研究与设计Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｓｉｇｎ 变频嘴ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｂｉａｎｐｉｎ ｃｏＴＭ 基于ＰＥＶ的双向ＤＣ—ＤＣ变换器的研究 陈识为，崔杰，黄华 （西南交通大学电气工程学院磁浮列车与磁浮技术教育部重点实验室，四川成都６１００３１） 摘要：本文介绍了一种基于纯电动汽车超级电容充放电系统的大功率双向ＤＣ—ＤＣ变换器。首先 给出了纯电动汽车电传动系统的结构图，然后介绍了双向ＤＣ—ＤＣ变换器的拓扑，并针对超级电容充放 电系统设计双向ＤＣ—ＤＣ变换器的控制器。 关键词：纯电动汽车；超级电容；双向ＤＣ－ＤＣ变换器；控制 Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＥＶ ｂｏｔｈ－ｗａｙ ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｈｅｎ Ｓｈｉｗｅｉ，Ｃｕｉ Ｊｉｅ，Ｈｕａｎｇ Ｈｕａ （Ｍａｇｌｅｖ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｂｏｔｈ—ｗａｙ ＤＣ—ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｆｉｒｓｔ ｗｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｉｇｕｒｅ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｔｈ—ｗａｙ ＤＣ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｔｏｐｏｌｏｇｙａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ，ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆｂｏｔｈ—ｗａｙ ＤＣ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；Ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ；Ｂｏｔｈ—ｗａｙ ＤＣ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ；Ｃｏｎｔｒｏｌ 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ９９４—３０９１（２０１ ２）０５—０７０—０７２ ０引言 随着汽车工业的迅猛发展，环境污染和能源短缺问题 日益短缺，新能源汽车的研究越来越受到重视。超级电容 换器已经有了成熟的控制技术，但在双向ＤＣ—ＤＣ变换器 中不同功率流向的控制模型不尽相同。因此，研究双向 ＤＣ—ＤＣ变换器的控制模型，提出有效的控制方案是研究的 重点。本文以纯电动汽车用大功率双向ＤＣ—ＤＣ变换器为 对象，研究双向ＤＣ—ＤＣ变换器及其控制系统。 作为纯电动汽车的辅助动力源，以其较的高功率密度在纯 电动汽车领域有了广泛的应用。如果超级电容直接连接在 逆变器的输入端，不能满足恒压放电和恒流充电的需求， １纯电动汽车电力传动系统 图１所示，该ＰＥＶ的电力传动系统是由锂离子蓄电池 因此必须在其间串人双向ＤＣ—ＤＣ变换器。单向ＤＣ—ＤＣ变 收稿日期：２０１２—０２—１１ ７０ ｌ建轾辍书瘫限・２０１２年第５１１１１ Ｒｅｓｅ ａ ｒｃｈ＆Ｄｅｓｉｇ ｎ研究与设计 厂——］—— 车加速、爬坡时为电机提供能量，并在减速、下坡时通过回 馈制动为超级电容充电。根据以上特点，需要在超级电容 与逆变器之间串联大功率双向ＤＣ—ＤＣ变换器才能满足超 级电容的恒压放电和恒流充电。 ２双向大功率ＤＣ—ＤＣ变换器 双向ＤＣ—ＤＣ变换器按是否含变压器分为隔离型和非 隔离型。隔离型模块的可靠性高，但成本高、效率差。在大 根 电 据 功率输入输出的情况下，非隔离型双向ＤＣ—ＤＣ模块以其 简单的结构和较高的功率传输效率是理想的选择。 感 电 超级电容在放电时，双向大功率ＤＣ—ＤＣ变换器工作 ＝匪 在ｂｏｏｓｔ模式下。如图２所示，在ｂｏｏｓｔ模式下。此时，ＩＵ ＧＢＴ１ 始终保持在关断状态，其反并联的二极管作续流二极管 、ｃ ０ 用，仅控制ＩＧＢＴ２的开断以保持恒压放电。超级电容充电 Ｄ ＜ ￡ ＜ ｓ 时，双向大功率ＤＣ—ＤＣ变换器则工作在ｂｕｃｋ模式下。此 时，ＩＧＢＴ２始终保持在关断状态，其反并联的二极管作续流 二极管用，仅控制１ＧＢＴ１的开断以保持恒流充电。 Ｌ Ｌ—一 图２双向大功率ＤＣ—ＤＣ模型 下面主要分析双向大功率ＤＣ—ＤＣ变换器在ｂｏｏｓｔ和 ｂｕｃｋ模式下的电气参数、控制参数和输出特性的关系。 ３双向ＤＣ—ＤＣ变换器的控制 对于该电路，在ｂｏｏｓｔ模式情况下，电感Ｌ的大小通常 根据电路的文波要求来设计。电路工作在连续模式下，可 变鞭网ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｂｉａｎｐｉｎ ｃｏｒｎ 知 ：上一南千招缈由塞的揄 由 令瞄善 在连续导电模式下，一个稳态周期中电感两端的电压 为： ｄ 当开关导通的时候，导通时间 ＝Ｄ ， ＝ ，电感电流 上升： △ Ｄ Ｄ 假设电流纹波系数为叼ｉ： ，则可得： ： Ｄ ７ Ｌ 假设电路没有损耗，根据功率守恒， Ｉ Ｉ 则可进一步推导： 。 町 上式可以看成是仅含变量Ｄ的一个函数。对函数Ｌ（Ｄ） 求导后发现，当Ｄ＝ｌ／３时，Ｌ取得最大值。 保证电路工作在连续导电模式下，Ａｉ ≤２／ｒ。考虑到电 感会饱和，除此之外，ＩＧＢＴ的峰值电流和电压损耗问题也 需要减小。在实际中我们通常取Ｚｉｉ ≤０．２５１Ｌ。在本文中，我 们取ＡｉＬ≤Ｏ．２５ＩＬ。 为开关管的工作频率，当频率高的时候，输出谐波含 量少，有利于滤波。但是，开关损耗增加。当开关频率低时， 波形质量会很差。因此，应综合选取开关管频率。本文选取 开关频率为２０ ｋＨｚ。 要保证纹波电流△ ≤０．２５１Ｌ，则 器＿０．９５ ｍＨ 在ｂｏｏｓｔ电路中，假设纹波电流全部从Ｃ中流过。则 △ 为： △ ＝ ＝ ２０１２年第５期・吏翅钗桃哦Ｉ ７１ 参 研究与设计Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｓ、Ｉｇｎ 变频删ＷＷＷ ｃｈＩｎａｂｌａｎｐｉｎ ＣＯｒｎ 假设电流纹波系数为：ｒ／ｖ＝ 所以： ， ｃ≥ －３（】８ ｕＦ 根据以上计算，电感取值为１ ｍＬ，电容取值为４７０ ｕＦ。 当变换器Ｔ作在ｂｏｏｓｔ模式下，需要得到恒定的输出电压， 此时选用电压反馈控制方式。如图３所示，将输出电压采 集后与参考电压比较，通过ＰＩ调节器后，与三角波比较生 成ＰＷＭ波控制ＩＧＢＴ的开断。 Ｔ 图３ ｂｏｏｓｔ模式下恒压控制 此模式下，ｂｏｏｓｔ电路的输入端为超级电容，初始电压 为２５０ Ｖ。放电过程中，电压呈指数下降，放电时间为２０ ｓ， 电压最后为１５０ Ｖ。在此过程中，保证变换器输出端电压始 终为５００Ｖ。 ｝ ２６０Ｏ０ ２４０Ｏ０ ２２０ ００ ２０ｏ００ １８０００ １６０００ Ｔｉｍｅ（ｓ） 图４ ｂｏｏｓｔ模式下输入输出电压图 当变换器ｌ丁作在ｂｕｃｋ模式下，需要得到恒定的电流为 超级电容充电，此时选用电流反馈控制方式。如图５所示， 采集输出电流与给定电流比较，通过ＰＩ调节器后，再与三 角波比较，生成ＰＷＭ波控制ＩＧＢＴ的开断。 此模式下，ｂｕｃｋ电路是输入为逆变器的直流侧，初始 电压为５００ Ｖ。充电时间ｌ０ ｓ，电压下降，输出充电电流恒 为２００Ａ ７２｝建撅辍书震闱・２０１２年第５期 图５ ｂｕｃｋ模式下恒流控制 Ｖｉ ————～～ —、 ＼＼ — ～ ／一 ， ｛ ｝ ２ ｏ０ ４ ０Ｏ ６ ０Ｏ ８０Ｏ Ｔｉｍｅ（ｓ） 图６ ｂｕｃｋ模式下输入电压输出电流图 ４结论 本文分析了大功率双向ＤＣ—ＤＣ变换器在纯电动汽车 中与超级电容的配合应用，在不同的功率流向时，需要考 虑不同的控制方式。通过仿真分析，在不同的时间对在同 一电路中的两个开关管分别控制，能达到超级电容恒压放 电和恒流充电的工程要求，证明该系统稳定可行。 参考文献 【１］林渭勋．现代电力电子学『ＭＪ．北京：机械工业出版 社．２００５． 【２】李定宣．开关稳定电源设计与应用【Ｍ】，北京：中国电 力出版社，２００６． 【３］杜少武，方如举一种新型双向ＤＣ／ＤＣ变换器的 研究［ＪＪ电力电子技术，２００６，（６）：４５－４７． ［４】张方华，朱成花，严仰光．双向ＤＣ—ＤＣ变换器的控 制模型Ｕ］中国电机工程学报，２００５，（１１）．