基于电动汽车交错并联双向DC/DC变换器设计的研究

唐 磊 谢 丹 袁 玲

（1.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001；2.湖南工贸技师学院，湖南 株洲 412001）

0 引言

为了达到缩小体积、降低成本的目的，电动汽车设计者一般采用电压较低的车载蓄电池，但电动汽车在起动、加速或爬坡时所需的瞬时功率很大，会导致蓄电池放电电流极大，从而影响电池的使用寿命，而在电动汽车减速、下坡等制动状态下，不能收集电动车的机械能，存在浪费资源的情况；同时，采用较低的直流电压作为逆变器电源会降低逆变器的效率，长期过载工作后蓄电池的续航里程也会缩短。因此从安全、经济、高效以及实用等方面综合考虑，可以采用交错并联双向DC/DC变换器来解决上述问题。

交错并联双向DC/DC变换器具有电流纹波小、功率管承受电压应力低、变换比大以及各相电感电流能自动均流等特点。在两相交错并联DC/DC变换器中，总输入电流均分到2个电感支路中，单相电感储能变为原来的1/4，因此在相同功率的条件下，每相可以选择容量较小的功率开关管，非常适合电动汽车这种大变换比的车型。

1 工作原理

两相交错并联双向DC/DC变换器可以作为电动车车载蓄电池的补充电源装置，在过载时为蓄电池补充电能，同时也可以暂存电动车制动能量，其主电路如图1所示（虚线部分）。

图1 两相交错并联双向DC/DC变换器主电路图

根据电动车的工作特点，变换器共有3种不同的工作模式，见表1。

表1 交错并联双向DC/DC工作模式

1.1 待机模式

当电动车在平地上正常行驶时，蓄电池能够为电动车的运行提供足够的电功率，电动机需要的电能完全由蓄电池直接供电，此时只需要将功率开关管的驱动信号全部封锁，变换器处于待机模式，超级电容与电动车及蓄电池之间无功率流动。

1.2 Boost模式

要实现Boost模式，就需要封锁变换器中上桥臂功率管的驱动信号，使下桥臂在开关状态下交错工作，即下桥臂2个功率管以相等的占空比运行，但一个功率管滞后另一个功率管半个开关周期，则由2个“超级电容-电感-二极管-电动机”回路组成的回路就可实现超级电容对电动机进行补充供电的目标，以弥补超出蓄电池的功率。

1.3 Buck模式

当电动车下坡制动或者减速停车时，使变换器在Buck模式下工作，具体做法如下：封锁变换器中下桥臂功率管的驱动信号，使上桥臂在开关状态下交错工作，则电动车的制动能量将由2个“电动机-上桥臂功率管-电感-超级电容”回路完成回收任务，并储存在超级电容中，为下一次的启动或爬坡储存能量。

2 参数设计

为了对变换器参数进行设计，该文设计所用参数要求见表2。

表2 双向DC/DC变换器参数

2.1 Buck模式下的参数计算

在Buck模式下，双向DC/DC变换电路为典型的降压斩波电路，假定电路处于稳定状态，根据小纹波特性近似分析，在一个开关周期内，储能元件电压与电流波形如图2所示。

由伏秒特性以及降压斩波电路计算表达式可知，导通期间，电感电流纹波Δ如公式（1）所示。

即电感的计算值如公式（2）所示。

式中：为蓄电池的电压，V；为超级电容的电压，V；为Buck模式下的电感，μH；为占空比；Δ为电感电流的波动值，A；为开关管周期，s；为频率，Hz。

Δ太大将导致电感上压降过大，同时也会造成功率开关管的损耗增大，不利于系统的正常工作。一般情况下，Δ取最大功率时直流分量的10%～20%，该文按最小纹波计算，即Δ=0.1×10000/40=25 A，代入相关参数，如公式（3）所示。

为了正确选择超级电容侧滤波电容，需要精确计算超级电容侧电压纹波，采用简单的小纹波近似估算无法得到有效的计算结果，必须对电容器的电流和电压进行精确估计，充电时，电容电压增量Δ与充电总电荷之间关系如公式（4）所示。

由图2（b）可知，总电荷如公式（5）所示。

图2 变换器Buck模式下储能元件电压和电流波形

为了使输出侧电压波动满足超级电容电压波动的需求，一般限制电压纹波Δ在超级电容电压的5%以内，因此输入电容如公式（6）所示。

代入相关参数，如公式（7）所示。为了抵消其他等效电阻所引起的附加电压纹波，取为80 μF。

2.2 Boost模式参数计算

同理，在Boost模式下，对变换器进行小纹波特性近似分析，其电压电流波形如图3所示。

图3 变换器Boost模式下储能元件电压和电流波形

导通期间，电感电流纹波Δi如公式（8）所示。

式中：为Boost模式下的电感，μH；为占空比。

因此，可以得到电感的选择表达式如公式（9）所示。

代入相关参数，如公式（10）所示。

同理，由图3（b）可知，在功率开关管闭合时，蓄电池侧滤波电容的电压如公式（11）所示。

为了满足蓄电池电压波动的需求，Δ同样取蓄电池的5%，因此，输出滤波电容如公式（12）所示。

代入相关参数，如公式（13）所示。

综上所述，结合2种工作模式，取储能电感的参数为==80 μH，输入电容=80 μF，输出电容=350 μF。

2.3 控制策略

根据前文的分析，交错并联双向DC/DC变换器控制框图如图4所示。当满足表1中的Buck模式时，切换开关置于位置1，此时的控制电路由超级电容电压外环和储能电感电流内环2个部分组成，外环电压经PI比较器后输出一分为二作为内环电流的给定参考值，用于控制每相的电感电流；当满足表1中的Boost模式时，切换开关置于位置2，此时的控制对象为电感电流，目的是限制蓄电池放电，电流为限制值，储能电感设定参考值=（-）/；当满足表1中的待机模式时，切换开关置于位置3，将封锁所有功率开关管。

图4 交错并联双向DC/DC电路控制策略框图

3 仿真验证

为了验证该文参数计算方法的正确性，在SIMULINK平台中搭建了10 kW仿真模型，并进行了验证，各参数取值见表3。

表3 双向DC/DC变换器参数

取蓄电池额定参考电流=30 A，不同模式之间相互切换的波形如图5所示。其中，图5（a）为待机模式与Boost模式切换过程双向DC/DC变换器输出电流、蓄电池电流以及负载电流波形图，由图5（a）可知，当负载电流>时，双向DC/DC变换器进入Boost模式，负载超出蓄电池的功率由双向变换器提供，当负载功率降低时，变换器重新切换至待机模式。

图5（b）为Buck模式与 Boost模式切换过相关波形图，初始时，超级电容电压为40 V，变换器处于Buck模式，负载电流>时，双向DC/DC变换器进入Boost模式，负载超出蓄电池的功率由双向变换器提供，当负载功率降低时，变换器再次切换到Buck模式。

图5 模式切换实验波形

图5（c）为待机模式与 Buck模式切换过相关波形图，在初始时，超级电容电压为40 V，变换器处于Buck模式，随后负载增大，变换器转入Boost模式运行，负载超出蓄电池的功率由双向变换器提供，当负载功率变小时，变换器重新进入Buck模式，再次对超级电容进行充电，为下次Boost模式做好准备。

为说明双向DC/DC变换器的作用，图5（d）为仅有蓄电池工作时的工作情况，其与图5（b）具有相同负载，根据对比可知，在Boost模式下，变换器可以发挥补充负载所超出蓄电池限定电流的作用，因此可以极大地限制蓄电池在电动车加速时的过放现象，从而延长蓄电池的使用寿命。

4 结语

采用交错并联双向DC/DC变换器作为电动车蓄电池供电系统的补充，由变换器中储能元件的小纹波特性对变换器的储能电感和稳压电容的参数进行推导与计算，利用电流控制法对电流与电压进行控制，设计了交错并联双向DC/DC变流器系统，并验证了在不同工作模式之间的切换效果，证明了其功率双向流动过程中作为电动车辅助供电系统的可行性与有效性。