基于新能源汽車?yán)m(xù)航和動(dòng)力性提升的雙向DC-DC設(shè)計(jì)

作者/杭孟荀，沙文瀚，李慶國(guó)(奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002)

　　摘要：本文介紹了一種新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用升壓雙向DC-DC，該DC-DC采用交錯(cuò)并聯(lián)雙向BOOST/BUCK拓?fù)潆娐罚ㄟ^(guò)數(shù)字DSP芯片實(shí)現(xiàn)電源能量的雙向傳遞及輸出電壓的優(yōu)化控制。傳統(tǒng)新能源汽車在一些工況下因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)母線電壓波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出性能，雙向DC-DC可以提供給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，另外根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作特性優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓供應(yīng)，從而提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率、扭矩和功率輸出能力并且降低PMSM電機(jī)高速下弱磁程度，從而有效提升了整車的續(xù)航里程、整車動(dòng)力性及可靠性。

　　關(guān)鍵詞：雙向DC-DC;交錯(cuò)并聯(lián);續(xù)航里程;整車動(dòng)力性;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　0 引言

　　近年新能源汽車的產(chǎn)銷量得到迅速增長(zhǎng)，尤其我國(guó)的產(chǎn)銷量已經(jīng)成為世界第一，人們對(duì)新能源汽車的接受程度也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)品性能也得到了極大提升，不過(guò)整車能耗這一指標(biāo)跟國(guó)外比較還有一定的差距，整車能耗高將極大影響整車的續(xù)航里程，也不利于新能源汽車的進(jìn)一步普及。為此國(guó)家出臺(tái)了一些政策引導(dǎo)整車企業(yè)關(guān)注整車能耗，鼓勵(lì)加強(qiáng)技術(shù)能力提升并開(kāi)發(fā)出能耗更小的整車。

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為整車使用能量比例最大的零部件，其工作效率的提升對(duì)整車降能耗貢獻(xiàn)最大，根據(jù)整車對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景可以將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外特性分為三個(gè)工作區(qū)，如圖1所示。城市工況作為常用工況，其對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是小扭矩區(qū)長(zhǎng)時(shí)間工作，對(duì)應(yīng)圖1中的效率區(qū)，該區(qū)域也是NEDC工況最常用區(qū)域，通常此區(qū)域的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率偏低。再者圖1中A為扭矩拐點(diǎn)，其值較小或?qū)?yīng)轉(zhuǎn)速偏低將影響整車的爬坡性能和加速性能，A點(diǎn)之后電機(jī)將進(jìn)入恒功率弱磁區(qū)，因弱磁電流的作用也會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率降低并且在弱磁電流作用下電機(jī)輸出扭矩下降，這樣也會(huì)導(dǎo)致整車在高速行駛時(shí)的動(dòng)力性下降問(wèn)題。

　　目前電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)之一是高轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的益處是電機(jī)可以小型化，不過(guò)在動(dòng)力電池電壓范圍沒(méi)有變化的情況下，更高轉(zhuǎn)速區(qū)的效率偏低，影響了整車高速行駛里程。另外常規(guī)新能源汽車動(dòng)力電池電直接供電機(jī)控制器和電機(jī)使用，在猛踩油門(mén)時(shí)會(huì)出現(xiàn)母線電壓因瞬間大電流在母線寄生電感作用下較大電壓跌落的現(xiàn)象，這種情況下會(huì)影響整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出性能。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用非隔離升降壓雙向DC-DC給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定且電壓可調(diào)的電源供應(yīng)，以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效運(yùn)行和輸出扭矩更大為目標(biāo)，調(diào)整DC-DC的輸出電壓值，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的工作性能優(yōu)化，提高了整車的續(xù)航里程和動(dòng)力性能，另外升壓后電機(jī)高速運(yùn)行區(qū)域弱磁程度降低，降低了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼長(zhǎng)期運(yùn)行退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

　　1 不同電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能影響

　　通過(guò)電機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)同一款電機(jī)分別在不同電壓下的輸出外特性圖，從中挑出有代表性的340 V、540 V和750 V三個(gè)電壓下的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出外特性圖，如圖2所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入電壓升高則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效區(qū)面積占比增大尤其高速弱磁區(qū)效率會(huì)明細(xì)改善，不過(guò)輸入直流電壓偏低時(shí)則在小扭矩效率區(qū)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率會(huì)有所改善。提取相同扭矩和轉(zhuǎn)速下不同電壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高效率合并為一個(gè)系統(tǒng)外特性圖，可以見(jiàn)其高效區(qū)占比面積由340 V下的89.9649%提升到95.6227%，又因非隔離雙向DC-DC效率很高，整合后的效率區(qū)可以滿足整車不同工況下整車的續(xù)航里程的提升。

　　從圖2還可以看出隨著電壓升高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速區(qū)扭矩更大且輸出功率更大，這樣有利于提升整車高速行駛的加速性能和最高車速。

　　2 雙向DC-DC主電路設(shè)計(jì)

　　本文雙向DC-DC采用交錯(cuò)并聯(lián)電路，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池升壓后供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用，也可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量回饋電壓降壓后給動(dòng)力電池充電，其拓?fù)鋱D如圖3所示。交錯(cuò)并聯(lián)電路將主功率電路分為兩路，其優(yōu)點(diǎn)一為紋波電壓、電流更小且紋波頻率更高，則輸入和輸出側(cè)的電容容值、體積更小，其優(yōu)點(diǎn)二為電流分為兩路使上功率電路上的損耗和電感上的交流損耗更低。

　　本文設(shè)計(jì)一款交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器，其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如下：

　　變換器功率電路由兩路并聯(lián)組成，按單路電流為總電流的一半來(lái)設(shè)計(jì)單路功率電路的器件參數(shù)?？紤]到DCM模式下的開(kāi)關(guān)管內(nèi)的峰值電流更大，更大的電流導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損耗更大且選型容量更大的開(kāi)關(guān)管也會(huì)增加成本，另外更大的峰值電流也會(huì)帶來(lái)更大的EMC問(wèn)題，因此本文選擇CCM模式來(lái)設(shè)計(jì)主功率器件參數(shù)，考慮到開(kāi)關(guān)器件及輸入電壓范圍計(jì)算最小電感公式如下：

　　式式中DIL按電感平均電流的40%計(jì)算，電感平均電流按輸入平均電流的一半計(jì)算，因動(dòng)力電池的電壓是300 V~410 V這個(gè)范圍，根據(jù)公式1畫(huà)出電感L與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示，從而B(niǎo)OOST在輸入電壓最大時(shí)對(duì)應(yīng)的電感最大值為L(zhǎng)boost=200.5 mH，BUCK在最大輸出電壓處對(duì)應(yīng)的最大電感為L(zhǎng)buck=200.5 mH，綜合考慮選取單獨(dú)電感的電感值為L(zhǎng)1=L2=200mH。

　　根據(jù)電感電流紋波全部流入電容產(chǎn)生的輸出電壓脈動(dòng)可以計(jì)算出所需電容大小，又因兩相交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涫沽魅腚娙莸碾娏黝l率為常規(guī)BUCK/BOOST拓?fù)涞膬杀?，從而可以獲得輸入和輸出側(cè)電容的計(jì)算公式如下所示：

　　上式中R為升壓輸出側(cè)等效電阻值，變換器兩側(cè)紋波電壓為兩側(cè)電壓的1%設(shè)計(jì)，根據(jù)上述可知C2=253.3 mH，C1=48.85 mH，考慮到ESR的影響，實(shí)際選擇C2=470 mH，C1=100 mH，以保證紋波電壓目標(biāo)達(dá)成。

　　3 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

　　考慮到實(shí)際數(shù)字控制中ADC采樣保持和PWM更新延遲的影響，在做系統(tǒng)仿真中增加采樣保持和延遲環(huán)節(jié)，從而使仿真結(jié)果更加接近真實(shí)結(jié)果。整個(gè)控制系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用兩路電流環(huán)，外環(huán)采用電壓環(huán)控制，雙環(huán)控制比單環(huán)控制在動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能方面均有改善且具有均流和限流功能，從而提高了性能和可靠性。

　　使用PSIM里的SWEEP功能，在BOOST穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)注入小信號(hào)，通過(guò)輸出端口觀測(cè)小信號(hào)對(duì)輸出的影響可以掃描出系統(tǒng)的bode圖。根據(jù)bode圖有針對(duì)性的設(shè)計(jì)出PI補(bǔ)償器，然后通過(guò)SWEEP功能掃描出補(bǔ)償后的bode圖，從圖中可以看出補(bǔ)償后開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相角余量在49.3°，幅值余量為-46.7 dB，截止頻率為2.79 kHz。

　　接下來(lái)進(jìn)行外環(huán)電壓環(huán)設(shè)計(jì)，類似電流環(huán)設(shè)計(jì)，使用SWEEP掃描功能設(shè)計(jì)出電壓環(huán)PI控制器，具體如下圖所示，電壓環(huán)PI補(bǔ)償后整個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相角余量為48.6°，幅值余量為-43.3 dB，截止頻率為 703 Hz。

　　4 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

　　升壓交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器滿載95 kW輸出系統(tǒng)仿真波形如下圖所示，其輸出電壓平均值為 750 V，電壓紋波在2 V左右，電流紋波約45 A，仿真結(jié)果較優(yōu)。

　　升壓BOOST帶半載47.5 kW啟動(dòng)，變換器輸出電壓穩(wěn)定后帶突加載到滿載95 kW及突減載至 47.5 kW，系統(tǒng)仿真波形如下，由波形可知突加減載變換器的負(fù)載調(diào)整率為，另外由圖7可知變換器突加減載其恢復(fù)穩(wěn)定電壓時(shí)間為2 ms。

　　4 結(jié)論

　　新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其能耗、輸出功率、扭矩及弱磁程度跟其輸入電壓有很大關(guān)系，電壓升高后會(huì)使這四方面性能有很大提升。升壓總體會(huì)對(duì)降能耗有很大改善，但在小扭矩且中低轉(zhuǎn)速區(qū)低電壓比高電壓總體能耗更低，結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的以上工作特性以及整車運(yùn)行工況，通過(guò)雙向DC-DC給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供合適的電壓，以便驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直工作在性能較好的區(qū)域，從而提升了整車的動(dòng)力性、耗電經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

　　本文根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)了一款交錯(cuò)并聯(lián)BOOST/BUCK變換器，此變換器采用電壓和電流環(huán)雙環(huán)控制，其內(nèi)部電流環(huán)采用兩路電流環(huán)獨(dú)立控制，通過(guò)PSIM仿真驗(yàn)證，其升壓輸出的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能均滿足需求。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　杭孟荀，碩士，奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，曾任奇瑞新能源DC-DC電源產(chǎn)品主管設(shè)計(jì)師，現(xiàn)任奇瑞新能源電驅(qū)系統(tǒng)經(jīng)理

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第29頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處