一种复合电源用双向DC的实现方法

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(中国北方车辆研究所，北京 100072)

一种复合电源用双向DC的实现方法

宋克岭，李申，蒋任君

(中国北方车辆研究所，北京100072)

某混合动力车辆电网采用超级电容直接挂接电网，动力电池通过DC/DC挂接电网的结构，需要双向DC/DC为超级电容降压/升压预充电；系统工作后双向DC/DC工作在降压/升压状态，为动力电网补充能量或回收制动能量；维修保养时通过DC/DC为电池充电；待机状态作为电站按需输出不同电压等级的直流电源；通过高压直流接触器与双向DC/DC的组合控制，利用该拓扑结构设计的双向DC/DC变换器能够满足混合动力车辆的多样化能量需求，具备实际应用的能力。

双向DC/DC；预充电；降压/升压

0 引言

混合动力车辆需要一套性能良好、工作可靠的电能量存储装置,以降低原动机及发电系统功率，尽可能多地回收整车制动能量, 并高效地为电机供电。复合电源的控制目标是:在保证整车动力性的前提下,充分发挥超级电容/削峰填谷的作用,减小大电流对电池的冲击,延长电池的使用寿命,满足瞬态功率用电设备的需求；提高电源充放电效率,最大限度的回收整车制动能量,提高整车的燃油经济性；稳定电网电压，提高电机驱动效率。复合电源主要由电池、超级电容、双向DC/DC构成。

1 复合电源拓扑及双向DC的工作原理

1.1 复合电源拓扑结构

混合动力车辆的复合电源一般由动力电池、超级电容、双向DC/DC组合构成。复合电源可采用多种拓扑结构，不同拓扑结构据用不同的优缺点，但总的出发点是超级电容提供功率，电池提供能量，从而提高电源利用率，延长动力电池使用寿命。采用的复合电源拓扑结构如图1所示。

图1 复合电源拓扑结构

拓扑结构中超级电容直接挂接电网的作用：

1)响应速度快，快速向电网补充能量、吸收电网瞬态功率；

2)超级电容特性基本不受低温影响，严寒条件下有利于电网电压稳定；

3)电网工作电压无限制，在车辆潜伏待机工况下实现270～900 V直流电输出，为车内外用电设备供电；

拓扑结构中电池通过双向DC/DC挂接电网的作用：

1)实现电池充放电保护与SOC的调整；

2)实现不同电压等级外接直流电源对电池的充电保养；

3)电池通过双向DC/DC为超级电容快速预充电，超级电容不需要自备充电机。

1.2 双向DC工作模式

初始上电时，电池通双向DC给超级电容充电，此时双向DC工作在充电机模式；车辆启动后，双向DC主要工作在升压(Buck)或者降压(Boost)模式，车辆加速行驶时，动力电池通过双向DC向电网补充车辆加速所需的能量，为车辆加速提供助力，此时双向DC工作在Boost模式；车辆减速或者制动时，电网中制动回馈的能量通过双向DC存储在动力电池中，此时双向DC工作在Buck模式。

1.3 双向DC工作原理

双向DC升压侧连接超级电容，降压侧连接电池，如图2所示，图中红色方框内的部分就是双向DC的基本拓扑结构。

图2 双向DC的基本拓扑结构

Buck模式时DC的工作原理：开关管G2封锁状态，开关管G1处于周期性导通和关断作状态，G1处于导通期间时，超级电容通过开关管G1、电感L给电容C2和电池充电，同时电感L电流逐渐增大，一部分能量存储在电感L中。G1处于关断期间时，由于电感电流不能突变，二极管D2给电感L提供续流通道，电感L中存储的能量通过二极管D2继续给电容C2和电池充电，电感L电流逐渐减小，如果电感电流减小到零时，开关管G1仍处于关断状态，电容给C2给电池充电。双向DC通过控制开关管G1的导通和关断实现了超级电容中的能量转移到电池中。

Boost模式时DC的工作原理：开关管G1封锁状态，开关管G2处于周期性导通和关断作状态，G2处于导通期间时，电池通过开关管G2、电感L构成回路，同时电感L电流逐渐增大，能量存储在电感L中。G2处于关断期间时，由于电感电流不能突变，二极管D1给电感L提供续流通道，电池中能量以及电感L中存储的能量通过二极管D1给电容C1和超级电容充电，电感L电流逐渐减小，如果电感电流减小到零时，电容C1给超级电容充电，同时在G2导通期间时，仍是电容C1给超级电容充电。双向DC通过控制开关管G2的导通和关断实现了电池中能量转移到超级电容中。

Buck和Boost模式时，开关管G1和开关管G2为硬开关工作状态，在导通和关断时都存在损耗，开关管的工作频率愈高损耗就愈大。由于双向DC的功率愈大其电感的体积就愈大，随着开关频率的升高电感的体积及重量显著下降，减小电感体积和重量可以有效的减少双向DC的体积及重量，控制型软开关技术可以有效的减少开关损耗和电感体积之间的矛盾，减小了双向DC的体积和重量，提高了双向DC的功率密度。

1.4 控制型软开关双向DC工作原理

硬开关时开关管G1和G2中的某一个开关管处于封锁状态，软开关时开关管G1和G2均处于周期性导通和关断作状态，G1和G2导通和关断时相互之间存在一定的死区时间间隔，避免G1和G2同时导通而损坏G1和G2，设定G1和G2之间的死区间隔时间为td，电感电流方向为从侧左流向右侧为“+”，从右侧流向左侧为“-”。

Buck模式时DC的工作原理：开关管G1为主开关，开关管G2为辅开关，G1导通时G2关断，同时电感L电流逐渐增大，电流方向为从“+”，在G1关断时电感电流达到正的最大值；G1关断时G2仍处于关断状态，二极管D2给电感L续流，电感L电流逐渐减小，G1关断后经过td后G2导通，由于二极管D2续流导致G2导通时为零电压接通，G2接通损耗为零。电感电流为零时，由于G2的导通，电感L电流逐渐增大，但是电流方向为从“-”，在G2关断时电感电流达到负的最大值；G2关断时G1仍处于关断状态，二极管D1给电感L续流，电感L电流逐渐减小，G2关断后经过td后G1导通，由于二极管D1续流导致G1导通时为零电压接通，G1接通损耗为零。

Boost模式时DC的工作原理：开关管G2为主开关，开关管G1为辅开关，G2导通时G1关断，同时电感L电流逐渐增大，电流方向为从“-”，在G2关断时电感电流达到负的最大值；G2关断时G1仍处于关断状态，二极管D1给电感L续流，电感L电流逐渐减小，G2关断后经过td后G1导通，由于二极管D1续流导致G1导通时为零电压接通，G1接通损耗为零。电感电流为零时，由于G1的导通，电感L电流逐渐增大，但是电流方向为从“+”，在G1关断时电感电流达到正的最大值；G1关断时G2仍处于关断状态，二极管D2给电感L续流，电感L电流逐渐减小，G1关断后经过td后G2导通，由于二极管D2续流导致G2导通时为零电压接通，G2接通损耗为零。

开关管G1和开关管G2处于软开关状态，与硬开关状态相比，降低了近一半的开关损耗，同时也减小了电感的体积，有利于DC的散热设计和结构设计。

2 双向DC的功能实现

图1中复合电源转换功率为150 kW，为提高转换效率，降低双向DC变换器体积，变换器采用四相交错并联结构，电感电流不连续，在基本不增加功率器件基础上实现控制型软开关，是图3四相交错并联控制型软开关拓扑结构示意图。每一相电感为0.1 mH，600 V侧电容C2取值300 μF/1000 V，900 V侧电容C1取值300 μF/1200 V，每一相功率开关管为IGBT半桥，型号为英飞凌的FF450R17ME4，在每个IGBT半桥上下两个开关管上分别并联缓冲电容，电容容量为0.1 μF/1600 V，IGBT半桥上下管死区时间10 μs。

图3 四相交错并联控制型软开关拓扑

2.1 预充电

复合电源系统采用图1所示的电网拓扑结构，超级电容直接与电网连接，由于超级电容初始电压不确定，但最终工作电压与电网电压相同，系统中电网电压为900 V，电池电压为600 V，因此，在初始上电时需要电池通过双向DC给超级电容进行预充电，以下是几种预充电方式的对比分析。

2.1.1 电阻限流预充电

电池的600 V电压先通过双向DC升至900 V，然后900 V电压通过电阻限流的方式给超级电容充电，如图4所示，开关K1、K2和电阻R1构成了电阻限流预充电电路。

图4 电阻限流预充电

电阻在预充电期间平均功率：

(1)

设超级电容初始电压为零，将C=3 F，V=900 V，t=5 s代入式(1):

复合电源系统超级电容为3 F/900 V, 由于超级电容容量较大，采用充电电阻为超级电容预充电，充电电阻的功率、体积和重量等都无法接受。

2.1.2 双向Buck&Boost预充电

超级电容初始电压可能低于电池电压，也可能高于或者等于动力电压，双向Buck&Boost预充电是根据比较超级电容电压和电池电压的高低，使双向DC工作在Buck或者Boost模式，电池通过双向DC给超级电容预充电，当低于电池电压时，电池通过双向DC以Buck限流方式为超级电容充电，当高压或者等于电池电压时，电池通过双向DC以Boost限流方式为超级电容充电。图5是双向Buck&Boost预充电的示意图。

如图5所示， 开关管G1工作于周期性导通和关断作状态，开关管G2、G3、G4处于封锁状态，双向DC工作于Buck模式；开关管G1直通，开关管G4工作于周期性导通和关断作状态，开关管G2、G3处于封锁状态，双向DC工作于Boost模式；实现电池至超级电容方向上既能Buck又能Boost，反之亦然。

图5 双向Buck&Boost

主电路采用四相交错并联的拓扑，电感电流处于不连续工况，一相采用双向Buck&Boost电路则一方面纹波电流较大，四相全部采用双向Buck&Boost电路可以减小纹波，但需要八个半桥，体积、成本较高，另一方面会造成四路电流不均衡。

2.1.3 高压接触器切换预充电

由于双向DC本身输入输出侧需要高压直流接触器及预充电电阻，在四相交错并联的基础上，通过高压接触器的切换实现同一方向上的Buck&Boost，在原电路的基础上增加了两个高压接触器及两个预充电电阻。

超级电容电压低于电池电压95%时，双向DC工作于Buck模式，Buck预充电如图6所示。双向DC执行超级电容Buck充电之前，高压接触器K5和K8吸合，其余高压接触器断开，电池先通过高压接触器K5、电阻R5平衡双向DC900 V侧的滤波电容电压，电压平衡后高压接触器K1吸合、K5断开。超级级电容先通过高压接触器K8、电阻R8平衡双向DC600V侧的滤波电容电压，电压平衡后高压接触器K4吸合、K8断开。

图6 Buck预充电电路

高压接触器K1、K4吸合后，超级电容连接到双向DC的600 V侧，电池连接到双向DC的900 V侧，双向DC工作在Buck模式，电池给超级电容Buck预充电，充电过程中，采用恒流或者限流方式给超级电容充电，当超级电容电压充至电池电压的95%时，高压接触器K1、K4断开，Buck预充电完成。

超级电容电压高于蓄电池电压的95%时，双向DC工作于Boost模式，Boost预充电如图7所示。双向DC执行超级电容Boost充电之前，高压接触器K6和K7吸合，其余高压接触器断开，电池先通过高压接触器K6、电阻R6平衡双向DC600V侧的滤波电容电压，电压平衡后高压接触器K2吸合、K6断开。超级级电容先通过高压接触器K7、电阻R7平衡双向DC900V侧的滤波电容电压，电压平衡后高压接触器K3吸合、K7断开。

图7 Boost预充电电路

高压接触器K2、K3吸合后，超级电容连接到双向DC的900 V侧，电池连接到双向DC的600 V侧，双向DC工作在Boost模式，电池给超级电容Boost预充电，充电过程中，采用恒流或者限流方式给超级电容充电，当超级电容电压充至电池电压的95%时，电池通过电感和IGBT上桥臂并联的续流二极管给超级电容充电，超级电容电压等于或者大于电池电压时，双向DC执行Boost限流模式，电池给超级电容Boost预充电，超级电容电压达到电网大牙900 V后Boost预充电完成。

2.2 电力输出能力

电池通过双向DC可以对外输出多种电压，如图8所示，高压接触器切换到Buck预充电状态，双向DC/DC工作在Buck状态，可以输出0～600 V；如图 9所示，高压接触器切换到Boost预充电状态，双向DC/DC工作在Boost状态，可以输出600～900 V；通过外接插座将电源引出，可以在待机工况满足多种电压等级高压用电设备需求。

2.3 电池充电维护

将市电中的交流220 V整流，通过外部电源插座引入车辆

图8 Buck预充电模式电力输出

图9 Boost预充电模式电力输出

动力电网。如图10所示，高压接触器切换到Buck预充电状态，双向DC工作在Boost状态，双向DC可将市电整流得到的310 V电源泵升，设定一定大小的电流为电池充电，对电池进行维护保养，充电电大小流的可由电池BMS发送给双向DC。

图10 动力电池充电

在外部电源插座输入的电压高于电池电压时，高压接触器切换到Boost预充电状态，双向DC工作在Buck状态，双向DC可将高于电池电压的直流电源降压后给电池充电。

3 结论

普通半桥结构的双向DC一侧只能升压，一侧只能降压，此拓扑结构的DC在结合高压接触器切换后就可实现每一侧的双向Buck&Boost。双向DC变换器在600 V和900 V侧都实现了升压和降压的功能，解决为超级电容充电的同时，实现了不同电压直流电源输出和动力电池充电保养的一体化。有利于混合动力车辆作为移动电力平台的功能实现。

[1] 王志强,等译. 开关电源设计[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

[2] 于远彬. 车载复合电源设计理论与控制策略研究[D].长春：吉林大学，2008.

[3] 邓湘鄂， 电动汽车多重软化开关双向DC/DC变换器研究[D].重庆：重庆大学，2011.

AMethodofRealizingBidirectionalDCforCompositePowerSupply

Song Keling, Li Shen, Jiang Renjun

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072,China)

A hybrid electric power grid adopts an ultracapacitor directly to connect the power grid. The power battery is connected to the power grid through DC/DC. The bi-directional DC/DC is required for the super capacitor buck/boost precharge. The DC/DC works in the Buck/Boost state when the system works, replenishing energy or recovering braking energy for the power grid; Charge the battery through DC/DC when maintenance; The standby state is the dc power supply of different voltage grade according to the need of the power station. By high voltage DC contactor and bi-directional DC/DC combination control, using the topology design of bi-directional DC/DC converter can meet the demand of the diversification of hybrid electric vehicle energy, have the ability of practical application.

bidirectional DC/DC; precharge; buck/boost

2017-05-17；

2017-07-17。

宋克岭(1972-)男，研究员，硕士，主要从事车辆电源变换器总体技术方向的研究。

1671-4598(2017)11-0227-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.058

TP3

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