細(xì)化的要求,造成結(jié)算扯皮。

        (12)

        為保證開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性實(shí)現(xiàn)閉環(huán)響應(yīng)特性,在連續(xù)域內(nèi)需要對系統(tǒng)添加一個(gè)三極點(diǎn)-雙零點(diǎn)(3P2Z)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在連續(xù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)

        (

        )如下式所示。

        (13)

        變壓器副邊電流:

        (14)

        系統(tǒng)經(jīng)補(bǔ)償校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為

        (

        )與

        (

        )的乘積,即

        (

        )=

        (

        )

        (

        )。對比結(jié)果顯示,添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)之后,頻響的幅值裕度為-19.3dB,相位裕度為88.9度。變換器系統(tǒng)的頻域響應(yīng)得到明顯改善,并且能夠滿足開關(guān)電源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求。

        3 仿真實(shí)驗(yàn)

        仿真過程中元件的電器參數(shù)按照表1進(jìn)行設(shè)置。并且,為了能夠準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)電路的工作狀態(tài),在電感

        一側(cè)添加串聯(lián)電阻ESL。同時(shí),在濾波電容

        下側(cè)添加串聯(lián)電阻ESR??紤]到模擬輸出負(fù)載的變化,在輸出電阻

        下面串并聯(lián)一個(gè)開關(guān)

        和電阻

        。當(dāng)開關(guān)打開時(shí),對應(yīng)輸出電阻為

        。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),對應(yīng)輸出電阻為

        +

        。

        補(bǔ)償器能夠?qū)⑤敵鲭妷?/p>

        和基準(zhǔn)電壓

        (48V)輸入到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。然后補(bǔ)償器將補(bǔ)償校正后的結(jié)果進(jìn)行輸出。輸出后的控制量Δ

        通過加法器與初始開關(guān)頻率值

        進(jìn)行求和???部分為壓控振蕩器(VCO)。由于PSIM軟件當(dāng)中沒有現(xiàn)成可用的VCO模塊,而雙向全橋LLC電路具有變頻控制的需求。因此,本文采用硬件搭建進(jìn)行補(bǔ)充。VCO是由一個(gè)外部可復(fù)位積分器與比較器兩個(gè)元件構(gòu)成。其中,可復(fù)位積分器能夠接收外部的控制信號來對積分進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)復(fù)位信號為高電平時(shí),積分器的輸出將被置為零。積分器能夠?qū)⒀a(bǔ)償器輸出的數(shù)值

        進(jìn)行積分后,與比較器的反向輸入端(1)進(jìn)行比較。即可獲得一個(gè)上升斜率為開關(guān)頻率

        的鋸齒波。并且,得到的鋸齒波周期為1

        。由此可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號。

        準(zhǔn)確移取10.00 mL超市購買的果酒和果醋于不同的50 mL容量瓶中,加入超純水定容,超聲波清洗器脫氣5 min,經(jīng)0.45 μm濾膜過濾待測。

        框 3 部分為 PWM 模塊。在壓控振蕩器 VCO 輸出的鋸齒波通過比較器之后,PWM 模塊能夠?qū)⑿盘柗纸獬梢粚パa(bǔ)的、帶有死區(qū)時(shí)間的、占空比為46%的PWM信號 PWM1a 與PWM1b。分解之后的信號分別作為開關(guān)管 Q

        、Q

        及 Q

        、Q

        的門極驅(qū)動信號。

        圖5所示為輸出負(fù)載跳變時(shí)的輸出電流

        波形圖和電壓

        波形圖。當(dāng)可關(guān)斷開關(guān)管

        以1kHz跳變時(shí),對應(yīng)的輸出電阻也將隨之跳變。同時(shí),輸出電流將從滿載跳變到輕載。但是由于系統(tǒng)設(shè)置了電壓控制環(huán)路,隨著輸出負(fù)載的跳變,輸出電壓很快會恢復(fù)到額定輸出的48V。經(jīng)測量,輸出電壓交流峰的峰值為

        -

        =0.19V。完全能夠滿足電壓紋波系數(shù)≤ 0.5%的設(shè)計(jì)要求。

        如圖2所示,礦區(qū)內(nèi)出露地層為寒武系黃洞口組中段(∈h2)和上段(∈h3),是一套濁積碎屑巖,巖性為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、細(xì)砂巖等,為礦區(qū)內(nèi)金礦體的圍巖,其金、銀元素豐度值分別為地殼平均值的4~5倍和17倍。

        輸出電壓與輸出電流測定之后對雙向LLC變換器開機(jī)過程中輸出電壓的波形進(jìn)行測量。經(jīng)測量,變換器的動態(tài)性能指標(biāo)如下:延遲時(shí)間

        =0.118ms,上升時(shí)間

        =0.134ms,峰值時(shí)間

        =0.297ms,調(diào)節(jié)時(shí)間

        =0.689ms,超調(diào)量σ%=14.4%??梢钥闯鱿到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較小,進(jìn)而可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的硬件控制環(huán)路系統(tǒng)有著良好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

        4 結(jié)束語

        本文針對雙向全橋LLC變換器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。對現(xiàn)有的雙向全橋LLC變換器進(jìn)行了優(yōu)化,提出了一種新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。運(yùn)用擴(kuò)展描述函數(shù)法對變換器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,得到了小信號動態(tài)模型,并利用得到的小信號模型進(jìn)行了電路控制環(huán)路設(shè)計(jì)?;赑SIM軟件搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺,對本文涉及進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的可行性與穩(wěn)定性。本文方案為新能源汽車變換器設(shè)計(jì)提供了新的方法與思路,對于新能源汽車的發(fā)展具有重要的實(shí)際工程意義。

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