習(xí)璐

（咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，咸陽(yáng) 712000）

引言

隨著汽車(chē)工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出和傳統(tǒng)汽車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式不一樣的諸多汽車(chē)類(lèi)型，而且發(fā)展的非常好，純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、增程式汽車(chē)等[1]。液壓混合動(dòng)力汽車(chē)是一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由車(chē)輛原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓車(chē)輔助驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成的車(chē)輛，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部件更為復(fù)雜，動(dòng)力電池作為其主要的驅(qū)動(dòng)源，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行外部和內(nèi)部充電，因此具有高功率和高效率的車(chē)載充電機(jī)是其能源轉(zhuǎn)換的重要橋梁。

具備PFC 電路的車(chē)用BOOST 變換器充電機(jī)可以將制動(dòng)回收的能量轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，可以提高整車(chē)的續(xù)駛里程，與此同時(shí)，也可以減緩電網(wǎng)的超高負(fù)荷，對(duì)不同時(shí)段的電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷的均衡作用[2]。為此，對(duì)于PFC 車(chē)載BOOST 變換器充電機(jī)的性能和穩(wěn)定性控制研究一直是熱點(diǎn)和難點(diǎn)，其中，文獻(xiàn)[3] 研究液壓Boost 變換器驅(qū)動(dòng)液壓缸的雙向運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)的占空比可以控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度，并且在AMESim仿真環(huán)境中驗(yàn)證了液壓缸可以在兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，Boost 變換器的輸出壓力要高于系統(tǒng)的供應(yīng)壓力；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一臺(tái)多功能的車(chē)載充電機(jī)樣機(jī)，輸入為單相交流市電,采用AC-DC 和DC-DC 相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，利用DSP 進(jìn)行控制，通過(guò)與定制的BMS 結(jié)合所做的充電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明車(chē)載充電機(jī)能夠滿(mǎn)足快速提供能量充電的需求。本文以液壓混合動(dòng)力汽車(chē)的車(chē)載BOOST 變換器充電機(jī)為研究對(duì)象，在液壓混動(dòng)車(chē)輛的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和車(chē)載BOOST 變換器電路原理基礎(chǔ)上對(duì)變換器的性能進(jìn)行性能分析，為了能夠得到更為詳細(xì)的性能分析結(jié)果，利用硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了輸出功率等性能試驗(yàn)，最后試驗(yàn)結(jié)果表明在恒流模式下的具備PFC 的車(chē)載BOOST 變換器具有良好的性能輸出。

1 液壓混動(dòng)車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓混合動(dòng)力汽車(chē)是一種液壓輔助、發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的高度集成化汽車(chē)，其底盤(pán)域驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車(chē)載變換器、電機(jī)控制器以及液壓輔助裝置等構(gòu)成。不同的驅(qū)動(dòng)源會(huì)根據(jù)不同的駕駛工況功率需求進(jìn)行切換[5]。

液壓混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì)頻繁處于制動(dòng)狀態(tài)中，當(dāng)車(chē)輛處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液壓輔助系統(tǒng)為車(chē)輛提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并將車(chē)輛的慣性能轉(zhuǎn)換成液壓能，利用低壓蓄能器中的液體以高壓的形式存儲(chǔ)到高壓蓄能器中；當(dāng)車(chē)輛爬坡或者大功率需求，液壓輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)動(dòng)力耦合裝置共同驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，增加整車(chē)的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)快速的驅(qū)動(dòng)車(chē)輛[6-7]。在這個(gè)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)期間，動(dòng)力電池提供了足夠的動(dòng)力，為了提升整車(chē)的續(xù)駛里程，車(chē)載充電機(jī)BOOST 變換器變得尤為重要，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的充電，將車(chē)輛的相關(guān)剩余能量存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，具有高效率高功率的車(chē)載BOOST 變換器在整個(gè)液壓混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中是非常重要的部件，其整體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液壓混動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 BOOST 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)

液壓混合動(dòng)力車(chē)輛車(chē)載BOOST 變換器是一種快速實(shí)現(xiàn)多種方式對(duì)車(chē)載電池進(jìn)行充電的重要部件。通常具有前級(jí)和后級(jí)的車(chē)載BOOST 變換器輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波后功率校正，減小前級(jí)輸出的電壓紋波，后級(jí)進(jìn)行輸出電壓的調(diào)整，將輸出電壓實(shí)時(shí)變換為動(dòng)力電池所需的充電功率。其內(nèi)部的功能模塊大致分為EMI 濾波、功率因數(shù)校正電路、DCDC 電路、采集電路和PWM 驅(qū)動(dòng)電路[8]。

具有有源PFC 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的車(chē)載BOOST 變換器能夠在最大程度上削減高頻電流的諧波，提升整個(gè)功率輸出的質(zhì)量，在后級(jí)DCDC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過(guò)對(duì)有源電路器件進(jìn)行邏輯關(guān)斷和開(kāi)通實(shí)現(xiàn)車(chē)載動(dòng)力電池的充電，如圖2 所示。

圖2 車(chē)載BOOST 變換器PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)液壓混動(dòng)車(chē)輛的車(chē)載BOOST 變換器拓?fù)渲貥?gòu)后，針對(duì)連續(xù)導(dǎo)通模式CCM 下的電流控制在充電需求是峰值狀態(tài)時(shí)，在[Te, Ts]通斷時(shí)間內(nèi)，通過(guò)調(diào)整功率因數(shù)的大小和MOS 管的關(guān)斷，將峰值電感電流進(jìn)行減小后，進(jìn)入第二象限 Sr→ St的控制； 進(jìn)入第二象限后，MOS管處于關(guān)斷的狀態(tài)，隨之進(jìn)行滯環(huán)控制，將電感電流進(jìn)行分下調(diào)，和MOS 管開(kāi)通閾值進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)電感電流下降到閾值時(shí)開(kāi)啟MOS 管，實(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制，提升電流響應(yīng)能力，進(jìn)入第四象限控制，在整個(gè)[Tk, Ts]通斷周期內(nèi)，調(diào)節(jié)后級(jí)參數(shù)配置，實(shí)時(shí)地配置車(chē)載動(dòng)力電池的需求電壓，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，輸出穩(wěn)定的電壓，如圖3 所示。

圖3 車(chē)載BOOST 變換器MOS 動(dòng)態(tài)控制

3 功率性能分析

液壓混合動(dòng)力車(chē)輛的車(chē)載BOOST 變換器是一種在復(fù)雜工況下運(yùn)行的多態(tài)變化的充電設(shè)備，其內(nèi)部的功能是由不同的模塊構(gòu)成，模塊之間通過(guò)硬線(xiàn)、SPI、CAN 總線(xiàn)、集成電路等進(jìn)行信息交互，對(duì)不同模塊的單元進(jìn)行集成化分析，調(diào)整不同的配置參數(shù)來(lái)分析整個(gè)車(chē)載BOOST 變換器的功率性能[9]。

單元集成化分析將車(chē)載BOOST 變換器進(jìn)行階段間隔和模式變換，對(duì)不同的負(fù)載狀態(tài)、MOS 關(guān)斷/閉合以及調(diào)制電壓等級(jí)進(jìn)行設(shè)置，然后觀測(cè)輸出電壓和調(diào)制電壓的質(zhì)量比性能，性能觀測(cè)數(shù)學(xué)描述如下所示，車(chē)載BOOST 變換器狀態(tài)分析如圖4 所示。

式中：

hmi,φri, Md,Kd—模式節(jié)點(diǎn)質(zhì)量比性能、斜率、校準(zhǔn)系數(shù)；

Δmti, Ts,c0—負(fù)載增益壓差比重、修正因數(shù)、擾動(dòng)系數(shù)；

T0, Hc, Mti, H0,σri—積分器初始值、載波信號(hào)固有斜率、下降斜率以及瞬時(shí)關(guān)斷系數(shù)。

通過(guò)在電路模擬環(huán)境中對(duì)車(chē)載BOOST 進(jìn)行性能計(jì)算仿真可以看出，在負(fù)載擾動(dòng)系數(shù)區(qū)間，開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于工頻，將整個(gè)車(chē)載充電的負(fù)載設(shè)置為恒定狀態(tài)，MOS 管導(dǎo)通后，輸出的電壓能夠快速的響應(yīng)，調(diào)制電壓下降后進(jìn)行轉(zhuǎn)置后，提升整個(gè)車(chē)載充電系統(tǒng)的功率。輸出的動(dòng)力電池所需電壓趨于穩(wěn)定化，隨后進(jìn)行MOS 關(guān)斷，電壓瞬間下降，在負(fù)載擾動(dòng)抑制后，通過(guò)對(duì)檢測(cè)電流進(jìn)行KB校準(zhǔn)后，采用PI 調(diào)節(jié)算法[10]進(jìn)行輸出電壓的穩(wěn)定性控制，能夠從圖5 準(zhǔn)確的看出整個(gè)車(chē)載BOOST 變換器具有迅速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和輸出穩(wěn)定的充電電壓，實(shí)現(xiàn)液壓混動(dòng)車(chē)輛的高效充電。

圖5 PFC BOOST 變換器電壓特性

4 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的液壓混動(dòng)車(chē)用BOOST 變換器性能在CCM 模式下的性能，利用可變工況模擬性能實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要由可變工況模擬裝置、車(chē)載BOOST 變換器充電機(jī)、可編程電子負(fù)載設(shè)備、標(biāo)定工具以及數(shù)采設(shè)備構(gòu)成，主要對(duì)CCM 模式下功率解耦后的BOOST 變換器輸出電壓和解耦電壓壓差性能進(jìn)行考察，實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～8 所示。

圖6 車(chē)載BOOST 變換器性能實(shí)驗(yàn)環(huán)境

對(duì)液壓混合動(dòng)力車(chē)載BOOST 變換器進(jìn)行了長(zhǎng)周期的輸出電壓性能試驗(yàn)，其中，圖7 的試驗(yàn)結(jié)果表明在初始階段動(dòng)力電池的需求電壓較小，隨著調(diào)制電壓的上升以及負(fù)載的增加，輸出電壓達(dá)到了302.27 V；從圖8 壓差的性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，壓差控制在了理想的范圍內(nèi)，整體的輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

圖7 車(chē)載BOOST 變換器輸出電壓

圖8 車(chē)載BOOST 變換器輸出電壓壓差

5 總結(jié)

液壓混合動(dòng)力車(chē)輛的BOOST 變換器是實(shí)現(xiàn)車(chē)載充電重要部件，其穩(wěn)定性控制一直是關(guān)鍵的一環(huán)。本文在液壓混動(dòng)車(chē)輛的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和車(chē)載BOOST 變換器電路原理上對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了重構(gòu)，利用集成化的性能分析方法對(duì)車(chē)載BOOST 變換器進(jìn)行性能分析，結(jié)合無(wú)模型動(dòng)態(tài)功率控制方法進(jìn)行輸出功率的性能優(yōu)化，最后在車(chē)載BOOST變換器硬件在環(huán)試驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證了控制方法的可靠性，為往后更為復(fù)雜工況下的工程實(shí)踐提供實(shí)際參考意義。