电动汽车用新型三电平双向DC/DC变换器的研究

王瑞妙，王明渝，陈杨裕

(重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)

以电能为主要能源的电动汽车由于其零排放、低污染、能源利用率高等特点，日益成为各国研究的重点，有望取代燃油汽车成为未来主要的交通工具之一[1]。在电动汽车的运行过程中，由于其转速范围极宽、频繁加减速，而且蓄电池的电压变化范围很大，这就需要使用双向DC/DC来稳定电机侧直流母线电压，以提高电动机的驱动性能。另外，双向DC/DC变换器可以将制动刹车时的能量转化为电能回馈给蓄电池，提高效率。同时也可以避免使用单向DC/DC变换器时出现的反向制动无法控制和变换器输出浪涌电压等不利情况。双向DC/DC变换器是整个动力系统能量流动的重要环节，也是当前研究的热点问题[2]。

目前采用较多的是两电平Buck/Boost双向变换器，它是将Buck变换器的续流二极管换成双向开关管得到两电平双向变换器。此变换器具有结构简单、可靠性强的特点，但是每个开关管承受的电压应力均为输入电压。鉴于当前的开关管电压水平，这种结构很难实现大电压下的应用，输出电压效果不明显[3]。

为了解决以上问题，本文提出一种新型三电平双向DC/DC变换器，它是在通用多电平变换器拓扑的基础上发展起来的[4-6]。对于各种不同的控制策略与负载特性，这种变换器都能够自动地平衡每一个电平，无需任何辅助电路就能实现电压自动平衡的功能，为多电平的实现提供了强有力的保障。另外，这种新型的三电平双向DC/DC变换器具有以下优点：(1)变换器在两个方向上都能实现Buck/Boost工作模式，并且升压或降压的比例可以在较大范围内连续变化，可以在一定程度上降低串联的单体蓄电池个数，从而降低了成本；(2)充分利用了多电平技术的优势，能够将低压开关管如MOSFET应用在高压场合；(3)变换器由诸多基本单位构成，理论上可以推广至任意电平，而且模块化的结构易于更换；(4)输出电压的稳定性高。

1 DC/DC变换器模型

本文所提出的变换器拓扑结构是基于通用型多电平变换器拓扑。通用型多电平变换器中的开关管需要按照一定的规则开关工作，才可以得到所需的输出电压，同时能够自动平衡变换器中各个箝位电容两端的电压，所要遵照的开关规则如下：

(1)每个开关臂对于其他开关臂而言都是独立开关工作的。

(2)每个开关臂上任意相邻2个开关管的开关状态在任意时刻都是相反的。

(3)由规则(2)可以推出，在某一个固定时刻t，若已知某一开关管的开关状态，那么这个开关臂中其他开关管的状态也就唯一确定了。

将给定的输入电压Uin加在端口U2上， 当开关状态的模时，端口U1上的输出电平为(电平数为M)：

同样，可以在端口U1上施加输入电压Uin，依据相同理论分析得到输出端U2的电压为：

但是此时要注意 n的取值只能为1、2、3，不能为 0。

由以上公式分析可见，一种输出电压可以对应多个开关状态。当控制在同一种输出电平所对应的那几种开关状态之间切换时，就能够保证在输出电压不变的同时，自动平衡各个箝位电容两端的电压。由于开关管都是双向开关，相并联的电容能够通过相互充放电而保持其两端电压的一致性。将给定的输入电压Uin加在端口U2，则 U1为输出端，同时有 UC21=UC22=Uin/2。分析中假设每个开关状态都能够持续足够的时间，以保证所有箝位电容完成相互间的充放电，则每种输出电平对应的开关管状态以及箝位电容电压如表1所示。

表1 不同开关状态对应的输出电压以及箝位电容电压

此理论可以推广到任意电平的变换器，实现箝位电容电压的自动平衡。同时能够保证所有开关管、箝位电容、反并联二极管上所承受的电压不会超过输入电压的1/(M-1)。

这种结构的变换器电压只能整数倍于输入电压变化，输出最大为2倍输入电压，升降压比例小，不适合大电压下的应用。为了解决上述问题，提出了一种新的结构，不仅可以使能量双向流动，还可以在一个方向上同时实现Buck/Boost。对开关管进行PWM控制，可以实现电压的连续变化。通过不同的控制策略，还可以实现大升降压比。新型三电平双向DC/DC变换器的结构如图1所示。

图1 新型三电平双向DC/DC变换器

新型的结构就是将2个完全相同的模块通过电感背靠背的连接起来，加电感的目的是为了降低电路中的冲击，防止电流瞬时过大，损坏各个器件。这个结构完全对称，从而也使得控制策略也比较灵活。

2 变换器特性分析

2.1 工作原理

图1所示的新型三电平双向 DC/DC变换器中，S11、S12、S13、S14、S21、S22、S31、S32、S41、S42、S43、S44均 为 开 关 管 ， 且每个开关管都有1个箝位二极管与之并联，其开关规则遵循三电平通用型变换器的开关规则。 C12、C21、C31、C41、C42为箝位电容，在开关管截止时将其电压箝位在一个恒定值，从而保证输出电压的稳定。

变换器正向工作时，对开关臂1、开关臂2施加频率相同、占空比也相同的PWM控制信号，不同之处就是开关臂2的控制信号比开关臂1的控制信号要超前2πD相位。若开关臂1和开关臂2的控制信号都是频率为1/T、占空比为D1的PWM信号，控制信号如图2所示。占空比不同时，每种开关状态持续的时间不同，其中：占空比 D1＜0.5 时，t1=(1-2D1)T，t2=D1T，t3=D1T； 占空比 D1≥0.5 时，t1=(1-D1)T，t2=(2D1-1)T，t3=(1-D1)T。每种开关状态下的输出电压如表1所示，则电感左端电压UL1的平均值为：

由此可见，无论何种占空比，输入与输出电压之间总是存在关系：

对关臂 3、开关臂4施以频率相同但占空比为 D2的PWM信号，同样地可推导出电感右端的电压与输出电压之间的关系。其中：占空比 D2＜0.5时，t1=(1-2D2)T，t2=D2T，t3=D2T； 占空比 D2≥0.5 时，t1=(1-D2)T，t2=(2D2-1)T，t3=(1-D2)T。每种开关状态下的输出电压如表1所示，则电感右端电压UL2的平均值为：

占空比 D2≥0.5时：

又因为在一个周期内，储能电感L左右两端的平均电压可以近似相等，则推导出变换器输出电压和输入电压间的关系为：

2.2 控制策略

电动汽车蓄电池在运行过程中，由于放电过程蓄电池自身的物理特性变化，使得其电压会随着汽车的运行而降低。为了使电机及各个辅助设备不受电压变化的影响，就要对蓄电池输出电压进行控制，稳定输出电压。

若采用开环控制，则会发现输出电压的抗干扰性不强，在遇到输入电压波动时，输出电压不能维持恒定。为了解决这个问题，对此变换器进行闭环控制，即将输出电压反馈回输入端，经过一定的PI调节和比较，再将信号送到开关管的控制端，对开关管进行PWM控制，从而使输出电压跟随给定值变化，实现对整个系统的控制。PI控制的表达式为：

其中，kp为比例系数，ki为积分常数。kp的增加可以加快系统响应，提高系统的动态性能。在有静差的情况下，有利于减小静差。但是过大的kp会使系统的稳定性变差，产生较大的超调，甚至使系统不稳定。ki的增加可以加快消除系统静差，改善系统的稳态性能。故而常用比例积分控制规律，使系统的稳态性能和动态性能都满足要求。控制原理如图3所示。

由于结构的对称性，变换器反向工作时，只需要直接将原来加到开关臂1、开关臂2上的脉冲信号加到开关臂3、开关臂4上，同时反馈采用电流控制，就可以实现同样的控制效果。

3 仿真验证

由于蓄电池在电动汽车运行过程中，其电压变换范围很大，本文仅对变换器稳定输出电压的特性即其正向特性进行仿真验证。仿真参数：箝位电容C11=C12=C21=C31=C41=C42=680 μF，电感 L=0.01 mH，开关频率为 f=20 kHz。

正常工作时，蓄电池电压不稳定，单体2 V电池工作电压范围为：2.2 V～1.8 V(蓄电池终止电压与放电电流大小及放电深度有关)，12 V电池的变化范围以 2.4 V/格为单位。于是对于额定电压48 V的蓄电池，工作电压变化范围为57.6 V～38.4 V。考虑实际情况后电压取值范围为54 V～42 V。设定变换器的最大交换功率为3 kW，直流母线侧最大电压为300 V。由于实际蓄电池电压变化情况复杂，本仿真采取突降电压来模拟电池电压降低的情况、观察输出电压波形、开关管电压波形以及箝位电容电压波形。

图4所示，输入电压额定值为 48 V，输出电压额定值为300 V。当输入电压从54 V跳变到42 V时，电压变化为12 V；反应到输出侧时，输出电压变化为：

本文的变换器输出电压变化只有0.38 V，认为保持恒定，如表2所示。由此可见，本文提出的变换器大大稳定了输出电压，保证直流母线电压的稳定，可以显著改善电机的驱动性能。当输入电压从54 V跳变到42 V时，电压变化为12 V。反应到输出侧时，箝位电容以及开关管电压变化：

表2 输入电压扰动时，各个电压变化

同样通过图5、图6所示，可以验证箝位电容以及开关管电压变化仅为0.27 V、0.19 V，显然大大消除了输入电压波动对开关管的影响。

图5 箝位电容电压

通过以上仿真可见，此三电平变换器降低了开关管以及箝位电容上承受的电压水平，为大电压下的应用提供了有力的保证。

本文提出了适用于蓄电池电压变化范围大的电动汽车系统的三电平双向DC/DC变换器，与一般的两电平双向变换器相比，其输出电压稳定性较好，开关管等器件的电压应力小，模块化结构易于替换。分析了此变换器的工作原理、控制策略，并对其进行了仿真实验，验证了理论的正确性。

图6 开关管电压

[1]崔萌佳，戴永年，姚耀春，等.电动汽车用动力电池的研究概况[N].昆明理工大学学报，2004，29(6)：122-126.

[2]王兴媛，齐铂金，汪殿龙，等.燃料电池车用大功率DC/DC控制系统的研究[J].电力电子技术，2008，42(4).

[3]严仰光.双向直流变换器[M].南京：江苏科学技术出版社，2004.

[4]ZHANG F，DU L，PENG F Z，et al.A new design method for High-Power High-Efficiency switched-capacitor DC-DC converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2008，23(2).

[5]Miaosen Shen，Fang Zheng Peng，Leon M.Tolbert.Multilevel DC-DC power conversion system with multiple DC sources[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2008，23(1).

[6]PENG F Z.A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(2)：611-618.