基于Matlab/Simulink的電動汽車高壓電路仿真分析

劉忠明

（貴州電子信息職業技術學院，貴州 凱里 556000）

電動汽車的高壓系統主要由動力電池、車載充電機、電機控制器、DC-DC轉換器以及高壓線束等組成。其中只能以高壓直流電的形式給動力電池充電，這一過程主要依靠車載充電機來實現；而較傳統發動機而言，純電動汽車主要依靠DC-DC轉換器來實現高低壓轉變，進而給電瓶及低壓用電設備供能；作為國內電動汽車主打的永磁同步電機采用三相交流勵磁，所以這一過程需要經過DC-AC的逆變。下文基于Matlab/Simulink對以上三種電路進行仿真分析[1-4]。

1 車載充電機的整流分析

參考文獻[1]中所提到的兩級拓撲型結構的單向車載充電機，該車載充電機具備充電電流紋波小、輸出電壓范圍廣、整機功率因素高等優點。

車載充電機的工作過程可分為四個階段進行，如圖1所示。第一階段，主要把電網輸入的220V AC電壓進行全橋整流；第二階段，整流后的電壓進行升壓處理，其中boost兩橋由VT1、VT2兩管輪流導通控制；第三階段，ACDC處理，升高后的電壓經VT3-VT6處理后，得到預期幅值及頻率的電壓值；第四階段，二次整流，交流信號經過橋式整流、高低頻濾波，最后輸出預期的DC值。

圖1 整流主電路仿真模型

主要參數設置：輸入的交流電工頻為50Hz，有效值220V，VT1、VT2采用幅值為1、占空比50%、頻率10kHz、相位角相差180°的兩PWM信號進行控制。在信號處理的第三階段，采用正弦波與三角波信號進行比較，差值大于0輸出高電平，否則輸出低電平，分別驅動VT3/VT5、VT2/VT6兩橋。

圖2 仿真波形圖

電路進入穩態后，采集C1電容、變壓器初級繞組、輸出負載R1的端電壓波形圖如圖2所示，仿真結果表明：電路升壓效果受L1、L2電感量的影響，改變調制正弦波的頻率可以改變初級線圈電壓電流頻率，改變R2、C2與L5、C3兩組濾波電路的參數值，可以影響DC的濾波效果及幅值。

2 DC-DC轉換器

降壓型DC-DC轉換器，其性能如下：輸入電壓346V，輸出電壓14V，功率為1kW，輸出電壓紋波為1%、電流紋波5%，開關頻率為100kHz，假設開關管、電容、電感等均為理想型元器件，不記二極管管壓降，根據基爾霍夫定律、電容與電感計算公式，可推導輸入、輸出電壓及開關頻率占空比之間的關系即：

同時計算出輸出負載電阻0.2Ω，濾波電感377uH，濾波電容319uF，將以上數值代入Buck基本電路進行仿真，為了消除偏差得到更為準確的輸出波形，采用閉環控制電路，將負載實際輸出電壓值與預期值作差進行PID運算，再與設定的占空比混合得到調制信號，如圖3所示。

圖3 Buck電路仿真模型

圖4 輸入與輸出波形圖

由圖4可以得出，經過0.03s左右，電路進入穩態工作點，當把波形圖放大，可以清晰看見14V波形信號上的紋波，為了使輸出信號愈加平滑，可以增加電路中電感、電容的容量，提高濾波效果。

3 電機控制器的逆變

永磁同步電機兼具體積小、重量輕、起動轉矩大、功率因素高等優點，深受電動汽車生產商的青睞，而往往驅動電機工作離不開電機控制器，電機控制器是電動汽車核心部件之一，它不僅控制著整車的前進、后退，同時也是車輛在滑行、制動時實現能量回收的關鍵所在。

電機控制器的主要電路原理如圖5所示，電路主要由直流電源（動力電池）、大電容C1、6個IGBT構成的驅動橋、LC濾波電路以及阻感性負載的電機部分構成，同時每個IGBT上并得有續流二極管，工作時IGBT按照一定順序導通，使電壓逆變，再經過LC濾波電路，輸出理想三相交流電。

圖5 逆變主電路仿真模型

主要參數設置：VT1、VT3、VT5構成驅動橋上橋臂，VT2、VT4、VT6構成下橋臂，VT1-VT6前一管比后一管超前60°，每個管的導通時間為180°，同一時刻只有三個管導通，且上下管不能同時導通，設開關管的頻率為10kHz，VT1調制信號的相位為0°，則VT2的延遲時間應為：60/360*(1/10e3)，VT3的延遲時間應設為：120/360*(1/10e3)，以此類推。

圖6是濾波前電感的端電壓以及濾波后的相電壓波形圖，在本仿真電路中LC、輸入直流電壓、負載等值不變的情況下可以實現：1）改變調制波的占空比可以實現對輸出三相電壓幅值的控制；2）通過改變調制波的頻率來改變輸出三相交流電的頻率從而達到電機的變頻調速目的；3）任意調換兩橋調制波的順序，可以通過仿真示波器觀察到U、V、W三相交流電相序的改變，進而引起電機旋轉磁場方向的改變實現電機的反轉。實際上，電機控制器的逆變電路是一個閉環控制回路，當控制單元監測到母線上的電流電壓異常時，IGBT將停止工作。

圖6 輸出波形圖

當電動汽車處于減速狀態，轉子轉速大于旋轉磁場轉速時，驅動電機將工作在發電機工況，此時的電路將變成一個半控整流電路，將機械能轉化成電能儲存在動力電池中。

4 結束語

電動汽車高壓系統是一個復雜的控制過程，Matlab/Simulink能對電路的分析起到良好的效果，無論是在教學方面還是設計研究方面，Matlab/Simulink軟件具備了強大的功能，鑒于筆者對該軟件的應用有限，以及查閱相關資料仍無法滿足預期，希望后續能將之彌補。