电动汽车用双向DC-DC变换器最优效率控制研究*

孙运全,刘恩杰,罗青松

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)

电动汽车用双向DC-DC变换器最优效率控制研究*

孙运全*,刘恩杰,罗青松

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)

针对电动汽车复合能源系统中隔离双向DC-DC变换器采用传统单移相控制峰值电流和功率损耗过大的缺陷,提出一种基于双重移相控制的最优效率控制策略。首先分析了双重移相控制工作原理,建立了隔离双向DC-DC变换器功率损耗模型,然后分析推导了隔离双向DC-DC变换器功率损耗最小的条件及最优效率控制的实现方案,使双向DC-DC变换器工作在功率损耗最小状态,从而使系统效率实现最大化。最后通过实验验证了最优效率控制的正确性和优越性。

电动汽车;双向变换器;双重移相控制;功率损耗;最优效率控制

随着能源短缺和全球变暖等问题日益严峻,低污染的电动汽车已成为近年来发展迅速的一种新型汽车[1]。目前,动力电池的性能是电动汽车发展的主要技术难题,双向DC-DC变换器能使电动汽车复合能源系统中电池与超级电容配合工作,根据电动汽车不同运行状况实时调节变换器直流母线电压,并在电动汽车突然制动时将制动能量回馈到复合能源系统中,有利于电源整体效率的提高[2-3]。

目前,电动汽车复合能源系统中一般采用移相控制的隔离双向DC-DC IBDC(Isolated Bidirectional DC-DC)变换器[4]。但是在传统单移相控制SPS(Single-Pphase-Shift)隔离双向DC-DC变换器中存在峰值电流和回流功率大的缺陷,增加了变换器的功率损耗,降低了能量双向传输的效率[5]。针对峰值电流和回流功率大的问题,本文运用基于隔离双向DC-DC变换器的双重移相控制方法DPS(Dual-Pphase-Shift);为了最小化功率损耗和提高效率,建立了隔离双向DC-DC变换器的功率损耗模型,分析了双重移相控制隔离双向DC-DC变换器的效率特点,提出了基于双重移相控制隔离双向DC-DC变换器的最优效率控制方法。

1 双重移相控制工作原理

1.1 双重移相控制原理

典型的IBDC变换器电路由两个对称的H桥和高频变压器组成,如图1所示[6]。

DPS控制相比于传统SPS控制,就是在SPS控制基础上增加了内移相角。假设D1为变压器两侧H桥桥内对角开关管驱动信号的移相比,称为内移相比;D2为变压器两侧H桥对应开关管驱动信号的移相比,称为外移相比。当内移相比D1=0时,DPS控制变为传统SPS控制。

图1 IBDC变换器拓扑

图3 DPS下变换器的工作模式

1.2 变换器工作模式分析

当0≤D1≤D2≤1时,由于控制的对称性,以图2中t0-t4时间段系统波形为研究对象,可将变换器工作模式分为5种状态,如图2所示[7]。

(1)状态1:t0-t1阶段

工作状态如图3(a)所示。在t0时刻前,V1侧开关管S2、S3导通,电感电流为负,V2侧开关管M2、M3导通;在t0时刻,开关管S3关断、S4导通,由于电感电流仍为负,所以电流经过S2、D4续流,并且S4实现了ZVS导通;V2侧开关管M2、M3依然导通。电感L两端电压为nV2,iL线性减小,因此电感电流可以表示为:

(1)

图2 双重移相控制系统波形

(2)状态2:t1-t2阶段

工作状态如图3(b)所示。在t1时刻,V1侧开关管S2关断、S1导通,由于电感电流为负,电流经D1、D4续流,S1实现了ZVS导通;V2侧开关管M2、M3导通。电感L两端电压为V1+nV2,iL线性减小,因此电感电流可以表示为:

(2)

工作状态如图3(c)所示。在t2时刻,V1侧开关管D1、D4导通;由于电感电流iL仍然为负,V2侧开关管Q3实现ZCS关断、Q4导通,电流经M2、Q4续流。电感L两端电压为V1,iL线性减小,因此电感电流可以表示为:

(3)

(5)状态5:t3-t4阶段

工作状态如图3(e)所示。在t3时刻,V1侧开关管S1、S4导通;V2侧开关管Q2关断、Q1导通,由于电感电流iL为正,Q1实现了ZVS导通,电流经M1、M4续流。电感L两端电压为V1-nV2,iL线性增加,因此电感电流可以表示为:

(4)

2 IBDC变换器功率损耗模型

2.1 双重移相控制IBDC变换器数学模型

当0≤D1≤D2≤1时,令t0=0,则各时刻可以表示为t1=D1Ths,t2=D2Ths,t3=(D1+D2)Ths,t4=Ths,t5=(1+D1)Ths,t6=(1+D2)Ths,t7=(1+D1+D2)Ths。设电压调节比k=V1/(nV2)≥1,开关频率fs=1/(2Ths),由对称性iL(t4)=-iL(t0),根据式(1)～式(4)可得[8]:

(5)

(6)

(7)

(8)

根据电感电流值可得电流的方均根值为:

(9)

DPS控制下变换器的传输功率P为:

(10)

2.2IBDC变换器功率损耗模型

(1)开关损耗

|iL(t5)|)+n(V2+VF)(|iL(t3)|+|iL(t7)|)]

(11)

(12)

式中:toff和ton分别为开关管关断时间和开通时间。

IGBT和二极管的总开关损耗为:

PSW=PSWOFF+PSWON

(13)

(2)导通损耗

假设IGBT的通态压降VCE(sat)和二极管的正向压降VF都是常数,根据式(1)～式(4)和各阶段开关管导通状态可得IGBT和二极管的导通损耗分别为[10]:

(14)

(15)

IGBT和二极管的总导通损耗为:
PCON=PCONS+PCOND

(16)

(3)变压器和辅助电感损耗

变压器和辅助电感中的损耗主要包括铜耗和铁耗[11]。由变换器工作原理分析可得,变压器和辅助电感在整个开关周期中都有电流iL流过。假设变压器和辅助电感中的绕线电阻都为常数,则变压器和辅助电感的铜耗和电流iL的方均根值有关:

(17)

式中:Rtr和Rau为变压器和辅助电感的绕线电阻。

变压器和辅助电感的铁耗为:

(18)

式中:m为铁耗系数,μ0为真空磁导率,g为气隙,N为线圈的匝数,Ve为有效体积,这些数据可以从变压器和辅助电感铁耗参数表中查到[12]。因此变压器和辅助电感损耗为:

(19)

根据式(5)～式(9)和式(11)～式(19)可得IBDC变换器开关管开关损耗、导通损耗、变压器和辅助电感损耗为:

(20)

综上所述,DPS控制IBDC变换器在一个开关周期中的总损耗为:

Ploss=PSW+PCON+PTA

(21)

因此SPS控制和DPS控制下总损耗Ploss与内、外移相比D1和D2有关,其三维图如图4所示。由图4可以看出,当D1=0时,两种控制方式下变换器总损耗相等,除此以外,DPS控制下变换器总损耗总小于SPS控制下变换器总损耗。

图4 SPS和DPS控制下变换器总损耗三维图

3 最优效率控制原理

3.1 最优效率控制数学模型

IBDC变换器效率为:

(22)

由式(22)可知,在给定传输功率P下,当功率损耗达到最小值时,效率达到最大值。因此可以通过求功率损耗的最小值来获得最大效率。

构造辅助函数:

L(D1,D2,λ)=Ploss(D1,D2)+λ[P(D1,D2)-P0]

(23)

当功率损耗达到最小时,可得:

(24)

将式(10)和式(20)代入式(24),并把各参数值代入上述等式,通过使用MATLAB解上述非线性方程组的根,可以得到功率损耗最小时(D1,D2)最佳组合,此时IBDC变换器的效率达到最大。

3.2 最优效率控制策略

图5 IBDC变换器控制框图

图5给出了IBDC变换器采用的闭环控制框图,主要是由输入电压V1、输出电压V2和输出电流I2确定变换器输出功率P0和电压调节比k,按功率损耗最小计算并设定内移相比D1。在上述D1下,通过闭环调节D2使变换器工作在最小电流状态,从而使变换器效率达到最优。

4 实验结果及分析

为了对本文所提出的最优效率控制策略进行实验验证,以DSP芯片TMS320F28335为控制核心搭建了实验样机,样机主要参数如下:输入电压V1=20V,输出电压V2=80V,负载R=100Ω,直流电容C1=C2=2 200μF,开关频率fs=20kHz,变压器漏感L=7.7μH,变压器匝数比n=0.3。可以得到SPS和DPS控制下IBDC变换器vh1、vh2和iL实验波形如图6所示,其中图6(a)为传统SPS控制、图6(b)为DPS非最优效率控制(D1=0.38)、图6(c)为DPS最优效率控制(D1=0.12)。可以看出,各种控制方式下电流应力是不同的,而且DPS最优效率控制的电流应力最小,可以减小变换器的功率损耗,提高变换器的效率。

图6 3种控制方式下vh1、vh2和iL实验波形

图7给出了传统SPS和DPS控制下系统效率随输入电压变化的曲线。可以看出,与传统单移相控制相比,采用双重移相控制策略,可以提高变换器的整体效率。特别是在输入电压较大的情况下,采用基于双重移相最优效率控制方式比传统单移相控制方式变换器的效率明显提高。

图7 3种控制方式下变换器效率对比图

5 结论

本文针对适用于电动汽车复合能源系统的双重移相控制隔离双向DC-DC变换器,分析了IBDC变换器功率损耗,建立了最优效率控制数学模型,在此基础上提出了基于双重移相控制隔离双向DC-DC变换器的最优效率控制方法。理论与实验结果分析表明,与传统单移相控制相比,所提出的控制方法可以有效地减小变换器的电流应力,使变换器功率损耗达到最小、从而使系统效率达到最优。所以在电动汽车上采用此种控制方法的双向DC-DC变换器可以减少能源在双向传输过程中的损耗,提高能源的利用率,增加电动汽车的续航里程。

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Research on Optimal Efficiency Control Strategy of BidirectionalDC-DC Converter for Electric Vehicles*

SUNYunquan*,LIUEnjie,LUOQingsong

(College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

In view of the defects of the large peak current and large power loss of isolated bidirectional DC-DC converter with the traditional single-phase-shift(SPS)control used in the hybrid energy system of electric vehicles,an optimal efficiency control strategy based on dual-phase-shift(DPS)control is proposed. The operating principle of DPS control is first analyzed,and the power loss model of IBDC based on DPS control is established,then the constraint condition to minimize the power loss of IBDC,as well as the implement scheme of optimal efficiency control strategy,are analyzed and derived later,therefore minimal power loss and maximal efficiency are ensured in an IBDC converter. The experimental results verify the correctness and excellent performance of the proposed optimal efficiency control strategy.

electric vehicle;bidirectional DC-DC converter;dual-phase-shift control;power loss;optimal efficiency control

项目来源:江苏大学高级人才项目(13DG054)

2016-03-21 修改日期:2016-04-22

C:8350;1290B

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.039

TM46

A

1005-9490(2017)02-0461-06