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基于PEV的双向DC/DC变换器的研究 2012-08-23

时间:08-24 来源:互联网 点击:
随着汽车工业的迅猛发展,环境污染和能源短缺问题口益突显,新能源汽车的研究越来越受到重视。超级电容作为纯电动汽车的辅助动力源,以其较高的功率密度在纯电动汽车领域有了广泛的应用。如果超级电容直接连接在逆变器的输入端,不能满足恒压放电和恒流充电的需求,因此必须在其间串入双向DC/DC变换器。单向DC/DC变换器已经有了成熟的控制技术,但在双向DC/DC变换器中不同功率流向的控制模型不尽相同。因此,研究双向DC/DC变换器的控制模型,提出有效的控制方案是研究的重点。本文以纯电动汽车用大功率双向DC/DC变换器为对象,研究双向DC/DC变换器及其控制系统。

1 纯电动汽车电力传动系统
纯电动汽车电力传动系统原理如图1所示,该PEV的电力传动系统是由锂离子蓄电池和超级电容提供能量。锂离子电池作为主要能源保证该车的正常行驶,超级电容作为辅助能源在该车加速、爬坡时为电机提供能量,并在减速、下坡时通过回馈制动为超级电容充电。根据以上特点,需要在超级电容与逆变器之间串联大功率双向DC/DC变换器才能满足超级电容的恒压放电和恒流充电。



2 双向大功率DC/DC变换器
双向DC/DC变换器按是否含变压器分为隔离型和非隔离型。隔离型模块的可靠性高,但成本高、效率差。在大功率输入输出的情况下,非隔离型双向DC/DC模块以其简单的结构和较高的功率传输效率成为理想的选择。双向DC/DC变换器模型如图2所示。


超级电容在放电时,双向大功率DC/DC变换器工作在boost模式下。此时,IGBT1始终保持在关断状态,其反并联的二极管作续流二极管用,仅控制IGBT2的开断以保持恒压放电。超级电容充电时,双向大功率DC/DC变换器则工作在buck模式下。此时,IGBT2始终保持在关断状态,其反并联的二极管作续流二极管用,仅控制IGBT1的开断以保持恒流充电。
下面主要分析双向大功率DC/DC变换器在boost和buck模式下的电气参数、控制参数和输出特性的关系。
3 双向DC/DC变换器控制
对于该电路,在boost模式情况下,电感L的大小通常根据电路的纹波要求来设计。电路工作在连续模式下,可知。由于超级电容的输出电压会随着功率的输出而降低,因此通常我们考虑输出电压在一个范围内变化。
本文中超级电容输出电压的变化范围是150V≤Ui≤250 V,Uo稳定在500 V。由此,可计算占空比的取值范围

上式可以看成是仅含变量D的一个函数。对函数L(D)求导后发现,当D=1/3时,L取得最大值。保证电路工作在连续导电模式下,△iL≤ 2IL。考虑到电感会饱和,除此之外,IGBT的峰值电流和电压损耗问题也需要减小。在实际中我们通常取△iL≤0.25IL。在本文中,取△iL ≤0.25IL。fs为开关管的工作频率,当频率高的时候,输出谐波含量少,有利于滤波。但是,开关损耗增加。当开关频率低时,波形质量会很差。因此,应综合选取开关管频率。本文选取开关频率为20 kHz。

根据以上计算,电感取值为1 mH,电容取值为470μF。当变换器工作在boost模式下,需要得到恒定的输出电压,此时选用电压反馈控制方式。如图3所示,将输出电压采集后与参考电压比较,通过PI调节器后,与三角波比较生成PWM波控制IGBT的开断。

此模式下,boost电路的输入端为超级电容,初始电压为250 V。放电过程中,电压呈指数下降,放电时间为20 s,电压最后为150 V。在此过程中,保证变换器输出端电压始终为500 V,如图4所示。


当变换器工作在buck模式下,需要得到恒定的电流为超级电容充电,此时选用电流反馈控制方式。如图5所示,采集输出电流与给定电流比较,通过PI调节器后,再与三角波比较,生成PWM波控制IGBT的开断。


此模式下,buck电路是输入为逆变器的直流侧,初始电压为500 V。充电时间10 s。电压下降,输出充电电流恒为200 A。图6中为buck模式下输入电压、输出电流图。



4 结束语
本文分析了大功率双向DC/DC变换器在纯电动汽车中与超级电容器的配合应用,在不同的功率流向时,需要考虑不同的控制方式。通过仿真分析,在不同的时间对在同一电路中的两个开关管分别控制,能达到超级电容恒压放电和恒流充电的工程要求,证明该系统稳定可行。

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