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基于混合动力储能电动汽车系统的双蓄电池双向DC/DC变换器的研制

作者：赖庆明 程玉惠 谢明华 袁志林

摘要——本研究开发了一个新设计的、专利的双向DC/DC转换器（BDC），它连接一个主储能器（ES1）、一个辅助储能器（ES2）和不同电压等级的直流总线，用于混合动力电动汽车系统。该变换器可以在升压模式（即低压双电源供电模式）和降压模式（即高压直流环节能量再生模式）下工作，均具有双向功率流控制。此外，该模型可以独立控制任意两个低压电源（即低压双源降压/升压模式）之间的功率流。本文从三种功率传递方式出发，讨论了该无刷直流电动机的电路结构、运行、稳态分析和闭环控制。此外，还提供了一个1千瓦原型系统的仿真和实验结果，以验证所提出的变换器。

关键词：双向DC/DC转换器（BDC），双蓄电池蓄电池蓄电池，混合动力电动汽车。

1引言

全球气候变化和能源供应的下降刺激了汽车技术的变化。目前正在研究先进技术，以便在未来的车辆中应用。在这些应用中，燃料电池混合动力电动汽车（FCV/HEV）是高效和有前途的候选。过去，Ehsani等人研究了车辆动力学，以寻找电动推进系统的最佳扭矩-速度曲线[1]。埃马迪等人讨论了不同车辆拓扑结构的工作特性，包括HEV、FCV和更多电动车辆[2]。埃马迪等。同时，在先进的车辆电力系统中集成电力电子密集型解决方案，以满足巨大的车辆负荷[3]。沙尔茨等。根据两种拟议的能源管理策略，在燃料电池组、电池和超级电容器之间充分分配负载功率[4]。Thounthong等人研究了燃料电池（FC）性能的影响和混合控制策略的优点[5]。陈等。回顾了电动、混合动力和燃料电池汽车，重点介绍了能源管理的架构和建模[6]。哈利格和李提出了混合动力汽车和插件混合动力汽车（PHEV）的储能拓扑。他们还讨论和比较了电池、UC和FC技术。此外，他们还讨论了集成两个或更多存储设备的各种混合ESS[7]。Rajashekara审查了主要电力推进部件（电池、电动机和电力电子系统）的现状和要求[8]。赖等人。实现了一种双向DC/DC变换器拓扑结构，具有双向交错特性。对于电动汽车和直流微电网系统，转换器具有改进的电压转换比[9]。此外，Lai还研究了双向DC-DC变换器（BDC）拓扑结构，该拓扑结构对于连接到直流微电网系统的电动汽车电池具有高电压转换比[10]。在FCV系统中，主蓄电池存储装置通常用于启动FC并向推进电机[2]、[3]供电。电池存储设备通过在车辆加速过程中提供峰值功率来改善燃料电池组固有的慢响应时间[7]。此外，它还包含一个高功率密度部件，例如超级电容器（SCS），可以消除加速和再生制动期间的峰值功率瞬变[11]。一般来说，SCS可以在减速过程中存储再生能量，并在加速过程中释放再生能量，从而提供额外的动力。SCS的高功率密度延长了FC堆栈和电池存储设备的寿命，提高了FCV系统的整体效率[2]–[8]，[12]。

典型（FCV/HEV）电源系统的功能图如图1，[13]所示。主电源采用低压fc组，SCS与FCS直接并联。直流/直流功率转换器用于将驱动逆变器中的fc堆栈电压转换为足够的直流总线电压，以向推进电机供电。

图1. FCV/HEV电力系统的典型功能图

此外，更高电压的ES1被用作提供峰值功率的主电池存储设备，而较低电压的ES2可以作为辅助电池存储设备，以实现车辆范围扩展器的概念[13]。双向DC/DC变换器（BDC）的功能是将双蓄电池储能装置与驱动逆变器的直流总线连接起来。

一般来说，fc堆栈和电池存储设备具有不同的电压水平。已经开发出几种多端口BDC，为负载提供特定电压，并控制不同电源之间的功率流，从而降低总体成本、质量和功耗[14]–[27]。这些BDC可以分为独立和非独立类型。

在隔离变换器中，采用高频电力变压器实现电流隔离。研究了几种孤立的多端口BDC拓扑结构，如反激、半桥或全桥电路、双有源桥和谐振电路[14]–[17]、[20]、[22]、[24]。文献表明，在电动汽车[18]、[19]、[21]、[23]、[25]–[27]中，非孤立的BDC比典型的孤立的BDC更有效。刘等人。[18]通过buck、boost、cuk和sepic的组合，衍生出非隔离多输入转换器拓扑。在[23]中，Wu等人开发了三端口非隔离多输入多输出（MIMO）转换器拓扑结构，用于同时连接可再生能源、蓄电池和负载。在[19]中开发的三个双输入变换器包括一个单刀三掷开关和一个电感。在[26]中提出了一种模块化的非隔离MIMO转换器。将该变换器应用于电动汽车清洁能源的混合，对基本升压电路进行了改进和集成。然而，由于主电源开关、电感、滤波电容、整流二极管等元件的损耗，MIMO升压电路的电压增益在实际应用中受到限制。为了克服这一缺点，提出了一种具有高增益特性的三端口功率变换器，该变换器包含用于连接HEV的FC、电池源和叠加输出，以及一个直流微电网[27]。虽然[25]中讨论的多端口BDC可以连接两个以上的电源并在不同的电压水平下工作，但它仍然具有有限的静态电压增益，从而导致电压范围窄，高侧和低侧端口之间的电压差低。

图2. 提出了双电池储能的BDC拓扑结构。

本研究提出了一种新的用于FCV/HEV电力系统的BDC拓扑结构，该拓扑结构由交错电压倍增器结构[9]、[28]和同步降压升压电路组成。它主要有两种工作模式：低压双电源供电模式和高压直流母线能量再生模式。此外，在低压双源降压/升压模式下，该变换器可以独立控制任意两个低压电源之间的功率流。[29]中引入了类似的拓扑结构，只描述了一个简短的概念。与此相反，本研究详细分析了这种新型拓扑结构的工作和闭环控制，并对其所有工作模式进行了仿真和实验。此外，本研究扩展了[29]中所述的拓扑结构，因为所述转换器可以在更宽的电压水平范围内工作。该变换器的主要特点是：1）不同电压等级下的两个以上的直流电源接口；2）控制直流母线与两个低压电源之间的功率流；3）提高静态电压增益，从而降低开关电压应力，和4）具有合理的占空比，并在其高侧和低侧端口之间产生较大的电压差。本文的其余部分结构如下。第二节介绍了变换器的拓扑结构和工作原理。第三节分析了基于工作原理的变换器稳态特性，第四节给出了变换器控制方案。本研究建立了一台功率为1千瓦的转换器原型，以验证此转换器的可行性及优点。第五节给出了相应的模拟和实验结果，第六节详细介绍了本研究的结论。

2. 拓扑和工作模式

双电池储能的BDC拓扑如图2所示，其中VH、VE S1和VE S2分别代表系统的高压直流母线电压、主储能（es1）和辅助储能（es2）。转换器结构中的两个双向电源开关（SE S1和SE S2）分别用于接通或断开ES1和ES2的电流回路。将电荷泵电容器（CB）与四个有源开关（Q1、Q2、Q3、Q4）和两相电感（L1、L2）集成为分压器，以提高所述变换器中两个低压双电源（VE S1、VE S2）和高压直流母线（VH）之间的静态电压增益。此外，附加的断路器降低了有源开关的开关电压应力，并消除了在极端占空比下操作的需要。此外，图2中显示的三个双向电源开关（S、SE S1、SE S2）具有四象限操作，用于控制两个低压双电源（VE S1、VE S2）之间的功率流，并阻断正电压或负电压。这种双向功率开关是通过两个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）串联实现的，它们指向相反的方向。

为了解释所提出的转换器的概念，每种操作模式中涉及的功率器件的所有传导状态都显示在表一中。因此，为了增强理解，下面将四种操作模式说明如下。

表1.不同工作模式下器件的导通状态

A. 低压双电源供电方式

图3（a）描述了低压双电源供电模式下变换器的电路原理和稳态波形。其中，开关S关闭，开关（SE S1、SE S2）打开，两个低压双电源（VE S1、VE S2）向DC总线和负载提供能量。在这种模式下，低压侧开关Q3和Q4以180°的相移角主动切换，高压侧开关Q1和Q2起同步整流器（SR）的作用。

根据图3（b）所示的典型波形，当占空比大于50%时，可以有四种电路状态（见图4）。根据有源开关的开/关状态和低压双电源供电方式下BDC的工作原理，对其工作原理作如下简要说明。

图3. 拟建BDC低压双电源供电方式：

（a）电路原理图和（b）稳态波形。

a）状态1[t0lt;tlt;t1]：在此状态下，间隔时间为（1minus;du）Tsw，开关Q1、Q3打开，开关Q2、Q4关闭。通过L1的电压是低压侧电压VE S1和电荷泵电压（Vcb）之间的差，因此iL1从初始值线性降低。此外，电感器L2由能源VE S2充电，从而使电感器电流线性增加。电感器L1和L2之间的电压可以表示为

b）状态2[T1lt;Tlt;T2]：在此状态下，间隔时间为（duminus;0.5）Tsw；开关Q3和Q4打开；开关Q1和Q2关闭。低压侧电压VE S1和VE S2分别位于电感器L1和L2之间，从而线性增加电感器电流和启动储能。在状态2下，电感器L1和L2之间的电压可以表示为

c）状态3[t2lt;tlt;t3]：在此状态下，间隔时间为（1minus;du）Tsw；开关Q1和Q3打开，而开关Q2和Q4关闭。电感器L1和L2之间的电压可以表示为

d）状态4[t3lt;tlt;t4]：在此状态下，间隔时间为（duminus;0.5）Tsw；开关Q3和Q4打开，开关Q1和Q2关闭。电感器L1和L2之间的电压可以表示为

图4. 针对低压双电源供电模式，提出的BDC电路状态。（a）状态1。（b）状态2。（c）状态3。（d）状态4。

B. 高压直流母线能量再生方式

图5. 拟建BDC高压直流母线能量再生方式：

（a）电路原理图和（b）稳态波形。

在这种模式下，在再生制动操作期间，电机驱动装置中存储的动能被反馈回电源。发电功率可能比电池能吸收的要高得多。因此，多余的能量被用来给储能装置充电。高压直流母线能量再生方式下的BDC电路原理及稳态波形如图5所示。

其中，电感器中的电流由有源开关Q1和Q2控制，其相移角为180°，从而将电流从直流母线引向双储能装置；开关Q3和Q4起到SR的作用，以提高转换效率。

根据图5（b）所示的稳态波形，当占空比低于50%时，可以有四种不同的电路状态，如图6所示。根据有源开关的通断状态和高压直流母线能量再生方式下直流无刷直流电动机的工作原理，可以简单地描述如下操作。

a）状态1[t0lt;tlt;t1]：在此状态下，间隔时间为DdTsw；开关Q1和Q3打开，开关Q2和Q4关闭。通过L1的电压是低压侧电压VE S1和电荷泵电压VcB；因此，电感电流iL1从初始值线性降低。此外，电感L2由能源VE S2充电，这也有助于电感电流的线性增加。电感器L1和L2之间的电压可以表示为

b）状态2[T1lt;Tlt;T2]：在此状态下，间隔时间为（0.5-dd）Tsw；开关Q3、Q4打开，开关Q1、Q2关闭。电感器L1和L2之间的电压为正，低压侧电压VE S1和VE S2分别为正；因此，电感器电流iL1和iL2线性增加。这些电压可以表示为

图6. 提出了一种适用于高压直流母线能量再生模式的BDC电路状态。（a）状态1。（b）状态2。（c）状态3。（d）状态4。

c）状态3[t2lt;tlt;t3]：在此状态下，间隔时间为DdTsw；关闭开关Q1和Q3，打开开关Q2和Q4。通过L1的电压为正低压侧电压VE S1，因此iL1从初始值线性增加。另外，通过L2的电压是高压VH、电荷泵电压VcB和低压VE S2的差值，其电平为负。电感器L1和L2之间的电压可以表示为

d）状态4[t3lt;tlt;t4]：在此状态下，间隔时间为（0.5-d d）Tsw；开关Q3、Q4打开，开关Q1、Q2关闭。电感器L1和L2之间的电压可以表示为

C. 低压双源降压/升压模式

该模式的电路原理图如图7所示，其中涉及将储存在主储能器中的能量转移到辅助储能器，反之亦然。其中，该拓扑结构被转换为单脚双向降压升压变换器。

如图8所示，当控制有源双向开关S的占空比时，降压变换器将电源从主储能器输送到辅助储能器。相比之下，当开关Q3的占空比被控制时，功率从辅助储能器流向主储能器，表明转换器在升压模式下工作，如图9所示。

图7. 所述BDC的低压双源降压/升压模式：（a）

电路原理图；（b）降压模式下的稳态波形；（c）升压模式下的稳态波形。

图8. 提出的低压双源降压模式下的BDC电路状态。（a）状态1。（b）状态2。

图9. 提出的低压双源升压模式下的BDC电路状态。（a）状态1。（b）状态2。

3.稳态分析

在本节中，我们分析了所提出的直流电动机在稳态运行时的电压增益、开关电压应力和均匀平均均流特性。

A.电压增益

将电感-电压-二次平衡原理应用于不同的模式，可以得到该无刷直流电动机的电压增益。为了提高简单性和实用性，将电感L1和L2的等效串联电阻（ESRS）作为非理想情况代入状态方程，并给出了参数RL1=RL2=RL=50mOmega;。

1）低压双电源供电方式：稳态运行时三个直流电源的电压增益之间的关系由（17）和（18）给出。

其中，VRL是电感ESR的电压差，k是Vs1=VE S1与Vs2=VE S2的比值，Du是Q3和Q4的占空比，大于50%。

利用（17）和（18），VH/VS1和VH/VS2的理想静态电压增益可以表示为（19）和（20）。

因此，直流母线电压VH与双电源电压（VE S1，VE S2）之间的关系由（21）给出

资料编号：[5730]