基于准Z源双向DC?DC变换器的双电压供电系统

房绪鹏　许伟

摘 要： 随着汽车自动化和电力电子技术的发展，车用电气设备越来越多样，传统的14 V供电系统已经不能满足日益增长的汽车电子设备的需要。为了兼顾传统的14 V汽车供电系统，采用一种过渡方案，即14 V/42 V双电压供电系统。对基于电压型准Z源双向DC?DC变换器的双电压供电系统进行研究。其中，双向DC?DC变换器是核心技术环节，通过PWM控制双向功率开关实现功率流的双向传输，并对该双电压供电系统的结构和工作原理做了详细的描述和简要分析。仿真结果表明了该系统的合理性和优越性。

关键词： 准Z源； 双向DC?DC变换器； 双电压供电系统； 14 V供电系统

中图分类号： TN624?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0153?05

Abstract： With the development of the automobile automation and power electronic technology， the automotive electrical equipments become diverse， and the traditional 14 V power supply system can′t meet the needs of the increasing automotive electronic equipments. In order to take into account the traditional 14 V vehicle power supply system， a transitional scheme （14 V/42 V dual?voltage power supply system） is adopted in this paper. The dual?voltage power supply system based on voltage?type quasi?Z?source bidirectional DC?DC converter is studied. The bidirectional DC?DC converter as the core technology link of the system controls the bidirectional power switch by means of PWM to realize the bidirectional transmission of the power flow. The structure and working principle of the dual?voltage power supply system are described in detail， and analyzed briefly. The simulation results show that the system is rational and superior.

Keywords： quasi?Z?source； bidirectional DC?DC converter； dual?voltage power supply system； 14 V power supply system

0 引 言

随着社会和科技的进步，人们对现代汽车的动力性、经济性、舒适性和安全性提出了更高的要求，新的电气设备和电子装置被广泛应用，这使得汽车电气系统的负荷量大大增加[1]。因此，现行的以14 V为主的汽车供电系统已经不能满足人民日益增长的生活需要。20世纪90年代，德国车载电源论坛（Formbordnetz）提出了42 V汽车供电系统方案；福特与麻省理工学院发起的MIT国际协会组织主要研究14 V/42 V双电压汽车供电系统对汽车电器与电子设备的影响；美国汽车工程师学会 （SAE） 专门成立了双/高电压（42 V，14 V/42 V）车辆电气系统委员会；1998年，美国和欧洲汽车制造商和零部件供应商就新一代汽车供电电压标准达成了14 V/42 V新标准协议，越来越多的汽车公司和组织开始研究新的供电系统方案[2]。

由以上可见，很多汽车公司和组织都加大了对42 V汽车电源的研究，因为汽车电压等级升高到42 V有以下优点：流过汽车电器和电子设备的负荷电流明显减少，使得导线和功率元件的导通损耗明显减少，导线截面积、汽车内线束所占体积、电器设备的尺寸、重量、电能耗损以及车身上的钻孔数都有所减少，这满足了汽车的舒适性和经济性要求[3]。另外，在汽车加速或爬坡时，除了发电机正常运转外，还需要启动蓄电池输出电能，使得电机工作在电动状态以提供辅助机械能，增加车轮的驱动力，使发电机始终工作在最佳效率区间，这需要双电压供电系统来满足汽车动力性方面的要求[4]。

1 14 V/42 V双电压供电系统

14 V/42 V双电压供电系统结构框图如图1所示，它由大功率起动/发电复合装置（G/S）、整流?逆变功率转换器、36 V/12 V蓄电池、双向DC?DC变换器以及大中小型功率负载组成。这种系统将汽车电器和电子设备分成两组，较大功率的设备如三元催化转换加热器、 挡风玻璃加热器、 发动机冷却风机、 电气悬架以及电磁阀驱动电路等采用 42 V电压供电；中小功率设备如照明、信号、仪表板、电动摇窗机、中央控锁系统、发动机电子燃油喷射装置、点火控制装置等则采用传统的 14 V 电压供电[5]。

当汽车起动后，起动/发电复合装置中发出42 V交流电压，经过整流?逆变功率转换器的整流器部分转换成42 V直流电压给大功率设备供电，同时给36 V蓄电池充电，然后经过双向DC?DC变换器降压为14 V，给中小功率设备供电的同时也向12 V蓄电池充电。本文希望汽车在发电装置运行的过程中可以对蓄电池进行充电，同时在汽车制动或减速的过程中蓄电池将能量回馈给电动装置，这就需要能量的双向传输。所以，双向DC?DC变换器是14 V/42 V双电压供电系统的核心技术。它将整个双电压供电系统分隔成两个供电电压等级不同的子系统，实现了在单一电路结构下能量双向传输的功能，在整个供电系统电能分配和管理方面起到了重要作用。本文提出的基于准Z源双向DC?DC变换器的双电压供电系统主电路拓扑结构如图2所示，其中以准Z源双向DC?DC变换器为主，可以实现能量的双向流动。在主电路中，除准Z源双向DC?DC变换器以外，高压侧有42 V交流电源经整流?逆变功率转换器整流后产生的42 V直流电压、36 V高压侧蓄电池、等效串联电阻ESR1以及可以维持高压侧输出电压恒定的高压侧电容C42；低压侧有14 V功率负载、12 V低压侧蓄电池、等效串联电阻ESR2以及抑制输出电压脉动的低压侧电容C14。

2 准Z源双向DC?DC变换器

2.1 电路拓扑结构和工作原理

由于14 V/42 V双电压供电系统的主蓄电池电压在60 V以下，可以采用准Z源双向DC?DC变换器这种非隔离型DC?DC变换器。该变换器中的准Z源网络为对称网络，由两个相等的电感L1和L2，两个相等的電容器C1和C2，以及功率开关组成。为了实现能量的双向传输，保证单向功率流传输时电路工作的独立性，每个功率开关均采用了双向可控的开关，即由两个功率场效应晶体管或IGBT模块面对面连接构成，其电路拓扑结构如图3所示。

与传统Z源变换器类似，该双向DC?DC变换器中的准Z源网络为对称网络，即L1=L2，C1=C2。将功率流自左向右传输定义为正向传输，功率流自右向左传输定义为反向传输。电感L1，L2和电容器C1，C2在功率流正向传输时起到储能调压的作用，在功率流反向传输时起到滤波的作用。另外，二极管起到防止准Z源网络电流反向流动的作用。当功率流正向传输时，功率开关S1和S2作为一对开关管互补式工作。显然，二极管D1′和开关S1同步通断，二极管D2′和开关S2同步通断。在这种情况下，不对功率开关S1′和S2′施加控制信号，故其处于截止状态。假定开关周期为T，S2（S2′）导通时间为T0，关断时间为T1，显然T=T0+T1，开关S2（S2′）的导通占空比为[D=T0T]。由于开关S1和S2互补导通，当开关S1导通T1时间段时，开关S2截止；此时电感L1，L2，L3，C2充电，电容器C1放电，其等效电路如图4所示。

由图7分析可知，当开关的导通占空比D在0～0.5之间变化时，输出电压跟输入电压同极性，准Z源双向DC?DC变换器工作在升压模式；当D在0.5～1之间变化时，该电路输出电压的极性跟输入电压的极性相反；D在0.5～0.667变化时，变换器工作在反向升压模式；D在0.667～1变化时变换器工作在反向降压模式。根据以上分析可知，准Z源双向DC?DC变换器完全可以应用于14 V/42 V双电压供电系统，并充分发挥自身优势，使系统更好的全面稳定运行。

3 14 V/42 V双电压供电系统中的其他装置

3.1 起动/发电复合装置

由于14 V/42 V双电压供电系统具有较大的输出功率，为了合理利用资源，提高系统工作效率，利用交流发电机的可逆性，再配置一套半导体整流?逆变功率转换器，将交流发电机和起动机合成为一个起动/发电复合装置。当复合装置中的发电机工作时，整流?逆变功率转换器工作在整流状态，向36 V蓄电池充电并向其他电气设备供电；当复合装置中的起动机工作时，整流?逆变功率转换器工作在逆变状态，36 V蓄电池通过转换器向负载装置供电[6]。

3.2 蓄电池

14 V/42 V双电压供电系统采用36 V和12 V两个蓄电池，若要很好地应用于14 V/42 V双电压供电系统，蓄电池需具有很好的充放电特性，能维持大功率输出，负载运行时保持充足的电能。考虑到系统的运行成本，控制和冷却装置的成本，以及环境保护等问题，目前在实际应用中铅酸蓄电池仍然是14 V/42 V双电压供电系统的首选[7]。

3.3 照明设备

若汽车采用42 V电压给照明设备供电，为了保证照明设备输出功率不变，电流会下降，使得灯丝变得更细更长，会影响灯丝的耐久性和照明设备的寿命。所以仍采用12 V给照明设备供电[8]。

4 14 V/42 V双电压供电系统仿真验证

为了验证本文所提出的基于准Z源双向DC?DC变换器的双电压汽车供电系统，利用Saber软件对该系统进行仿真验证，系统仿真电路如图8所示。仿真结果证明了该双电压供电系统拓扑结构的正确性和可行性。

为了14 V/42 V双电压供电系统仿真方便，暂时忽略整流?逆变功率转换器部分，直接使用直流电源输入系统启动电压。考虑到控制效果和开关损耗，选取20 kHz为变换器的开关频率。经过仿真调试设置对称准Z源网络中的电感、电容以及负载参数。由于系统电压从42 V降压到14 V，所以准Z源双向DC?DC变换器工作在反向传输状态。根据反向传输时的电压增益与占空比的关系确定功率开关S2（S2′）的导通占空比，最终得到14 V/42 V双电压供电系统的主要仿真参数如表1所示。

当汽车起动时，起动/发电复合装置中发出42 V交流电压，经过整流?逆变功率转换器整流部分转换成42 V直流电压，即仿真系统中的输入电压Vin。虽然铅酸电池在目前的汽车供电系统中应用广泛，但是超级电容具有功率密度大、充放电效率高、循环寿命长等优点[9]，可以满足系统动力性、经济性和安全性的要求，所以在14 V/42 V双电压供电系统仿真过程中选用超级电容代替蓄电池，这也是未来14 V/42 V双电压供电系统的发展方向。42 V直流电压给大功率设备供电的同时给超级电容充电，经过准Z源双向DC?DC变换器降压为14 V，此时准Z源双向DC?DC变换器工作在反向传输状态，其仿真结果如图9所示。

由仿真波形图分析，输入电压为42 V时，通过PWM波控制开关S2′的导通占空比D=0.4，根据式（12）计算出输出电压理论值为14 V，仿真结果为13.991 V，误差很小，接近理论值，降压效果很好。所以仿真结果验证了14 V/42 V双电压供电系统采用准Z源双向DC?DC变换器可以实现降压功能。同时，电感电流输出在1 A左右较为平滑，电容器C3电压等于输出电压Vout。

当准Z源双向DC?DC变换器工作在升压模式时，低压侧超级电容给低压侧的中小功率设备供电，同时经过准Z源双向DC?DC变换器升压，给高压侧负载供电并且向高压侧的超级电容充电。此时系统仿真图如图10所示，仿真结果如11所示。

由仿真波形图分析，输入电压为14 V时，通过PWM波控制开关S2′的导通占空比D=0.4，根据式（10）计算出输出电压理论值为42 V，仿真结果为41.448 V，误差很小，接近理论值，升压效果不错。所以仿真结果验证了14 V/42 V双电压供电系统采用准Z源双向DC?DC变换器可以实现升压功能。

5 结 论

本文提出了一种基于电压型准Z源双向DC?DC变换器的14 V/42 V双电压供电系统，它由大功率起动/发电复合装置（G/S）、整流?逆变功率转换器、36 V/12 V蓄电池、准Z源双向DC?DC变换器以及大中小型功率负载组成。本文主要介绍了其中的关键技术——一种新型的电压型准Z源双向DC?DC变换器，详细分析了其电路结构和工作原理，并对整个14 V/42 V双电压供电系统进行了仿真验证。仿真结果证明这种电压型准Z源双向DC?DC变换器完全适用于14 V/42 V双电压供电系统，控制方法简单，可靠性高，可以避免功率开关共态导通或共态关断时电源的短路或功率开关的过电压损坏器件，具有较大的实际意义和广泛的应用前景，值得推广实施。

注：本文通讯作者为许伟。

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