电动车用双向能量变换系统用集成电感的有限元仿真分析

2018-08-07李启国夏铸亮梁灵威赵小坤

机电工程技术 2018年7期

李启国，夏铸亮，梁灵威，赵小坤

（广汽集团汽车工程研究院，广东广州 510640）

0 引言

在能源互联网背景下，电动汽车不仅是交通工具，也是一种具有移动性和分散性特点的互联网能量源，电动汽车与电力网连接既可以存储来源于电网的能量，也可以向电网释放能量[1]。

电动汽车与电力网之间的能量交换需要具有双向性流动的特点，本文介绍的电动车用双向能量变换系统主要包括三部分：逆变驱动部分、充放电部分和双向直流DCDC；充放电和逆变驱动中部分器件在不同模式下共用，双向直流DCDC和充放电部分的电感采用集成设计，采用这种设计思想可以提高此双向变换系统装置的功率密度、减小体积、减轻重量。

1 双向能量变换装置

双向能量变换装置主要由双向DC-DC和双向DC-AC变换器组成，可工作于电机驱动、充电、放电三种模式下，其拓扑图如图1。

图1 双向能量变换系统拓扑

1.1 电机驱动模式

电机驱动模式也是此变换系统的主要工作模式，双向DCDC工作于BOOST升压模式，S8为PWM驱动状态，其反并联二极管不工作，S7为开路状态，其反并联二极管提供续流通路；与电感连接的继电器K1、K2、K3断开，与电机交流输入连接的继电器K4、K5、K6闭合，高压直流母线经过S1-S6（IGBT模块）逆变输出交流给电机供电，从而驱动车辆前进。

1.2 放电模式

放电模式下，双向DCDC工作于BOOST升压模式，S8为PWM驱动状态，其反并联二极管不工作，S7为开路状态，其反并联二极管提供续流通路；与电感连接的继电器K1、K2、K3闭合，与电机交流输入连接的继电器K4、K5、K6断开，高压直流母线经过S1-S6（IGBT模块）逆变输出交流电压，此交流电压的负载可为电网或者用电负载，如果连接为电网负载，则电动汽车对电网放电。如果连接为用电负载，则可提供离线的持续供电，不再受制于配电网不能达到地方。

1.3 充电模式

充电模式下，双向DCDC工作于BUCK降压模式，S7为PWM驱动状态，其反并联二极管不工作，S8为开路状态，其反并联二极管提供续流通路；电感连接的继电器K1、K2、K3闭合，与电机交流输入连接的继电器K4、K5、K6断开，电网交流电压经过S1-S6（IGBT模块）整流成直流电压通过DCDC变换器给电池充电，实现能量从电网到电动汽车的流动。

2 集成电感设计与仿真

2.1 电感参数定义

本装置中共用了四个电感，DCDC部分电感L4主要是提供PWM开与关的过程中能量的存储与交换，其所流经的电流为直流电流上叠加一定纹波,纹波的频率与S7/S8相同，电感磁芯有直流偏滞，Bmax（最高磁密）时电感不能饱和；交流侧电感L1、L2、L3为充放电滤波电感，主要目的一是充电时提供有源整流开关期间的储能；二是滤波及限制电网侧的谐波污染。

电感的设计需要先定义如下关键参数[2]：（1）电感量，在不同拓扑中电感量的大小决定纹波电流的大小；（2）峰值电流，峰值电流取决于磁芯材料的磁通密度饱和点，在最大电流时磁芯不能饱和；（3）损耗温升及体积重量，此部分的指标跟纹波电流、开关频率、材料特性有很大关系；本集成电感磁芯材料为铁基非晶材料（80%Fe，20SiB类金属元素构成），它具有高饱和磁感应强度（1.56 T），磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点[3]，此装置中电感工作设计参数如表1。

2.2 磁路参数初步计算

如上拓扑中四个电感L1、L2、L3、L4一般设计成4个独立的电感或者L4设计成独立的电感，L1、L2、L3设计成三相三柱结构，由于L4通过的电流较大，L4的电感量的大小可以方便地通过调节磁芯16的材料或者截面积来调节L4的电感量，L1、L2、L3的电流产生的磁通在磁路10、11、12、13、14中相互耦合，有部分磁通相互抵消，磁芯的损耗可相应减小。本文中将四个电感集成到一个磁芯结构中，一部分磁路共用[4-6]，达到减小磁芯用量，减小体积，提供功率密度的目的，集成电感如图2所示。

表1 电感设计参数

图2 集成电感结构示意图

由安培环路定律，可得：

式中：N为电感线圈匝数；I为电感电流；δ为气隙长度；Hg、Hm、L0分别为气隙磁场强度，磁芯磁场强度及磁芯长度。

实际由于空气的磁导率远低于磁芯的磁导率，大部分的磁势将降落在气隙中，式（1）可近似为：

电感公式为：

由式（2）和（3）可以得到：

以上为线圈匝数与磁芯截面积的关系，匝数为初步估算，匝数的选取还与磁芯的窗口填充率及电流密度选取有关，可以初步选择匝数与磁芯的规格组合进行仿真优化，选电流密度为5 A/mm2，仿真模型参数如表2。

2.3 有限元仿真及结果

Maxwell是主要建立在Maxwell方程基础上的有限元分析软件，包括交流/直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析、参数化分析，以及优化功能，损耗、阻抗（R/L）、电感等参数可以自动计算，同时也可以给出相位的磁力线、B和H分布图、能量密度等图形结果[7]。有限元仿真中剖分及边界条件对仿真结果有较大影响，本仿真中采用自然边界即可，优化后的剖分网格如图3。

表2 电感仿真模型参数

图3 有限元仿真网格

在Magneto Static求解器中仿真计算电感矩阵参数的结果如表3。

表3 电感矩阵仿真结果

在Transient求解器中主要模拟一个输出周期中的实际工况，以验证磁芯结构是否合理，磁芯是否饱和，在L1最大电流（π/4时）仿真计算L1磁芯（磁路13）的磁感应强度云图、磁势线分布如下。

图4 磁感应强度、磁势线分布

从以上仿真结果来看，此种集4个电感集成于一体的磁芯结构具有可行性，并且结果满足预期的要求，从电感矩阵可以看出，L1、L2、L3的电感量误差为8μH(约1.2%)，三个电感之间的耦合程度较高约为48.5%，L4与其他电感耦合程度较小，其磁路主要为最外层磁芯。磁路中在边角的局部小范围内磁密接近饱和点，但对关键性能不影响，其他大部分地方还未到饱和点。