基于混合動(dòng)力公交平臺(tái)的DC-DC雙向電源的設(shè)計(jì)

王 銳，阮 會(huì)，石靈丹

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

基于混合動(dòng)力公交平臺(tái)的DC-DC雙向電源的設(shè)計(jì)

王 銳，阮 會(huì)，石靈丹

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文主要介紹DC-DC雙向電源在混合動(dòng)力公交的應(yīng)用，文中分別介紹了混合動(dòng)力公交的動(dòng)力組成、DC-DC雙向電源原理結(jié)構(gòu)圖，DC-DC雙向電源控制策略。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：設(shè)備能夠滿足混合動(dòng)力公交設(shè)計(jì)的要求，等效成本低，控制頻率高，響應(yīng)速度快，紋波小，噪聲低，高效節(jié)能，具有很好的應(yīng)用前景。

DC-DC雙向電源 混合動(dòng)力公交 并聯(lián)移相

0 引言

近年來，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，很多廠家在純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車投入了大量的研發(fā)力量，相關(guān)的電力電子產(chǎn)品日益發(fā)展，競(jìng)爭激烈。純電動(dòng)汽車由于電池儲(chǔ)能不足，循環(huán)壽命較短，成本高依然是制約其發(fā)展的瓶頸。混合動(dòng)力汽車作為一種內(nèi)燃機(jī)和純電動(dòng)車的過渡，其效率高，經(jīng)濟(jì)性好，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了排放，是一個(gè)值得研究和發(fā)展的領(lǐng)域。針對(duì)公交和大巴等大功率汽車混動(dòng)系統(tǒng)，我們研制了高壓大功率DC-DC雙向電源用于電池組與超級(jí)電容之間的能量交換，在特定情況下可由電池組與超級(jí)電容共同為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供能量，也可以在特定情況下由電池組吸收超級(jí)電容回饋的能量，以滿足混合動(dòng)力汽車在不同工況下的動(dòng)力需求，達(dá)到高效節(jié)能、延長電池組壽命的目的[1]。

目前關(guān)于混合動(dòng)力公交大巴（主動(dòng)力是柴油機(jī)動(dòng)力），工作方式主要也是兩種形式：一是不帶DC-DC雙向電源產(chǎn)品，當(dāng)需要電力投切時(shí)，直接將電池電源投切到電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。二是加入DC-DC雙向電源產(chǎn)品，逆變器直流側(cè)是靠超級(jí)電容提供能量，電容電壓下降到一定值，電池組通過DC-DC雙向電源給電容補(bǔ)充電。第一種工作方式電池的數(shù)量和容量需要較大，電池輸出特性偏軟，輸出電壓不穩(wěn)定，需要反復(fù)充放電，壽命會(huì)大大降低，成本太高。第二種形式可以很好彌補(bǔ)第一種形式缺點(diǎn)，通過超級(jí)電容間接提供能量，其動(dòng)力性能也得到提高，另外電池組可以很好吸收和釋放多余的能量，電池組和超級(jí)電容需要通過一套DC-DC雙向電源設(shè)備控制。如圖1所示，DC-DC雙向電源包括共模電感L1，功率控制單元IGBT1、IGBT2，及采樣、驅(qū)動(dòng)單元，控制器采用TI公司TMS320F2812DSP芯片，電源后級(jí)接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和牽引電機(jī)M，電機(jī)M通過變速箱及軸系與發(fā)動(dòng)機(jī)相連[2]。

圖1 混合動(dòng)力公交動(dòng)力構(gòu)成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 DC-DC雙向電源允許短時(shí)大電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1 DC-DC雙向電源原理結(jié)構(gòu)圖

DC-DC雙向電源是能量傳輸部件，需要滿足轉(zhuǎn)換效率高的要求，以便提高能源利用率，并且具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。為了提高電動(dòng)汽車功率密度比，需要電動(dòng)汽車各部件體積小，重量輕，以提高電動(dòng)汽車的運(yùn)輸能力，使其更有實(shí)用價(jià)值，因而DC-DC雙向電源要滿足體積小，重量輕的要求。電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為隔離型和非隔離型，本設(shè)計(jì)DC-DC雙向電源采用的是非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用Buck-Boost電路形式。當(dāng)能量從右邊超級(jí)電容C流向左邊電池組E時(shí)是BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；當(dāng)能量從左邊電池組E流向右面超級(jí)電容C時(shí)是BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工作時(shí)候，上下兩個(gè)管子互補(bǔ)導(dǎo)通，并且在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)都有一定的死區(qū)，以防止上下兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通[3]。超級(jí)電容電壓在正常范圍時(shí)，DC-DC雙向電源處于休眠狀態(tài)，電池組不輸出電流；當(dāng)電機(jī)負(fù)荷過重時(shí)，就會(huì)造成超級(jí)電容電壓急速下降，電池組通過DC-DC雙向電源給超級(jí)電容充電；當(dāng)電機(jī)處于能量回饋狀態(tài)時(shí)，就會(huì)造成超級(jí)電容電壓急速上升，超級(jí)電容通過DC-DC電源給電池組充電，達(dá)到能量回收的目的。電流接受車載控制器的控制，雙向移動(dòng)，并且大小可控。

圖1中，設(shè)備輸出功大約30KW，電池組電壓工作區(qū)間200～300 V，超級(jí)電容電壓工作范圍400～600 V。當(dāng)公交車上坡或負(fù)載較大時(shí)，開始啟動(dòng)混動(dòng)工作模式，超級(jí)電容電壓很快降低，當(dāng)電壓降到一定值時(shí)，電池組通過DC-DC電源工作，用恒流或恒功率模式快速給超級(jí)電容補(bǔ)充電能，超級(jí)電容電壓上升，當(dāng)上升到一定值時(shí)，DC-DC電源停止工作，處于休眠狀態(tài)。同理，當(dāng)公交車下坡或者制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容電壓上升，當(dāng)電容電壓上升到一定值時(shí)，DC-DC電源工作，超級(jí)電容給電池組充電，將能量回收到電池組，超級(jí)電容電壓降低，當(dāng)降低到一定值，DC-DC電源停止工作，處于休眠狀態(tài)。如此反復(fù)，使超級(jí)電容電壓維持在一個(gè)區(qū)間（始終大于電池組電壓），實(shí)現(xiàn)了DC-DC雙向電源在混合動(dòng)力公交平臺(tái)的應(yīng)用。

混合動(dòng)力公交在實(shí)際運(yùn)行過程中情況復(fù)雜，極端情況下如果牽引電機(jī)的突加超重負(fù)載或者超級(jí)電容電壓突然出現(xiàn)故障，使得超級(jí)電容電壓接近或低于電池組電壓，當(dāng)汽車控制器未及時(shí)保護(hù)時(shí)，可能出現(xiàn)大電流直接通過IGBT續(xù)流二極管不受控制，電流如果達(dá)到IGBT設(shè)計(jì)的極限值，就會(huì)損壞IGBT。根據(jù)此我們?cè)谏厦娼Y(jié)構(gòu)上，在電池組和正極母排并聯(lián)一個(gè)二極管D1，當(dāng)電壓平臺(tái)接近時(shí)，大電流可以直接通過二極管D1，保護(hù)IGBT，如圖2所示[4]。

圖1中，由于設(shè)計(jì)功率是30 kW，電池組輸出電流100 A。實(shí)際工作中，如果混合動(dòng)力系統(tǒng)要達(dá)到更快的響應(yīng)的速度，電流可能需要達(dá)到200 A、300 A，可以將兩路IGBT輸出變成了四路輸出如圖3所示，其中共模電感L1和L2分別并聯(lián)移相半個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)既穩(wěn)定性好又動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的要求[5]。

圖3 DC-DC雙向電源4路并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 DC-DC雙向電源控制策略

2.1 客戶期望的控制流程如圖4所示

圖4 客戶需求的控制流程

2.2 電池組輔助供電的控制流程如圖5所示

2.3 能量回收的控制流程如圖6所示

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)在于通過中間超級(jí)電容反復(fù)充放電，給電機(jī)提供能量，并且能夠?qū)⒛芰炕厥盏诫姵亟M，避免直接用電池組提供能量，造成電池組損耗太快。設(shè)備采用先進(jìn)的IGBT控制技術(shù)，具有控制精度高、響應(yīng)及轉(zhuǎn)換時(shí)間快、電流電壓紋波小等特點(diǎn)。采用移相控制技術(shù)，電流紋波減小，等效頻率提高了一倍，噪音低，電源的溫升大幅降低[6]。其主要性能指標(biāo)能滿足系統(tǒng)的要求，電流的響應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間如圖7、8所示為33.6 ms、65.6 ms，電流、電壓紋波峰峰值如圖9、10所示為640 mA、1.04 V，小于1%滿量程，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。通過系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)能量控制邏輯、功率分配和動(dòng)力蓄電池組的科學(xué)使用方法等關(guān)鍵問題，可以進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，適合在新能源混合動(dòng)力汽車中推廣和應(yīng)用。

圖5 電池組輔助供電的控制流程

圖6 能量回收的控制流程

圖7 電流響應(yīng)時(shí)間

圖8 電流轉(zhuǎn)換時(shí)間

圖9 電流紋波

圖10 電壓紋波

[1] 馮柳鑫. 5kW混合動(dòng)力汽車用雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)[D]. 浙江大學(xué), 2014.

[2] 陶鈞炳等. 一種新的混合動(dòng)力車雙向DC-DC拓?fù)鋄J]. 機(jī)電工程, 2010, 27（7）： 97-99.

[3] 郭朋飛. 基于DSP的雙向DC/DC變換器的研究[D].廣東工業(yè)大學(xué), 2012.

[4] 王兆安. 電力電子技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013： 119-184.

[5] 景中炤, 黃熙. 一種雙相結(jié)構(gòu)的同步Buck DC/DC變換器[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2010, 30（2）：113-116.

[6] 屈克慶. 基于載波移相技術(shù)的PWM多重化整流器[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 24（3）： 283-285.

Design of DC-DC Bidirectional Power Supply for Hybrid Electric Bus

Wang Rui, Ruan Hui, Shi Lingdan

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

This paper mainly introduces the application of DC-DC bidirectional power supply to the hybrid electric bus. It introduces the composition of hybrid electric bus power, the schematic diagram of DC-DC bidirectional power supply, and the control strategy of DC-DC bidirectional power supply. The actual operation results show that the equipment can meet the design requirements of hybrid electric bus, which has the advantage of low equivalent cost, high control frequency, fast response speed, small ripple, low noise, and so on which has good application prospect.

DC-DC bidirectional power supply; hybrid electric bus; parallel phase shift

TM561

A

1003-4862（2016）12-0018-04

2016-05-18

王銳(1985-)，男，工程師，碩士。專業(yè)方向：電力電子。