基于双闭环交错并联高压Boost的研究

马圆 高文根 吴志远

摘 要：双向DC-DC是新能源汽车电池连接驱动器的重要组成部分，用于为汽车在不同的工况下提供不同的电压.三相交错并联双向DC/DC结构简单，电流纹波系数小可以为驱动器提供稳定的电压，提高电动汽车的效率，提升续航里程.本文主要研究Boost模式电压外环电流独立内环环路的设计，计算相应的PI值，最后在Simulink建立系统的仿真模型，对不同工况下系统的输入输出进行分析，验证了系统的抗干扰和均流能力.

关键词：三相交错并联;双向DC/DC;电压电流双闭环

中图分类号：TV508  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）10-0007-03

随着石油能源的减少，汽车尾气造成的环境问题越来越突出，新能源电动汽车越来越得到国家的重视，得到了大力发展.双向DC/DC是连接汽车电池与驱动器组成部分，当汽车处在启动，加速爬坡的工作状态下，双向DC/DC变换器工作在Boost升压模式，为驱动器提供高电压;当汽车处在制动下坡的状态，变换器工作在Buck模式，对电池进行充电完成能量的回收与利用，提高电动汽车的续航里程[1-3].

相比于传统的单相雙向DC/DC和隔离型双向DC/DC，三相交错并联DC/DC结构简单，元器件体积小，易于控制，各相电路的电压电流纹波大大减小，每个器件承受的电流应力和电压应力也相对较小.所以研究变换器的工作状态有着重要意义[4-9].本文是基于电动汽车电池和驱动器之间的三相交错并联双向DC/DC变换器，对Boost模式工作过程进行了分析，设计电压外环电流独立内环的控制策略，对汽车不同工况进行了仿真，对结果进行分析，提高整个变换器系统的稳定性和动态响应[10-11].

1 Boost模式的工作过程

设一个周期时间为TS，S1、S2、S3导通的时间分别为D1Ts、D2Ts、D3Ts，则模式2、4、6的时间分别为（1-D1）Ts、（1-D2）Ts、（1-D3）Ts.

当电池工作在模式1、3、5时，S1、S2、S3导通，S4、S5、S6关断，电流通过开关管S1.S2，S3对电感进行充电.电容C2进行放电，电流iL1、iL2、iL3不断增大.

当电池工作在模式2时，S1、S3导通，S2关断，电感L1、L3充电，储存能量，电感L2经过二极管D5对负载供电.电流iL1、iL3不断增大，电流iL2不断减小.

当电池工作在模式4时，S1、S2导通，S3关断，电感L1、L2充电，储存能量，L3经过二极管D6对负载进行供电.电流iL1、iL2不断增大，电流iL3不断减小.

当电池工作在模式6时，S2S3导通，S1关断，电感L2、L3充电，储存能量，L1经过二极管D4对负载进行供电.电流iL2、iL3不断增大，iL1电流不断减小.

2 Boost模式控制器的设计

Boost模式时电池根据驱动器的指令来对输出不同的电压，提高电动机的扭矩和输出能力，大大提高电动机的工作效率.交错并联电路理想状态是三路的元器件参数都完全一致，达到均流效果.但是现实情况下，由于工艺等其他因素可能会导致参数的不一致，进而影响到三相电流不一致，给输出设备带来危害.为了解决三相均流的问题，本文采用的是电压外环电流独立内环的控制策略，下图2是Boost模式的控制框图，输出测量电压与设定电压相比得到的误差Vref经过电压环PI控制器得到参考电流Iref，再与测得的IL1、IL2、IL3相比得出误差经过电流环PI控制器最终得到输出电压V2.该控制策略能够保证三相电路均流，使整个变换器工作在稳定的状态下.

2.1 电流内环PI控制器的设计

本文将电流采样系数K1，K2，K3电压采样系数K4都取为1，增益GPWM（s）也取为1.电路中各个参数为输入电压Vi为250V，输出电压范围600-800V，额定功率30KW，最大功率60KW，开关频率15KHZ，低压侧电容150uF，高压侧电容500uF，三相电感1200Uh，IGBT最大电流150A.

2.2 电压环PI控制器设计

同理，建立电压环的各个函数，电压环PI控制器的传递函数如式（4）所示：

电压外环的响应速度一般远小于电流内环，所以电压环的带宽也应远远小于电流环，所以本文取电压环的穿越频率f1=100HZ，转折频率f2=30HZ，则根据式（6）求解电压环PI参数

3 Boost模式仿真结果及分析

本文是基于MATLAB simulink搭建仿真模型的，系统的主电路图如图3所示.

本文通过simulink主要仿真了Boost模式中的几种不同工作状态，（1）根据输出端工不同工作模式需要不同的电压，对输出端进行600-800V的电压模拟仿真，观察输出端的电压波形变化情况.（2）对三相电路中的两相加入微小扰动，验证系统的抗干扰性能，观察三相电感的电流波形.（3）对输出端的负载进行增加或较少，验证系统的快速调节能力，观察输出电压波形的变化情况，（4）对出现输入端电池电压出现下降的情况进行模拟，验证系统的调节能力.

（1）电池电压为250V时，当电动汽车处在不同的工作模式下，需要的驱动电压也不同，这就要求系统具有快速调节电压的能力，为输出端提供稳定的电压.如图4是仿真系统在0.07秒左右输出端需要700V电压，0.16秒输出端需要800V的电压.

结论（1）：从波形中可以看出系统在接收到驱动器调压信号后能够快速的做出反应，如图所示，系统在接收信号之后0.01秒左右完成电压的改变，且保持稳定，所以该系统能够满足快速调节电压的要求.

在第一相电路串联一个0.5欧姆大小的电阻，第二相电路串联一个1欧姆大小的电阻，第三相电路不加任何扰动，观察各相电流波形，分析系统均流的抗干扰能力.如图5和图6所示.

结论（2）：如图5所示两相电路加入扰动后三相电流并没有明显的波动，没有发生突变.可以看出电压外环电流内环控制策略具有良好的抗干扰能力.

当输出端负载突然发生变化时，系统输出电压会发生如何变化，下图6和图7为输出电压和输出电流图.

结论（3）：在simulink中系统设置0.05s时输出负载突然降低一半，观察输出电压的变化情况，从波形可以看出系统在发生突变时，电压发生变化，但是在0.05s之后电压又稳定在设定值600v，电流也是快速跟随电压变化后稳定且三相依然保持均流.，可以得出控制器符合系统的要求.

（4）随着电池端不断为负载供电，电池电压也会随之下降，无法达到额定值250V，下面模拟的是电池电压下降到200V时输出电压会如何变化.如图8和9，电池电压在0.1S时电压下降到200V，輸出电压和三相电流的变化.

结论（4）：如图所示输入电压在0.1S时发生突变降至200V，系统随之做出反应，调节电压，输出电压在下降0.01S之后恢复设置值并保持稳定，电流也是在发生突变后出现短暂波动后迅速恢复稳定.

经过以上四组仿真可以得出该系统的抗干扰能力和均流能力都能达到要求，能够实现预期目标.

4 结语

本文主要研究的三相交错并联双向DC/DC的Boost模式，通过状态空间法建立小信号模型，求出系统Boost模式下的传递函数.采用电压外环电流独立内环的控制策略，求出PI参数.并在MATLAB simulink中对系统进行仿真，对系统的抗干扰，均流能力进行仿真验证，研究分析实验结果，最终得出双闭环控制下的系统具有很好的抗干扰能力和均流能力.能够满足要求，实现预期目标.

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