電動(dòng)汽車雙向DC/DC變換器的仿真與實(shí)現(xiàn)

左順文，蘇晉濤，宋仕濤

（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化人工智能學(xué)院，江蘇南京，210023）

0 引言

雙向DC/DC變換器是一種能實(shí)現(xiàn)直流電能雙向流動(dòng)，同時(shí)維持變換器兩端的直流電壓極性不變的裝置[1]。其基本原理是通過由三角波調(diào)制的PWM波控制功率開關(guān)（MOSFET，場效應(yīng)管等）進(jìn)行高頻開斷，構(gòu)成Buck/Boost斬波電路，將輸入的電能貯存在電容、電感等儲能元件中。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電容或電感中的能量被釋放，為負(fù)載電機(jī)提供能量。其主要應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車、新能源發(fā)電、直流不間斷供電、分布式發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域[2]。在電動(dòng)汽車行駛過程中，由于其速度頻繁變化，導(dǎo)致蓄電池電壓的波動(dòng)范圍較大，不適合采用此電壓直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。利用雙向DC/DC變換器的閉環(huán)控制，能實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)汽車逆變器直流一側(cè)的電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，從而減小電機(jī)電流的紋波，改善電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，能量還可通過變換器反向流動(dòng)至蓄電池，對蓄電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)能量的重復(fù)利用。

本文的主要工作是介紹雙向半橋式DC/DC變換器的兩種工作模式，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算電路各元件參數(shù)，在Matlab/Simulink中對兩種工作模式進(jìn)行模擬仿真，在此基礎(chǔ)上搭建樣機(jī)進(jìn)行測試研究。

1 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向半橋式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。電路由Buck、Boost斬波電路組合而成。其中功率開關(guān)1V和2V以互補(bǔ)方式工作。當(dāng)電動(dòng)汽車處于正常行駛狀態(tài)時(shí)，蓄電池向電動(dòng)機(jī)供電，雙向DC/DC變換器成為Boost變換器，蓄電池的電壓被升高以提供給逆變器一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，逆變器將DC轉(zhuǎn)為AC從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī);當(dāng)電動(dòng)汽車剎車時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度超過電機(jī)同步磁場的旋轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，電動(dòng)機(jī)處在再生制動(dòng)狀態(tài)[3]。此時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，雙向DC/DC變換器成為Buck變換器，能量反向流動(dòng)，逆變器一側(cè)的直流電壓被降低，從而對蓄電池進(jìn)行安全充電。此種結(jié)構(gòu)無電氣隔離，元件數(shù)量較少，體積小，控制方式簡單。

圖1 雙向半橋式DC/DC變換器

1.2 正向Boost工作模式

正向Boost工作模式如圖2所示。此時(shí)U1為輸入端，U2為輸出端，能量由U1一側(cè)向U2一側(cè)流動(dòng)，變換器工作在Boost升壓模式。1V關(guān)斷，2V由恒定頻率的PWM波驅(qū)動(dòng)。如圖2(a)所示，2V導(dǎo)通時(shí)，電池組電壓U1加到電感L上，能量以磁場能的形式貯存在電感中，電流從右向左流動(dòng)[4]。如圖2(b)所示，2V關(guān)斷時(shí)，因?yàn)殡姼须娏鳠o法突變，1V的寄生二極管V1D導(dǎo)通。隨著電流沿V1D流動(dòng)，蓄電池和電感L向直流母線供能，電容C2充電，電感L釋放能量[5]。調(diào)整2V的占空比可改變U2的大小。

圖2 正向Boost工作模式

1.3 反向Buck工作模式

反向Buck工作模式如圖3所示。此時(shí)U2為輸入端，U1為輸出端，能量由U2一側(cè)向U1一側(cè)流動(dòng)，變換器工作在Buck降壓模式。V2關(guān)斷，V1由恒定頻率的PWM波驅(qū)動(dòng)。如圖3(a)所示，1V導(dǎo)通時(shí)，U2加到V2D、電感L和電容1C上，所以V2D截止，電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為磁場能貯存在電感中，電流從左向右流動(dòng)，同時(shí)對蓄電池充電。如圖3(b)所示，1V關(guān)斷時(shí)，因?yàn)殡姼须娏鳠o法突變，2V的寄生二極管V2D導(dǎo)通，加在L上的電壓變?yōu)?U1，iL線性減小，電感的能量被釋放，能量向U1轉(zhuǎn)移。

圖3 反向Buck工作模式

2 變換器的設(shè)計(jì)要求和元件參數(shù)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)要求

樣機(jī)采用五節(jié)I8650型鋰離子電池作為充放電電池，30Ω電阻作為負(fù)載，通過外接直流穩(wěn)壓電源調(diào)整負(fù)載兩端的電壓。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載兩端的電壓，并自動(dòng)切換工作模式，保持輸出電壓的相對穩(wěn)定。當(dāng)外接直流電源電壓在32～38V范圍內(nèi)變化時(shí)，保持負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定在30V，且雙向DC/DC變換電路能夠自動(dòng)切換Boost/Buck狀態(tài)。當(dāng)外接電壓＜35V時(shí)，電路處于正向Boost工作模式，蓄電池放電，模擬電動(dòng)汽車正常行駛的狀態(tài)；當(dāng)外接電壓＞35V時(shí)，電路處于反向Buck工作模式，蓄電池充電，模擬電機(jī)制動(dòng)時(shí)能量回流的狀態(tài)。

系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)部分參數(shù)

2.2 元件參數(shù)計(jì)算

(1)MOSFET開關(guān)頻率取20kHz。

(2)Boost電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)，電感L由以下公式確定：

其中，Dmax2為最大占空比，取Uomax為最大輸出電壓，取30.5V；Iomax為最大輸出電流，取2A。可計(jì)算出電感L≥55.3Hμ。

Buck電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)，電感L由以下公式確定：

其中，Uomax為最大輸出電壓，取18.5V(每節(jié)電池3.7V)；Dmax1為最大占空比，取18.5/24；常數(shù)k一般取0.05～1,這里取0.08；Iomax為最大輸出電流，取2A。可計(jì)算出電感L ≥ 0.67mH。

實(shí)際電感值可取2～3倍的臨界值，這里取L=1.5mH。

(3)電容1C可根據(jù)降壓模式下輸出紋波ΔUo的要求進(jìn)行計(jì)算，公式為：

其中， ΔUo≤ 1V ，經(jīng)計(jì)算，電容C1≥ 1.44μF。為了輸出更小的電壓紋波，可選取約10倍的臨界值，這里取C1= 10μF。

電容C2可根據(jù)升壓模式下輸出紋波ΔUo的要求進(jìn)行計(jì)算，公式為：

其中， ΔUo≤ 1V ，經(jīng)計(jì)算，電容C2≥ 0.39mF 。為了輸出更小的電壓紋波，可選取約10倍的臨界值[6]，這里取C2= 3mF。

3 Simulink仿真模擬

根據(jù)以上計(jì)算得到的元件參數(shù)，在Simulink中搭建雙向變換器的仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

Battery模塊設(shè)置為鋰電池，額定電壓18.5V，額定容量15A·H，初始充電狀態(tài)為50%。仿真步長設(shè)置為默認(rèn)的可變自動(dòng)步長(VariableStepAuto)。外接直流電源為一斜坡函數(shù)，從32V起線性增大至38V。仿真時(shí)間設(shè)置為10秒。

Subsystem子模塊為系統(tǒng)的控制模塊，模擬實(shí)際系統(tǒng)中的單片機(jī)。如圖5(a)所示。采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：外環(huán)為電壓環(huán)，用以調(diào)整輸出電壓使之跟隨給定；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，用以使電流的輸出快速跟隨輸入。電流內(nèi)環(huán)采用P控制器，設(shè)置為10，滿足快速性的要求，電壓外環(huán)采用PI控制器，P設(shè)置為10000，I設(shè)置為1，滿足穩(wěn)定輸出的要求。三角載波的頻率為20kHz，幅值為30V。

圖5 Subsystem子模塊

圖6 (a)～圖6(c)分別是外接直流電源電壓取32、35、38V時(shí)，負(fù)載兩端的電壓穩(wěn)定時(shí)的波形。可見基本穩(wěn)定在30V左右。

圖6 負(fù)載兩端電壓波形

4 雙向DC/DC變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在理論分析和模擬仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一臺以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心的數(shù)控雙向DC/DC變換器系統(tǒng)。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S，即25萬次/秒)，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合[7]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由雙向DC/DC變換器電路、蓄電池、負(fù)載、外接直流電源、采樣電路、半橋驅(qū)動(dòng)電路、控制核心（單片機(jī)）、顯示電路和輔助電源組成。采樣電路分為電壓采樣和電流采樣。2512/2w的精密采樣電阻接在蓄電池和地之間，用以采集母線電流。電壓采樣由OP07A芯片構(gòu)成差分放大電路，目的是將母線電流采樣電阻得到的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并進(jìn)行放大處理。蓄電池和直流電源輸入兩側(cè)的電壓采樣較為簡單，由分壓電阻分壓和電容濾波后直接送至單片機(jī)的P1.2和P1.0口。由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足，故半橋驅(qū)動(dòng)電路采用IR2104芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)80NF70場效應(yīng)管。顯示電路使用1602液晶實(shí)時(shí)顯示電壓和電流參數(shù)。輔助電源由DC-005直流電源轉(zhuǎn)接板模塊、LM7805三端穩(wěn)壓模塊和ICL7662負(fù)電源產(chǎn)生電路構(gòu)成，將市電轉(zhuǎn)換成5V、12V、-12V等電壓，給整個(gè)系統(tǒng)供電。

綜上，本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，其發(fā)生20kHz的PWM波控制自帶死區(qū)的IR2104芯片驅(qū)動(dòng)MOSFET，從而控制整個(gè)雙向DC/DC變換器電路的工作狀態(tài)。電壓和電流檢測電路采集變換器兩側(cè)的電壓和電流反饋給單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM波的占空比。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為主程序、按鍵程序和ADC中斷程序。

主程序包括初始化程序和電壓電流循環(huán)檢測兩部分。初始化程序由端口功能設(shè)置、PWM初始化、ADC初始化和液晶初始化等部分組成。初始化完成后進(jìn)入電壓電流循環(huán)檢測，檢測按鍵設(shè)置的功能狀態(tài)，計(jì)算并顯示輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。為了提高顯示精度，采集這些數(shù)據(jù)時(shí)一次采集大量數(shù)據(jù)并求取平均值，即平均濾波算法。

按鍵程序中，四個(gè)按鍵分別控制放電功能的開啟/關(guān)閉、電池充電/不充電、輸出電流增大和輸出電流減小。其中電池的充電與否是通過控制IR2104的使能進(jìn)而控制Buck電路的工作與否實(shí)現(xiàn)的。按鍵還帶有延時(shí)防抖動(dòng)，提高了控制精度。

ADC中斷程序中，執(zhí)行ADC采集并做電壓和電流的調(diào)整。采用通道輪流詢問的方法檢測輸入電壓，輸出電壓，輸出電流這3個(gè)數(shù)據(jù)。

6 系統(tǒng)測試

6.1 實(shí)物圖片

系統(tǒng)由萬用板手工焊接，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

6.2 測試結(jié)果

雙向半橋DC/DC變換器樣機(jī)測試電路如圖9所示。

圖9 測試電路

測試前將蓄電池和30Ω負(fù)載電阻接入電路。外接直流電源接在負(fù)載和5Ω電阻兩端。外接直流電源電壓在32～38V范圍內(nèi)變化。測量AB兩點(diǎn)之間即負(fù)載兩端的電壓。

測試11組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

負(fù)載兩端的電壓保持在30V左右，誤差小于1.13%。

7 結(jié)束語

針對電動(dòng)汽車電池驅(qū)動(dòng)性能較差，能量利用效率不高的問題，本文提出利用PWM波控制的雙向半橋DC/DC變換器穩(wěn)定逆變器一側(cè)的電壓，從而穩(wěn)定蓄電池的輸出，減小電機(jī)電流的紋波，改善驅(qū)動(dòng)性能。樣機(jī)通過改變外接直流電源的大小來模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)電機(jī)的不同狀態(tài)，能實(shí)時(shí)顯示電壓電流等參數(shù)，便于調(diào)測。經(jīng)過仿真模擬和實(shí)物測試后，效果良好，符合預(yù)期要求。