雙向Buck/Boost變換器在自行系統上的應用研究

劉文逸，范天峰，張艷利，付小強

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著自行高炮在現代戰場中作戰對象和作戰任務的變化，各國越來越重視發展自行高炮的高機動行進間伴隨防空作戰能力。目前我國大多數自行高炮初級電源是由底盤發動機驅動發電機提供，自行高炮行進間受路況影響進行減速、爬坡或者換擋等操作時，底盤發動機轉速下降，造成發電機輸出功率下降，從而導致自行高炮電源系統因功率不足無法正常工作，嚴重影響自行高炮工作的穩定性和可靠性。

針對自行高炮電源系統因底盤發動機轉速下降導致輸出功率不足的問題，筆者提出采用一種基于雙向Buck/Boost變換器的雙向功率補償系統，其中雙向Buck/Boost變換器控制超級電容和直流母線之間能量的流向和大小，是自行高炮功率補償系統的核心部件。因此筆者設計了一種適合于該功率補償系統的雙向Buck /Boost變換器,確定了自行高炮在不同工作狀態下雙向Buck /Boost變換器對應的工作模式[1]的控制目標，分析了其在自行高炮行進間作戰的應用需求，建立了小信號動態模型，并對相應控制器參數的設計方法進行了詳細的分析。結合工程應用背景，研制了實驗樣機，并進行了兩種工作模式之間切換試驗和充放電試驗，驗證了理論分析和工程設計的正確性。

1 拓撲與工作原理

1.1 變換器拓撲分析

圖1為自行高炮電源系統雙向Buck/Boost變換器拓撲圖[2]，其中超級電容的端電壓為UBAT，直流母線的端電壓為Um，雙向Buck/Boost變換器工作模式通過功率補償系統的控制管理策略控制。當雙向Buck/Boost變換器工作在Boost模式時，因發動機轉速下降而導致直流母線上下降的那部分功率通過超級電容放電補償，但由于超級電容兩端的電壓隨放電時間下降，同時受負載功率需求影響，負載因自行高炮動作而不斷波動，因此需要對超級電容輸出電壓采取穩定控制；當雙向Buck/Boost變換器處于Buck模式時，變換器控制直流母線向超級電容充電，采用先恒流后恒壓的充電方式。

1.2 工作原理分析

加裝功率補償系統的自行高炮行進間戰斗時可分為兩種工作狀態：非正常行駛(換擋、爬坡、減速或剎車)和正常行駛。當自行高炮非正常行駛時，行進間進行換擋、爬坡、減速和剎車操作時，雙向Buck/Boost變換器工作在Boost工作模式,此種模式下, 底盤發動機轉速下降，導致電源系統發電機輸出功率下降，低壓側超級電容的能量由雙向變換器升壓向直流母線補償能量，發電機和超級電容共同提供自行高炮行進間射擊時所需要的瞬時大功率,這樣避免了因底盤發電機輸出功率不足從而影響電源系統正常工作[2-3]。當自行高炮正常行駛時，雙向Buck/Boost變換器工作在Buck工作模式，此時底盤發動機運轉在額定轉速范圍內，電源系統發電機輸出的功率不僅能夠滿足自行高炮各用電設備需求，并同時通過雙向Buck/Boost變換器降壓向超級電容充電[3-5]。

2 系統建模及控制器設計

2.1 雙向Buck/Boost變換器控制策略

當自行高炮工作在加速、爬坡、減速以及剎車時，由于底盤發動機轉速下降，導致電源系統發電機輸出功率下降，根據自行高炮的用電功率分配控制策略，此時超級電容通過雙向Buck/Boost變換器向電源系統進行放電。由于超級電容端電壓在輸出瞬時大功率時會大幅跌落，超級電容在提供大功率的同時需保持雙向Buck/Boost變換器輸出電壓穩定于直流母線指定值Uref以改善發電機的運行特性，防止因超級電容端電壓的跌落影響電源系統的供電質量，同時引入電感電流內環控制改善變換器的性能，因此，變換器處在Boost工作模式時采用直流母線電壓外環、電感電流內環的雙環控制結構。

當超級電容電量不足時，而自行高炮處于正常行駛狀態，此時變換器處于Buck工作模式，發電機輸出的功率除了提供給自行高炮各用電設備供電之外，其余功率通過Buck/Boost變換器給超級電容充電，按照超級電容特性及充電要求，采用先以給定指令iref=iLmax恒流充電，然后再以超級電容電壓指令值UBAT恒壓充電的方式控制[5-6]。

2.2 雙向Buck/Boost變換器Boost模式控制設計

自行高炮行進間進行加速、爬坡、減速和剎車操作時，當底盤發動機轉速下降到低于設計閾值，此時發電機輸出功率小于炮車全部用電設備所需功率，為了改善自行高炮電源系統供電品質與穩定性，此時Buck/Boost變換器工作在Boost模式時，需要控制直流母線電壓Um到Uref=325 V,因此，變換器工作在Boost模式時采用直流母線電壓外環、電感電流內環的雙環控制結構。對其進行電路建模，超級電容可等效為內阻r與恒壓源ub串聯。求得變換器在Boost模式下的交流小信號方程為[2-4]

(1)

通過上述方程可建立相應小信號等效電路，如圖2所示。

根據小信號交流等效電路和穩態關系，可求得傳遞函數Gid_d(s)和Gvi_d(s)，Gid_d(s)為變換器Boost模式下占空比到電感電流的傳遞函數，Gvi_d(s)為電感電流到輸出電壓的傳遞函數。

(2)

(3)

根據傳遞函數可得到其控制框圖如圖3所示。將直流母線采樣電壓Usam(s)與給定參考電壓Uref進行比較，比較值經PI控制器Gvd(s)補償得到iLref(s)，電感電流iL(s)采樣得到的采樣值isamL(s)與電流環指令值iLref(s)比較后經PI控制器Gid(s)補償，再通過PWM發生器生成變換器占空比dd(s),Gpwm(s)為PWM增益，Gid_close(s) 為電流環閉環傳遞函數。

2.3 雙向Buck/Boost變換器Buck模式控制設計

當自行高炮處于正常行駛狀態時，底盤發動機處于額定轉速范圍內，發電機輸出功率不僅滿足自行高炮各負載的用電需求，同時還通過雙向Buck/Boost變換器給超級電容充電。此時變換器工作在Buck模式時采用電壓環和電流環的雙環控制，當超級電容端電壓UBAT與給定參考電壓Uref相差較大時，電壓環飽和，變換器采用恒流方式給超級電容充電;當超級電容端電壓UBAT與參考電壓Uref相近時，電壓環退出飽和，雙向Buck/Boost變換器采用恒壓方式給超級電容充電，充電電流隨超級電容電量而下降，此時直流母線等效為恒壓源，求得變換器在Buck模式下的交流小信號方程為[2-4]

(4)

通過上述方程可建立相應的小信號交流等效電路，如圖4所示。

根據小信號交流等效電路和穩態關系,可求得傳遞函數Gid_c(s)和Gvi_c(s)，Gid_c(s)為變換器在Buck模式下占空比到電感電流的傳遞函數，Gvi_c(s)為電感電流到輸出電壓的傳遞函數。

(5)

(6)

根據超級電容充電模式下雙向Buck/Boost變換器的控制策略得到其控制框圖,如圖5所示，將超級電容電壓ub(s)采樣得到的電壓usam_1(s)與給定參考電壓Uref進行比較，比較值經PI控制器Gv(s)補償得到iref(s),然后將電感電流采樣值iL_sam1(s)與電感電流內環指令值iref(s)比較后經過PI控制器Gic(s)補償，再經PWM發生器生成變換器占空比dc(s),Gpwm(s)為PWM增益，Gic_close(s) 為電流環閉環傳遞函數。

3 試驗驗證

為了驗證雙向Buck/Boost變換器拓撲結構和控制方法的正確性和可行性，搭建了8 kW雙向Buck/Boost變換器的試驗平臺。直流母線輸出電壓為325 V，超級電容兩端電壓為190～220 V之間，直流母線負載為13 kW.在底盤發動機為怠速運轉(800 r/min)時，發電機輸出功率為9.8 kW；當底盤發動機額定轉速為1 500 r/min時，發電機額定功率為20 kW,超級電容電壓為195～220 V，Buck/Boost變換器最大輸出功率為8 kW，當檢測到發電機轉速低于1 000 r/min時,輸出功率為13.5 kW，變換器實現由Buck模式向Boost模式切換，同理，當發電機高于1 200 r/min時,輸出功率為16.5 kW，變換器實現由Boost模式向Buck模式切換。

變換器控制系統采用TMS320F2808 型DSP，采樣直流母線電壓和電流，超級電容兩端電壓，輸出電感電流，發動機轉速，經過信號調理送入DSP，對采集的信號進行處理與分析，其程序流程圖如圖6所示。

圖7為雙向Buck/Boost變換器從Buck模式切換到Boost模式下直流母線電壓和電感電流波形圖，直流母線負載為10 kW，由圖7可見，變換器由Buck可工作模式切換到Boost模式時，電感電流穩態誤差小，切換后直流母線電壓穩定在325 V左右，顯示了變換器良好動態切換性能。

圖8為雙向Buck /Boost變換器工作在Boost模式，直流母線負載由13.5 kW切換到10 kW變換器的動態性能圖。由圖8可見，變換器工作在Boost模式下時，在對應負載突變時系統的響應時間為85 ms左右，同時電感電流和直流母線電壓的超調量較小，顯示出良好的動態性能。

圖9為雙向Buck/Boost變換器從Boost模式切換到Buck模式下直流母線電壓和電感電流波形圖。由圖9可見，變換器由Boost工作模式切換到Buck模式時，切換響應時間在80 ms左右，輸出電壓和電感電流的超調量較小，切換后母線電壓穩定在325 V左右，顯示出良好的動態切換性能。

圖10為雙向Buck/Boost變換器在Buck工作模式下，直流母線負載由10 kW切換到13.5 kW,直流母線電壓和電感電流波形圖。

由圖10可見，變換器工作在Buck模式時，負載突變時系統響應時間為90 ms左右，且直流母線電壓和電感電流的超調量較小，顯示出較好的動態性能。

可見，筆者設計的雙向Buck/Boost變換器在自行高炮行進間兩種不同工作模式下或者不同工作模式之間的切換過程中，系統響應時間較快，電壓和電流超調量較小，動態性能良好。

4 結束語

筆者從自行高炮行進間作戰需求出發，對炮車底盤主機電站進行了分析，為了解決主機電站發電機輸出隨底盤發動機轉速波動而帶來輸出功率下降的問題，提出了一種基于雙向Buck/Boost變換器的功率補償系統，并推導了不同模式下變換器的動態模型，設計了不同工作模式下的閉環控制器。試驗結果表明，所采用的雙向Buck/Boost變換器在兩種工作模式下或者不同工作模式直接相互切換時，系統響應時間較快，動態性能良好，能夠滿足自行高炮電源功率補償系統的應用要求。