電動汽車用雙向DC-DC變換器最優效率控制研究*

孫運全,劉恩杰,羅青松

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

電動汽車用雙向DC-DC變換器最優效率控制研究*

孫運全*,劉恩杰,羅青松

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

針對電動汽車復合能源系統中隔離雙向DC-DC變換器采用傳統單移相控制峰值電流和功率損耗過大的缺陷,提出一種基于雙重移相控制的最優效率控制策略。首先分析了雙重移相控制工作原理,建立了隔離雙向DC-DC變換器功率損耗模型,然后分析推導了隔離雙向DC-DC變換器功率損耗最小的條件及最優效率控制的實現方案,使雙向DC-DC變換器工作在功率損耗最小狀態,從而使系統效率實現最大化。最后通過實驗驗證了最優效率控制的正確性和優越性。

電動汽車;雙向變換器;雙重移相控制;功率損耗;最優效率控制

隨著能源短缺和全球變暖等問題日益嚴峻,低污染的電動汽車已成為近年來發展迅速的一種新型汽車[1]。目前,動力電池的性能是電動汽車發展的主要技術難題,雙向DC-DC變換器能使電動汽車復合能源系統中電池與超級電容配合工作,根據電動汽車不同運行狀況實時調節變換器直流母線電壓,并在電動汽車突然制動時將制動能量回饋到復合能源系統中,有利于電源整體效率的提高[2-3]。

目前,電動汽車復合能源系統中一般采用移相控制的隔離雙向DC-DC IBDC(Isolated Bidirectional DC-DC)變換器[4]。但是在傳統單移相控制SPS(Single-Pphase-Shift)隔離雙向DC-DC變換器中存在峰值電流和回流功率大的缺陷,增加了變換器的功率損耗,降低了能量雙向傳輸的效率[5]。針對峰值電流和回流功率大的問題,本文運用基于隔離雙向DC-DC變換器的雙重移相控制方法DPS(Dual-Pphase-Shift);為了最小化功率損耗和提高效率,建立了隔離雙向DC-DC變換器的功率損耗模型,分析了雙重移相控制隔離雙向DC-DC變換器的效率特點,提出了基于雙重移相控制隔離雙向DC-DC變換器的最優效率控制方法。

1 雙重移相控制工作原理

1.1 雙重移相控制原理

典型的IBDC變換器電路由兩個對稱的H橋和高頻變壓器組成,如圖1所示[6]。

DPS控制相比于傳統SPS控制,就是在SPS控制基礎上增加了內移相角。假設D1為變壓器兩側H橋橋內對角開關管驅動信號的移相比,稱為內移相比;D2為變壓器兩側H橋對應開關管驅動信號的移相比,稱為外移相比。當內移相比D1=0時,DPS控制變為傳統SPS控制。

圖1 IBDC變換器拓撲

圖3 DPS下變換器的工作模式

1.2 變換器工作模式分析

當0≤D1≤D2≤1時,由于控制的對稱性,以圖2中t0-t4時間段系統波形為研究對象,可將變換器工作模式分為5種狀態,如圖2所示[7]。

(1)狀態1:t0-t1階段

工作狀態如圖3(a)所示。在t0時刻前,V1側開關管S2、S3導通,電感電流為負,V2側開關管M2、M3導通;在t0時刻,開關管S3關斷、S4導通,由于電感電流仍為負,所以電流經過S2、D4續流,并且S4實現了ZVS導通;V2側開關管M2、M3依然導通。電感L兩端電壓為nV2,iL線性減小,因此電感電流可以表示為:

(1)

圖2 雙重移相控制系統波形

(2)狀態2:t1-t2階段

工作狀態如圖3(b)所示。在t1時刻,V1側開關管S2關斷、S1導通,由于電感電流為負,電流經D1、D4續流,S1實現了ZVS導通;V2側開關管M2、M3導通。電感L兩端電壓為V1+nV2,iL線性減小,因此電感電流可以表示為:

(2)

工作狀態如圖3(c)所示。在t2時刻,V1側開關管D1、D4導通;由于電感電流iL仍然為負,V2側開關管Q3實現ZCS關斷、Q4導通,電流經M2、Q4續流。電感L兩端電壓為V1,iL線性減小,因此電感電流可以表示為:

(3)

(5)狀態5:t3-t4階段

工作狀態如圖3(e)所示。在t3時刻,V1側開關管S1、S4導通;V2側開關管Q2關斷、Q1導通,由于電感電流iL為正,Q1實現了ZVS導通,電流經M1、M4續流。電感L兩端電壓為V1-nV2,iL線性增加,因此電感電流可以表示為:

(4)

2 IBDC變換器功率損耗模型

2.1 雙重移相控制IBDC變換器數學模型

當0≤D1≤D2≤1時,令t0=0,則各時刻可以表示為t1=D1Ths,t2=D2Ths,t3=(D1+D2)Ths,t4=Ths,t5=(1+D1)Ths,t6=(1+D2)Ths,t7=(1+D1+D2)Ths。設電壓調節比k=V1/(nV2)≥1,開關頻率fs=1/(2Ths),由對稱性iL(t4)=-iL(t0),根據式(1)～式(4)可得[8]:

(5)

(6)

(7)

(8)

根據電感電流值可得電流的方均根值為:

(9)

DPS控制下變換器的傳輸功率P為:

(10)

2.2IBDC變換器功率損耗模型

(1)開關損耗

|iL(t5)|)+n(V2+VF)(|iL(t3)|+|iL(t7)|)]

(11)

(12)

式中:toff和ton分別為開關管關斷時間和開通時間。

IGBT和二極管的總開關損耗為:

PSW=PSWOFF+PSWON

(13)

(2)導通損耗

假設IGBT的通態壓降VCE(sat)和二極管的正向壓降VF都是常數,根據式(1)～式(4)和各階段開關管導通狀態可得IGBT和二極管的導通損耗分別為[10]:

(14)

(15)

IGBT和二極管的總導通損耗為:
PCON=PCONS+PCOND

(16)

(3)變壓器和輔助電感損耗

變壓器和輔助電感中的損耗主要包括銅耗和鐵耗[11]。由變換器工作原理分析可得,變壓器和輔助電感在整個開關周期中都有電流iL流過。假設變壓器和輔助電感中的繞線電阻都為常數,則變壓器和輔助電感的銅耗和電流iL的方均根值有關:

(17)

式中:Rtr和Rau為變壓器和輔助電感的繞線電阻。

變壓器和輔助電感的鐵耗為:

(18)

式中:m為鐵耗系數,μ0為真空磁導率,g為氣隙,N為線圈的匝數,Ve為有效體積,這些數據可以從變壓器和輔助電感鐵耗參數表中查到[12]。因此變壓器和輔助電感損耗為:

(19)

根據式(5)～式(9)和式(11)～式(19)可得IBDC變換器開關管開關損耗、導通損耗、變壓器和輔助電感損耗為:

(20)

綜上所述,DPS控制IBDC變換器在一個開關周期中的總損耗為:

Ploss=PSW+PCON+PTA

(21)

因此SPS控制和DPS控制下總損耗Ploss與內、外移相比D1和D2有關,其三維圖如圖4所示。由圖4可以看出,當D1=0時,兩種控制方式下變換器總損耗相等,除此以外,DPS控制下變換器總損耗總小于SPS控制下變換器總損耗。

圖4 SPS和DPS控制下變換器總損耗三維圖

3 最優效率控制原理

3.1 最優效率控制數學模型

IBDC變換器效率為:

(22)

由式(22)可知,在給定傳輸功率P下,當功率損耗達到最小值時,效率達到最大值。因此可以通過求功率損耗的最小值來獲得最大效率。

構造輔助函數:

L(D1,D2,λ)=Ploss(D1,D2)+λ[P(D1,D2)-P0]

(23)

當功率損耗達到最小時,可得:

(24)

將式(10)和式(20)代入式(24),并把各參數值代入上述等式,通過使用MATLAB解上述非線性方程組的根,可以得到功率損耗最小時(D1,D2)最佳組合,此時IBDC變換器的效率達到最大。

3.2 最優效率控制策略

圖5 IBDC變換器控制框圖

圖5給出了IBDC變換器采用的閉環控制框圖,主要是由輸入電壓V1、輸出電壓V2和輸出電流I2確定變換器輸出功率P0和電壓調節比k,按功率損耗最小計算并設定內移相比D1。在上述D1下,通過閉環調節D2使變換器工作在最小電流狀態,從而使變換器效率達到最優。

4 實驗結果及分析

為了對本文所提出的最優效率控制策略進行實驗驗證,以DSP芯片TMS320F28335為控制核心搭建了實驗樣機,樣機主要參數如下:輸入電壓V1=20V,輸出電壓V2=80V,負載R=100Ω,直流電容C1=C2=2 200μF,開關頻率fs=20kHz,變壓器漏感L=7.7μH,變壓器匝數比n=0.3。可以得到SPS和DPS控制下IBDC變換器vh1、vh2和iL實驗波形如圖6所示,其中圖6(a)為傳統SPS控制、圖6(b)為DPS非最優效率控制(D1=0.38)、圖6(c)為DPS最優效率控制(D1=0.12)。可以看出,各種控制方式下電流應力是不同的,而且DPS最優效率控制的電流應力最小,可以減小變換器的功率損耗,提高變換器的效率。

圖6 3種控制方式下vh1、vh2和iL實驗波形

圖7給出了傳統SPS和DPS控制下系統效率隨輸入電壓變化的曲線。可以看出,與傳統單移相控制相比,采用雙重移相控制策略,可以提高變換器的整體效率。特別是在輸入電壓較大的情況下,采用基于雙重移相最優效率控制方式比傳統單移相控制方式變換器的效率明顯提高。

圖7 3種控制方式下變換器效率對比圖

5 結論

本文針對適用于電動汽車復合能源系統的雙重移相控制隔離雙向DC-DC變換器,分析了IBDC變換器功率損耗,建立了最優效率控制數學模型,在此基礎上提出了基于雙重移相控制隔離雙向DC-DC變換器的最優效率控制方法。理論與實驗結果分析表明,與傳統單移相控制相比,所提出的控制方法可以有效地減小變換器的電流應力,使變換器功率損耗達到最小、從而使系統效率達到最優。所以在電動汽車上采用此種控制方法的雙向DC-DC變換器可以減少能源在雙向傳輸過程中的損耗,提高能源的利用率,增加電動汽車的續航里程。

[1] 孫運全,項偉,趙李鳳,等. 電動汽車復合能源系統的高效率雙向DC-DC變換器的研究[J]. 汽車工程,2015,37(1):21-25.

[2] 王聰,沙廣林,王俊,等. 基于雙重移相控制的雙有源橋DC-DC變換器的軟開關[J]. 電工技術學報,2015,30(12):106-113.

[3] 晏坤,王輝. 微電網儲能系統中基于PWM加雙重移相控制的雙向DC/DC變換器研究[J]. 電力自動化設備,2015,35(4):44-50.

[4] 袁精. 隔離雙向DC=DC變換器控制技術的研究[D]. 秦皇島:燕山大學,2014:23-27.

[5] Hua Bai,Chris Mi. Eliminate Reactive Power and Increase System Efficiency of Isolated Bidirectional Dual-Active-Bridge DC-DC Converter Using Novel Dual-Phase-Shift Control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(6):2905-2914.

[6] 王玉斌,王杉杉,封波,等. 基于雙重移相控制的雙有源DC-DC變換器的最優電流控制[J]. 電工技術學報,2015,30(14):488-496.

[7] 趙彪,于慶廣,孫偉欣. 雙重移相控制的隔離雙向DC-DC變換器及其功率回流特性分析[J]. 中國電機工程學報,2012,32(12):43-50.

[8] Zhao Biao,Song Qiang,Liu Wenhua. Current Stress Optimized Switching Strategy of Isolated Bidirectional DC-DC Converter with Dual Phase Shift Control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(10):4458-4467.

[9] 程紅,高巧梅,朱錦標,等. 基于雙重移相控制的隔離雙向DC-DC變換器動態建模與最小回流功率控制[J]. 電工技術學報,2014,29(3):245-253.

[10] Roshen W A. A Practical,Accurate and Very General Core Loss Model for Nonsinusoidal Waveforms[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(1):30-40.

[11] Oggier G G,Garcia G O,Oliva A R. Switching Control Strategy to Minimize Dual Active Bridge Converter Losses[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(7):1826-1838.

[12] Shigenori Inoue,Hirofumi. A Bidirectional DC-DC Converter for an Energy Storage System With Galvanic Isolation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(6):2302-2303.

Research on Optimal Efficiency Control Strategy of BidirectionalDC-DC Converter for Electric Vehicles*

SUNYunquan*,LIUEnjie,LUOQingsong

(College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

In view of the defects of the large peak current and large power loss of isolated bidirectional DC-DC converter with the traditional single-phase-shift(SPS)control used in the hybrid energy system of electric vehicles,an optimal efficiency control strategy based on dual-phase-shift(DPS)control is proposed. The operating principle of DPS control is first analyzed,and the power loss model of IBDC based on DPS control is established,then the constraint condition to minimize the power loss of IBDC,as well as the implement scheme of optimal efficiency control strategy,are analyzed and derived later,therefore minimal power loss and maximal efficiency are ensured in an IBDC converter. The experimental results verify the correctness and excellent performance of the proposed optimal efficiency control strategy.

electric vehicle;bidirectional DC-DC converter;dual-phase-shift control;power loss;optimal efficiency control

項目來源:江蘇大學高級人才項目(13DG054)

2016-03-21 修改日期:2016-04-22

C:8350;1290B

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.039

TM46

A

1005-9490(2017)02-0461-06