基于CCM 模式PFC 的液壓混動車用BOOST 變換器性能分析

習璐

（咸陽職業技術學院 汽車工程學院，咸陽 712000）

引言

隨著汽車工業技術的快速發展，涌現出和傳統汽車動力驅動形式不一樣的諸多汽車類型，而且發展的非常好，純電動汽車、混合動力汽車、增程式汽車等[1]。液壓混合動力汽車是一種驅動系統由車輛原有驅動系統和液壓車輔助驅動單元構成的車輛，其驅動系統的部件更為復雜，動力電池作為其主要的驅動源，能夠對其進行外部和內部充電，因此具有高功率和高效率的車載充電機是其能源轉換的重要橋梁。

具備PFC 電路的車用BOOST 變換器充電機可以將制動回收的能量轉換為電能存儲在動力電池中，可以提高整車的續駛里程，與此同時，也可以減緩電網的超高負荷，對不同時段的電網進行削峰填谷的均衡作用[2]。為此，對于PFC 車載BOOST 變換器充電機的性能和穩定性控制研究一直是熱點和難點，其中，文獻[3] 研究液壓Boost 變換器驅動液壓缸的雙向運動特性，通過調節PWM 信號的占空比可以控制液壓缸的運動速度，并且在AMESim仿真環境中驗證了液壓缸可以在兩個方向運動，Boost 變換器的輸出壓力要高于系統的供應壓力；文獻[4]設計了一臺多功能的車載充電機樣機，輸入為單相交流市電,采用AC-DC 和DC-DC 相結合的電路結構，利用DSP 進行控制，通過與定制的BMS 結合所做的充電實驗，實驗結果表明車載充電機能夠滿足快速提供能量充電的需求。本文以液壓混合動力汽車的車載BOOST 變換器充電機為研究對象，在液壓混動車輛的系統結構和車載BOOST 變換器電路原理基礎上對變換器的性能進行性能分析，為了能夠得到更為詳細的性能分析結果，利用硬件在環試驗臺進行了輸出功率等性能試驗，最后試驗結果表明在恒流模式下的具備PFC 的車載BOOST 變換器具有良好的性能輸出。

1 液壓混動車輛系統結構

液壓混合動力汽車是一種液壓輔助、發動機和動力電池聯合驅動的高度集成化汽車，其底盤域驅動系統主要由發動機、變速箱、動力電池、驅動電機、車載變換器、電機控制器以及液壓輔助裝置等構成。不同的驅動源會根據不同的駕駛工況功率需求進行切換[5]。

液壓混合動力汽車會頻繁處于制動狀態中，當車輛處于制動狀態時，液壓輔助系統為車輛提供制動轉矩，并將車輛的慣性能轉換成液壓能，利用低壓蓄能器中的液體以高壓的形式存儲到高壓蓄能器中；當車輛爬坡或者大功率需求，液壓輔助驅動系統和動力電池、驅動電機以及發動機經過動力耦合裝置共同驅動車輛，以平衡發動機的功率，增加整車的輸出功率，從而實現快速的驅動車輛[6-7]。在這個車輛的驅動期間，動力電池提供了足夠的動力，為了提升整車的續駛里程，車載充電機BOOST 變換器變得尤為重要，能夠實現實時的充電，將車輛的相關剩余能量存儲在動力電池中，具有高效率高功率的車載BOOST 變換器在整個液壓混合動力車輛驅動系統中是非常重要的部件，其整體的驅動系統結構如圖1 所示。

圖1 液壓混動車輛驅動系統結構

2 BOOST 變換器拓撲結構重構

液壓混合動力車輛車載BOOST 變換器是一種快速實現多種方式對車載電池進行充電的重要部件。通常具有前級和后級的車載BOOST 變換器輸入電壓經過濾波后功率校正，減小前級輸出的電壓紋波，后級進行輸出電壓的調整，將輸出電壓實時變換為動力電池所需的充電功率。其內部的功能模塊大致分為EMI 濾波、功率因數校正電路、DCDC 電路、采集電路和PWM 驅動電路[8]。

具有有源PFC 電路拓撲結構的車載BOOST 變換器能夠在最大程度上削減高頻電流的諧波，提升整個功率輸出的質量，在后級DCDC 拓撲結構中，通過對有源電路器件進行邏輯關斷和開通實現車載動力電池的充電，如圖2 所示。

圖2 車載BOOST 變換器PFC 拓撲結構

通過對液壓混動車輛的車載BOOST 變換器拓撲重構后，針對連續導通模式CCM 下的電流控制在充電需求是峰值狀態時，在[Te, Ts]通斷時間內，通過調整功率因數的大小和MOS 管的關斷，將峰值電感電流進行減小后，進入第二象限 Sr→ St的控制； 進入第二象限后，MOS管處于關斷的狀態，隨之進行滯環控制，將電感電流進行分下調，和MOS 管開通閾值進行邏輯判斷，當電感電流下降到閾值時開啟MOS 管，實現滯環控制，提升電流響應能力，進入第四象限控制，在整個[Tk, Ts]通斷周期內，調節后級參數配置，實時地配置車載動力電池的需求電壓，實現動態控制，輸出穩定的電壓，如圖3 所示。

圖3 車載BOOST 變換器MOS 動態控制

3 功率性能分析

液壓混合動力車輛的車載BOOST 變換器是一種在復雜工況下運行的多態變化的充電設備，其內部的功能是由不同的模塊構成，模塊之間通過硬線、SPI、CAN 總線、集成電路等進行信息交互，對不同模塊的單元進行集成化分析，調整不同的配置參數來分析整個車載BOOST 變換器的功率性能[9]。

單元集成化分析將車載BOOST 變換器進行階段間隔和模式變換，對不同的負載狀態、MOS 關斷/閉合以及調制電壓等級進行設置，然后觀測輸出電壓和調制電壓的質量比性能，性能觀測數學描述如下所示，車載BOOST 變換器狀態分析如圖4 所示。

式中：

hmi,φri, Md,Kd—模式節點質量比性能、斜率、校準系數；

Δmti, Ts,c0—負載增益壓差比重、修正因數、擾動系數；

T0, Hc, Mti, H0,σri—積分器初始值、載波信號固有斜率、下降斜率以及瞬時關斷系數。

通過在電路模擬環境中對車載BOOST 進行性能計算仿真可以看出，在負載擾動系數區間，開關頻率遠大于工頻，將整個車載充電的負載設置為恒定狀態，MOS 管導通后，輸出的電壓能夠快速的響應，調制電壓下降后進行轉置后，提升整個車載充電系統的功率。輸出的動力電池所需電壓趨于穩定化，隨后進行MOS 關斷，電壓瞬間下降，在負載擾動抑制后，通過對檢測電流進行KB校準后，采用PI 調節算法[10]進行輸出電壓的穩定性控制，能夠從圖5 準確的看出整個車載BOOST 變換器具有迅速的動態響應能力和輸出穩定的充電電壓，實現液壓混動車輛的高效充電。

圖5 PFC BOOST 變換器電壓特性

4 試驗分析

為了驗證所設計的液壓混動車用BOOST 變換器性能在CCM 模式下的性能，利用可變工況模擬性能實驗環境進行性能實驗驗證，主要由可變工況模擬裝置、車載BOOST 變換器充電機、可編程電子負載設備、標定工具以及數采設備構成，主要對CCM 模式下功率解耦后的BOOST 變換器輸出電壓和解耦電壓壓差性能進行考察，實驗環境和實驗結果如圖6～8 所示。

圖6 車載BOOST 變換器性能實驗環境

對液壓混合動力車載BOOST 變換器進行了長周期的輸出電壓性能試驗，其中，圖7 的試驗結果表明在初始階段動力電池的需求電壓較小，隨著調制電壓的上升以及負載的增加，輸出電壓達到了302.27 V；從圖8 壓差的性能試驗結果可以看出，壓差控制在了理想的范圍內，整體的輸出電壓動態響應能力較強，整個系統是穩定可靠的。

圖7 車載BOOST 變換器輸出電壓

圖8 車載BOOST 變換器輸出電壓壓差

5 總結

液壓混合動力車輛的BOOST 變換器是實現車載充電重要部件，其穩定性控制一直是關鍵的一環。本文在液壓混動車輛的系統結構和車載BOOST 變換器電路原理上對拓撲結構進行了重構，利用集成化的性能分析方法對車載BOOST 變換器進行性能分析，結合無模型動態功率控制方法進行輸出功率的性能優化，最后在車載BOOST變換器硬件在環試驗環境中驗證了控制方法的可靠性，為往后更為復雜工況下的工程實踐提供實際參考意義。