用于電動汽車的磁集成結構DC/DC變換器

夏向陽，孔祥霽，唐 欣，彭夢妮，冉成科,2，李明德，湯 賜，劉代飛，徐元璨

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙，410077；2.湖南機電職業技術學院汽車工程系，湖南長沙，410151；3.衡陽產商品質量監督檢驗所，湖南衡陽，421001)

用于電動汽車的磁集成結構DC/DC變換器

夏向陽1，孔祥霽1，唐 欣1，彭夢妮1，冉成科1,2，李明德3，湯 賜1，劉代飛1，徐元璨1

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙，410077；2.湖南機電職業技術學院汽車工程系，湖南長沙，410151；3.衡陽產商品質量監督檢驗所，湖南衡陽，421001)

基于傳統儲能設備的功率密度以及轉換效率低，在很大程度限制了電動汽車的操控性和續航性能，提出一種磁集成結構的DC/DC變換器應用于電動汽車的混合儲能系統。研究結果表明：加入二階貝塞爾低通濾波器，配合磁集成結構本身的濾波性能，結合混合儲能系統的優越性可以顯著提高電動汽車的工作效率和穩定性；磁集成技術可以減小變換器整體體積和降低變換器磁芯損耗。蓄電池與超級電容構成的混合儲能系統具有高容量儲能、快速響應、回收制動能量的特點；該混合儲能系統能夠優化電能質量，提高電動汽車的續航時間和加速時所需能量，在傳統的駕駛周期內具有良好的性能。

DC/DC變換器；磁集成結構；電動汽車；混合儲能系統；電能質量

對于即將來臨的電動汽車時代，為了能讓電動汽車與燃油汽車一樣具有快速的瞬時加速能量、長距離續航、較小的質量，需要多個儲能設備相互配合才能夠達到目標。對于混合儲能系統，蓄電池與超級電容配合需經過實際驗證[1?2]，蓄電池如鋰電池具有超高的能量密度，可為電動汽車提供長距離的續航，而超級電容具有快速響應和極大的瞬時輸出電流特性。對于電動汽車的發展，儲能裝置的優化是主體，既要考慮提高蓄電池的容量，又要減小蓄電池的體積和質量，提高充電速度，減小車身質量也是提高電動汽車的續航、減少損耗的主要途徑。DC/DC變換器作為重要的電力電子器件，已經發展多年，經過多次革新，出現了多種DC/DC變換器，如：新型的ZVS雙向DC/DC變換器[3]通過ZVS良好的可控性，提高轉換效率；隔離型雙向DC/DC變換器[4]結構復雜，能夠轉換傳輸較大功率；CUK變換器[5]是最早提出能夠應用磁集成技術的，實驗效果很好。CUK[5]還進行了一系列優化Cuk變換器磁集成技術的研究，進一步證實了磁集成技術的可行性；隔離型交錯式DC/DC變換器[6?8]引入了三繞組耦合電感概念，多用于大功率傳輸；磁集成結構DC/DC變換器作為連接儲能系統與電網和直流電機必不可少的部分，結構上更加簡單高效，能夠顯著減小變換器的體積和質量，應用于電動汽車的儲能裝置中，可以發揮更好的效果[9?13]。本文作者對所提出的DC/DC變換器，給出具體的拓撲結構圖和具體的工作模式以及對電池組與超級電容的控制方式。最后通過仿真和實驗分析，驗證混合儲能系統性能符合理論分析。

1 電動汽車混合儲能系統

圖1所示為所提出的電動汽車混合儲能系統，由DC/DC變換器、超級電容、電池組配合組成。圖1中：L2為輸出濾波電感；L1為外加電感；Ca為外加電容。在穩定工作狀態下，不考慮電容電壓脈動，Ca上電壓與輸出電壓相等。L2與L1上的電壓滿足電壓成比例的條件，通過集成電感可以減小輸出電流脈動。DC/DC變換器由4個IGBT開關T1～T4與其相對應的二極管D1～D4，以及磁集成結構組成[14?15]。電池組向直流電機提供平滑的功率，是電動汽車的主要能源[16?17]。超級電容UC是應對瞬間狀態峰值功率的供應。Iload，Ibatt和IUC分別為直流側、電池組和超級電容電流，VDC為直流側電壓，CDC和Ca分別為直流側和外加電容。通過電源管理系統并根據負載的需求決定電能的流向。

電動汽車混合儲能系統主要有5種工作狀態：

1)停車充電狀態。電能從交流電源通過AC/DC變換器轉為直流電，由IGBT開關T3、二極管D4、自感電感L1構成的降壓變換器給電池組充電，由IGBT開關T1、二極管D2、自感電感L2構成的降壓變換器給超級電容充電。

2)勻速行駛狀態。由自感電感L1、IGBT開關T4、二極管D3構成的升壓變換器輸送電能至直流電機側。

3)加速行駛狀態。升壓模式下將超級電容的電能輸送至直流電機側，供電動汽車應對加速狀況。由自感電感L2、二極管D1、IGBT開關T2構成的升壓變換器輸送電能至直流電機側。

4)制動狀態。電動汽車處于制動狀態，在降壓模式下從直流電機側回收制動能量儲存在超級電容中。由T1，D2和L2構成的降壓變換器器給超級電容充電，因此制動狀態與停車充電狀態的超級電容充電狀態相似。

5)超級電容緊急充電狀態：在超級電容的SOC(stateof charge)降到最低限制標準時，升壓模式下將電池組中電能輸送給超級電容充電。此時，由電池組給直流電機側提供電能，同時超級電容從直流電機側獲得電能進行充電，以保證電動汽車的加速能量充足。

圖1 儲能系統拓撲結構Fig.1 Topology of hybrid energy storage system

表1所示為電動汽車混合儲能系統具體工作狀態對應的電能流向以及對應DC/DC變換器的工作方式。

表1 混合儲能系統工作與運行方式Table1 Operationmodeof hybrid energy storage system

2 磁集成結構

磁性元件(主要指電感)的體積是決定變換器體積和重量的主要因素。要實現多個磁性元件的集成，需要磁芯具有多條磁路，本文采用E型磁芯，利用其多磁路的特性，可以更加簡單地將多個交變磁通不同的分立磁性元件集成起來。

在本文中，采用的是電感與電感的集成，即耦合電感。

磁集成結構與分立電感比較如表2所示。磁集成結構與2個分立電感相比，整個磁性元件的體積和質量都明顯減小，在電動車應用中，效果更加明顯，可以減小整體儲能系統的體積和質量，這樣減小了整個車身的質量，增大了車身整體的可容納空間。

表2 磁集成結構與分立電感比較Table2 Comparison of integratedmagnetic structurew ith discrete inductors

3 混合儲能系統控制策略

3.1 超級電容控制器

選用級聯電壓與電流控制器作為超級電容控制器，因為當電池提供穩定負載電壓時，超級電容可以保持直流電機側的電壓，這樣可以確保在制動過程中，由于直流電機側電壓顯著增加，超級電容可以更加快速地反映，回收制動能量。圖2所示為超級電容控制器的控制框圖。圖中：Vdc為直流側實際電壓；Vdc-sen為直流側額定電壓；i*UC為超級電容電流標幺值；iUC-sen為超級電容額定電流；fs為開關頻率；G1,2為IGBT開關T1和T2的通斷信號。

在升壓模式下電感電流占空比的傳遞函數可表示為

圖2 超級電容級聯電壓與電流控制器的控制框圖Fig.2 Block diagram of ultracapacitor voltageand current controller

其中：IL2(s)為L2的基準電流；Vdc為直流電機電壓；Cdc為直流電機側電容；D為占空比。在頻率范圍內，電感電流與直流側電壓之間的關系可用下式表示：

3.2 電池組控制器

對電池組的電流控制要保證對直流電機供給平滑的電流，所以，電池組的輸出(相對應的電池組控制)電流通過1個截止頻率為50Hz的二階貝塞爾低通濾波器，這樣可以保證輸出電流沒有高脈動或者瞬時大的變化。同時，由于降壓變換器的輸出電流一般含有較高的輸出電流波，電池組在正常工作時通過升壓變換器傳輸電能。只在電池組充電時，才通過降壓變換器傳輸電能，因此，電池組的輸出電流含有的紋波比例可以大大降低[18]。

Vload和Iload分別為直流電機電壓和電流，Vbatt和Ibatt分別為電池組電壓和電流。假設變換器無損耗，則直流電機功率與電池組功率相等，電池組電流與直流電機比例關系表示為

電池組的基準電流表示為

GLP(s)為貝塞爾低通濾波器的傳遞函數，可表示為

其中：θn(S)為反向貝塞爾多項式；ω0為截止頻率；a(n)與b(n)為貝塞爾多項式系數。對于二階貝塞爾濾波器，濾波器的傳遞函數可表示為

貝塞爾濾波器是一種線性濾波器，其有最平坦的群延遲或者最大的線性相位響應，所以，貝塞爾濾波器可以完整的保留濾波后波形，且在整個濾波過程中保持基本穩定的群延遲。一旦獲得電池的輸出基準電流，轉換器就受到峰值電流控制器的控制，圖3所示為具體控制框圖(其中，ibatt-sen為電池組額定電流；G3,4為IGBT開關T3和T4的通斷信號)。

圖3 電池組控制框圖Fig.3 Block diagram of battery control

3.3 超級電容緊急充電狀態的控制策略

圖4 工作狀態5)時的控制框圖Fig.4 Block diagram of controlsystem whileoperating in Mode 5)

工作狀態5)即超級電容緊急充電狀態包括電池組給直流電機提供電能，超級電容從直流電機側獲得電能。在正常工作情況下，由電池組提供穩定的功率，當超級電容SOC低于限制值時，通過控制變換器開關，超級電容從直流電機側獲得電能進行充電。圖4所示為工作在工作狀態5)時的控制框圖，其中：Vuc-ref和Vuc-sen分別為UC的額定電壓和實際電壓；Iuc-ref和Iuc-sen分別為UC的額定電流和實際電流；Vdc-ref和Vdc-sen分別為直流電機側的額定電壓和實際電壓；Ibatt-ref和Ibatt-sen分別為電池組的額定電壓和實際電壓；I*batt-ref為電池組額定電壓的標幺值；G1與G4為開關關斷信號。

4 仿真與實驗分析

通過將本混合儲能系統應用于1個典型的汽車行駛周期中進行仿真分析，以測試本系統的動態性能。仿真模型使用MATLAB中的Simulink,SimPower Systems和Control System Toolbox工具箱，仿真系統參數見表3。

該仿真試驗模擬汽車行駛過程中，在加速、均速行駛、制動等狀態下，對負載側電壓的穩定性和負載側、電池組、超級電容的電流波動進行觀察。最后通過實驗在負載側施加1個階躍變化，觀察超級電容與電池組的電流變化。

表3 仿真系統詳細參數Tab le 3 Simulation system specification

標準仿真周期內的負載電流、電池組及超級電容電流變化圖如圖5所示。負載電流對應傳統的駕駛周期，負載電流非常平滑(加入了對電池組的仿真分析)，基本無紋波。從圖5可以看出：與超級電容電流相比，電池組電流變化更加平滑，沒有瞬時突變。電池組輸出電流平滑且紋波含量小，既能延長電池組的壽命，又能減少電流紋波對直流電機造成的損耗。而超級電容作為負載突變時的緩沖，電流變化突變很大是正常的。同時，負載、電池組和超級電容電流存在差別，這是儲能裝置和負載電壓端子電壓不同所致。直流電機側(負載側)電壓如圖6所示。從圖6可見：負載側電壓穩定在額定電壓300V，有少量的波動是由于在汽車加速或者制動時造成電壓瞬時上升或跌落，在超級電容的作用下，電壓都能迅速恢復至300V。

實驗設備和電路參數見表4。為了適合實驗室設備條件，建立1個小規模的模擬電路進行實驗，采用Boostcap PC2500超級電容，開關型號選用HGTG30N60A 4D IGBT，電壓傳感器選用LV20?P，DSP型號選用TI－TMS320F2812，電流傳感器選用LA100?P。TMS320F2812DSP作為反饋和控制系統，電感L1，L2和M設計值分別為2mH，50μH和50μH，實際值見表4。

圖5 1個標準仿真周期內的負載電流，電池組及超級電容電流變化Fig.5 Load current,battery and ultracapacitor current variation diagrams in astandard simulation cycle

圖6 直流電機側(負載側)電壓Fig.6 DCmotor side(load side)voltage

實驗中，當負載階躍變化時，負載、電池組和超級電容的電流實際變化見圖7。從圖7可以看出：當t=3 s時，負載階躍上升，電池組電流并未立即響應，而是通過控制緩慢上升，同時，超級電容短時內多次大電流放電，補充負載側所需的電能，直流側電壓穩定在20V，整體波動小于5%；在t=7 s，負載階躍下降時，超級電容回收制動能量，超級電容電流為負值。圖8所示為只采用電池組作為單一儲能設備時應對階躍變化時的負載電流。從圖8可以看出：電流波動較大且紋波較多。電池組的電流驟升驟降，不利于電池組長久使用。對比圖8與圖7可知：采用電池組與超級電容混合儲能系統可以更好地應對汽車加速和制動，加入磁集成結構對濾除紋波也有很好的效果。

表4 實驗設備及電路參數Table4 Experimental equipmentand circuitparameters

圖7 負載階躍變化時負載電流、電池組電流和超級電容電流變化Fig.7 Experimental resultsof load,battery and ultracapacitor currents undera load step change

5 結論

1)分析了電動汽車混合儲能系統的結構以及雙向DC/DC變換器的5種工作狀態，并對每種對應工作方式下的電能流向進行了分析。

2)該系統與傳統混合儲能系統相比，體積和質量都明顯減小，可通過磁集成結構濾除部分電流紋波，降低紋波對直流電機造成的影響。

3)磁集成的雙向DC/DC變換器可以改善輸入電動汽車中電力驅動設備的電能質量，從而提高直流電機工作穩定性和效率，同時可再生制動。仿真結果證明混合儲能系統在應對加速和制動狀況時有較強的處理能力。

圖8 只采用電池組時負載階躍變化時負載電流、電池組電流變化圖和直流側電壓變化Fig.8 Load current,battery currentand DC side voltageunder a load step change only w ith battery

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(編輯 陳燦華)

Integratedmagneticsstructure DC/DC converter for electric vehicles

XIA Xiangyang1,KONG Xiangji1,TANGXin1,PENGMengni1,RAN Chengke1,2, LIM ingde3,TANGCi1,LIU Daifei1,XU Yuancan1

(1.Collegeof Electricaland Information Engineering,Changsha University of Scienceand Technology, Changsha 410077,China; 2.Collegeof Automotive Engineering,Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic,Changsha410151,China; 3.Hengyang ProductsQuality Supervision and Inspection Institute,Hengyang 421001,China)

Considering that traditional energy storage device of pow er density and low conversion efficiency greatly lim it the electric vehicle handling and performance,a novel DC/DC converter was proposed based on the integrated magnetic structure for hybrid energy storage system in electric vehicles.The results of MATLAB simulation show that adding the second-order Bessel low-pass filterw ith the filtering performance of themagnetic integrated structure itself,at the same time combining w ith the advantages of hybrid energy storage system,the efficiency and stability of electric vehicles can be significantly im proved.Integrated M agnetic structure can reduce the overall size of converter and decrease the core losses of converter.The hybrid energy storage system composed of storage battery and super capacitor has the characteristics of high capacity energy storage,quick response and recovery of braking energy.The hybrid energy storage system can optim ize the power quality,improve the endurance time and acceleration needs of electric vehicles,and has good performance in a typicaldriving cycle.

DC/DC converter；integrated magnetic structure;electric vehicles;hybrid energy storage system;power quality

TM 46

A

1672?7207(2017)03?0694?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.018

2016?03?12；

2016?05?27

國家自然科學基金資助項目(51577014)；海南省社會發展科技專項(2015SF37)；衡陽市科技計劃重點項目(2015KG27) (Project(51577014)supported by the Natural National Science Foundation of China;Project(2015SF37)supported by Hainan Social Development Scienceand Technology SpecialProject;Project(2015KG27)supported by Hengyang Scienceand Technology Plan Key Project)

冉成科，講師，從事新能源可靠接入與電動汽車控制等方向；E-mail:keer0716@sina.com