DC-DC特性对能量回收影响研究

周梦渊

江苏大学汽车学院 212013

DC-DC特性对能量回收影响研究

周梦渊

江苏大学汽车学院 212013

以馈能性半主动悬架系统为研究对象，研究馈能电路中DC-DC变换器对馈能性半主动悬架系统能量回收影响，搭建馈能性半主动悬架动力学模型以及馈能电路模型，试验分析了DC-DC变换器开关频率对悬架能量回收效率的影响。试验结果显示，对着开关频率的增加，超级电容能量回收先增大，后减小。

DC-DC；馈能；试验

一、前言

节能减排是目前世界最为关注的主题之一，也是国内外专家学者的研究热点。目前国内外针对车辆馈能研究主要包括发动机能量回收，制动能量回收和振动能量回收，其中悬架馈能作为振动能量回收的一个研究方向收到国内外学的重点关注。

在馈能悬架能量回收系统研究过程中，DC/DC变换器作为回收电路重要组成部分受了更多学者的关注，且其开关信号频率的大小及占空比、超级电容初始端电压等对馈能回路的效率有重要的影响。因此对DC/DC变换器工作特性的研究，有助于提高馈能回路的效率，最终达到降低车辆油耗的目的。本文基于DC/DC特性，分析其开关频率对悬架馈能效率的影响。

二、DC/DC变换器特性的理论研究

本文以Boost工作模式为对象进行介绍，其简化模型如图1所示。其中，R为电机绕组的等效内阻，UM为整流器整流后的电机输出端电压。

图1 Boost电路简化模型

假设变换器在CCM模式下工作，一个开关周期内的占空比为D，则电流平均值为：

当VF闭合时，形成闭合回路I如图2所示。

图2 闭合回路I

电感匝数:

式中：Ae为铁心的截面积；B为铁心中的磁通密度；I为一个周期内电感中的平均电流；f为开关频率；Ae和B为常数。

AW为磁芯绕组窗口面积；Ku为磁芯窗口填充系数；ρ为导线的电阻率；l为线圈每匝的长度。

三、试验研究

基于Boost型直流升压变换器，分别对恒定直流（12.923V）进行了试验研究。电阻R的值为10.4Ω，MOS管的型号为IRFP260N。超级电容端电压及驱动频率对能量回收试验的驱动电压由信号发生器提供。选用12个单体电压为2.7V，100F的超级电容串联的电容组。超级电容模式切换控制单元硬件基于dSPACE,软件ControlDesk实现与simulink的无缝衔接，将simulink控制模型直接导入dSPACE实现超级电容的模式切换控制

对占空比为30%、50%和70%三种开关信号进行了试验研究，分析了能量回收效率随开关频率增加的变化规律，为理想开关频率的选取提供了依据。直流时，超级电容的初始端电压在12.97～12.98V之间选取，不同频率点的实验时间为10s。试验结果如图11所示。

图1 能量回收与开关频率关系

随着开关频率的增加，超级电容回收能量的大小逐渐增大，在2kHz～80kHz之间保持相对稳定，80kHz后渐近线斜率小于-1，超级电容回收的能量急剧下降。考虑开关频率对电感体积的影响，以及频率在10Hz～9kHz范围内MOS管的工作噪声较大，开关频率选择20kHz。

四、结论

振动能量回收效率随开关信号频率的增大而先增大后减小，其中，最优开关频率为20kHz，该研究为悬架振动能量回收系统的设计提供了理论依据。参考文献

[1]Zhu Songye, Shen Wen-ai, Xu You-lin． Linear electromagnetic devices for vibration damping and energy harvesting: Modeling and testing[J]． Engineering Structures, 2011, 34 (34): 198–212．

[2]吴红飞,古俊银,张君君．高效率高增益Boost-Flyback 直流变换器[J]．中国电机工程学报,2011,31(24):0-45．