基于混合动力公交平台的DC-DC双向电源的设计

王 锐，阮 会，石灵丹

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

基于混合动力公交平台的DC-DC双向电源的设计

王 锐，阮 会，石灵丹

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文主要介绍DC-DC双向电源在混合动力公交的应用，文中分别介绍了混合动力公交的动力组成、DC-DC双向电源原理结构图，DC-DC双向电源控制策略。实际运行结果表明：设备能够满足混合动力公交设计的要求，等效成本低，控制频率高，响应速度快，纹波小，噪声低，高效节能，具有很好的应用前景。

DC-DC双向电源 混合动力公交 并联移相

0 引言

近年来，随着能源和环境问题的日益突出，很多厂家在纯电动和混合动力汽车投入了大量的研发力量，相关的电力电子产品日益发展，竞争激烈。纯电动汽车由于电池储能不足，循环寿命较短，成本高依然是制约其发展的瓶颈。混合动力汽车作为一种内燃机和纯电动车的过渡，其效率高，经济性好，改善了燃油经济性，减少了排放，是一个值得研究和发展的领域。针对公交和大巴等大功率汽车混动系统，我们研制了高压大功率DC-DC双向电源用于电池组与超级电容之间的能量交换，在特定情况下可由电池组与超级电容共同为电机驱动器提供能量，也可以在特定情况下由电池组吸收超级电容回馈的能量，以满足混合动力汽车在不同工况下的动力需求，达到高效节能、延长电池组寿命的目的[1]。

目前关于混合动力公交大巴（主动力是柴油机动力），工作方式主要也是两种形式：一是不带DC-DC双向电源产品，当需要电力投切时，直接将电池电源投切到电机控制器驱动电机。二是加入DC-DC双向电源产品，逆变器直流侧是靠超级电容提供能量，电容电压下降到一定值，电池组通过DC-DC双向电源给电容补充电。第一种工作方式电池的数量和容量需要较大，电池输出特性偏软，输出电压不稳定，需要反复充放电，寿命会大大降低，成本太高。第二种形式可以很好弥补第一种形式缺点，通过超级电容间接提供能量，其动力性能也得到提高，另外电池组可以很好吸收和释放多余的能量，电池组和超级电容需要通过一套DC-DC双向电源设备控制。如图1所示，DC-DC双向电源包括共模电感L1，功率控制单元IGBT1、IGBT2，及采样、驱动单元，控制器采用TI公司TMS320F2812DSP芯片，电源后级接电机驱动器和牵引电机M，电机M通过变速箱及轴系与发动机相连[2]。

图1 混合动力公交动力构成拓扑结构图

图2 DC-DC双向电源允许短时大电流拓扑结构图

1 DC-DC双向电源原理结构图

DC-DC双向电源是能量传输部件，需要满足转换效率高的要求，以便提高能源利用率，并且具有良好的动态调节能力。为了提高电动汽车功率密度比，需要电动汽车各部件体积小，重量轻，以提高电动汽车的运输能力，使其更有实用价值，因而DC-DC双向电源要满足体积小，重量轻的要求。电源拓扑结构分为隔离型和非隔离型，本设计DC-DC双向电源采用的是非隔离型拓扑结构，采用Buck-Boost电路形式。当能量从右边超级电容C流向左边电池组E时是BUCK拓扑结构；当能量从左边电池组E流向右面超级电容C时是BOOST拓扑结构。该拓扑结构在工作时候，上下两个管子互补导通，并且在导通和关断时都有一定的死区，以防止上下两个管子同时导通[3]。超级电容电压在正常范围时，DC-DC双向电源处于休眠状态，电池组不输出电流；当电机负荷过重时，就会造成超级电容电压急速下降，电池组通过DC-DC双向电源给超级电容充电；当电机处于能量回馈状态时，就会造成超级电容电压急速上升，超级电容通过DC-DC电源给电池组充电，达到能量回收的目的。电流接受车载控制器的控制，双向移动，并且大小可控。

图1中，设备输出功大约30KW，电池组电压工作区间200～300 V，超级电容电压工作范围400～600 V。当公交车上坡或负载较大时，开始启动混动工作模式，超级电容电压很快降低，当电压降到一定值时，电池组通过DC-DC电源工作，用恒流或恒功率模式快速给超级电容补充电能，超级电容电压上升，当上升到一定值时，DC-DC电源停止工作，处于休眠状态。同理，当公交车下坡或者制动时，超级电容电压上升，当电容电压上升到一定值时，DC-DC电源工作，超级电容给电池组充电，将能量回收到电池组，超级电容电压降低，当降低到一定值，DC-DC电源停止工作，处于休眠状态。如此反复，使超级电容电压维持在一个区间（始终大于电池组电压），实现了DC-DC双向电源在混合动力公交平台的应用。

混合动力公交在实际运行过程中情况复杂，极端情况下如果牵引电机的突加超重负载或者超级电容电压突然出现故障，使得超级电容电压接近或低于电池组电压，当汽车控制器未及时保护时，可能出现大电流直接通过IGBT续流二极管不受控制，电流如果达到IGBT设计的极限值，就会损坏IGBT。根据此我们在上面结构上，在电池组和正极母排并联一个二极管D1，当电压平台接近时，大电流可以直接通过二极管D1，保护IGBT，如图2所示[4]。

图1中，由于设计功率是30 kW，电池组输出电流100 A。实际工作中，如果混合动力系统要达到更快的响应的速度，电流可能需要达到200 A、300 A，可以将两路IGBT输出变成了四路输出如图3所示，其中共模电感L1和L2分别并联移相半个周期，实现既稳定性好又动态响应快的要求[5]。

图3 DC-DC双向电源4路并联拓扑结构图

2 DC-DC双向电源控制策略

2.1 客户期望的控制流程如图4所示

图4 客户需求的控制流程

2.2 电池组辅助供电的控制流程如图5所示

2.3 能量回收的控制流程如图6所示

3 结论

本设计的关键技术在于通过中间超级电容反复充放电，给电机提供能量，并且能够将能量回收到电池组，避免直接用电池组提供能量，造成电池组损耗太快。设备采用先进的IGBT控制技术，具有控制精度高、响应及转换时间快、电流电压纹波小等特点。采用移相控制技术，电流纹波减小，等效频率提高了一倍，噪音低，电源的温升大幅降低[6]。其主要性能指标能满足系统的要求，电流的响应时间和转换时间如图7、8所示为33.6 ms、65.6 ms，电流、电压纹波峰峰值如图9、10所示为640 mA、1.04 V，小于1%满量程，达到国内领先水平。通过系统调试和试运行阶段的试验数据，针对能量控制逻辑、功率分配和动力蓄电池组的科学使用方法等关键问题，可以进行进一步优化，适合在新能源混合动力汽车中推广和应用。

图5 电池组辅助供电的控制流程

图6 能量回收的控制流程

图7 电流响应时间

图8 电流转换时间

图9 电流纹波

图10 电压纹波

[1] 冯柳鑫. 5kW混合动力汽车用双向DC/DC变换器的设计[D]. 浙江大学, 2014.

[2] 陶钧炳等. 一种新的混合动力车双向DC-DC拓扑[J]. 机电工程, 2010, 27（7）： 97-99.

[3] 郭朋飞. 基于DSP的双向DC/DC变换器的研究[D].广东工业大学, 2012.

[4] 王兆安. 电力电子技术[M]. 北京： 机械工业出版社, 2013： 119-184.

[5] 景中炤, 黄熙. 一种双相结构的同步Buck DC/DC变换器[J]. 电力自动化设备, 2010, 30（2）：113-116.

[6] 屈克庆. 基于载波移相技术的PWM多重化整流器[J]. 上海电力学院学报, 2008, 24（3）： 283-285.

Design of DC-DC Bidirectional Power Supply for Hybrid Electric Bus

Wang Rui, Ruan Hui, Shi Lingdan

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

This paper mainly introduces the application of DC-DC bidirectional power supply to the hybrid electric bus. It introduces the composition of hybrid electric bus power, the schematic diagram of DC-DC bidirectional power supply, and the control strategy of DC-DC bidirectional power supply. The actual operation results show that the equipment can meet the design requirements of hybrid electric bus, which has the advantage of low equivalent cost, high control frequency, fast response speed, small ripple, low noise, and so on which has good application prospect.

DC-DC bidirectional power supply; hybrid electric bus; parallel phase shift

TM561

A

1003-4862（2016）12-0018-04

2016-05-18

王锐(1985-)，男，工程师，硕士。专业方向：电力电子。