电动汽车驱动系统新型双向DC-DC变换器小波信号模型分析研究

黄 中，张文娟，李慧敏，高 剑



电动汽车驱动系统新型双向DC-DC变换器小波信号模型分析研究

黄 中1，张文娟2，李慧敏3，高 剑3

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2.长沙学院电子信息与电气工程学院，长沙 410002；3.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

现代电动汽车通常需要在加速、减速、低速大扭矩、高速恒功率等状态间频繁转换，会引起直流母线电压出现较大的波动。为了控制直流母线电压的稳定，本文提出了一种新型双向DC/DC变流器，分析出不同模式下小信号模型，再根据小信号模型建立变流器控制模型。通过对比其与传统双向DC/DC变流器的差异，结果表明该新型双向DC/DC具有更小的电压应力以及更高的电压增益，有效提高直流母线电压调节的稳定。

电动汽车 驱动系统 双向DC/DC变换器 小波信号

0 引言

永磁同步电机驱动系统作为现代电动汽车发展的重要组成部分通常在恶劣环境下运行，例如在加速、减速、低速大扭矩、高速恒功率等状态间频繁转换，导致驱动电机负载多变，因此，对永磁同步电机驱动系统的运行能力与可靠性要求进一步提升[1]。驱动系统的运行工况通常随机波动较大且较为复杂，同时受到电动汽车蓄电池输出波动的影响，驱动电机的转矩输出能力以及高速时的功率输出能力受到极大挑战。大量文献研究表明[2-5]，提高直流母线电压可以提高电机转折速度，间接提高电机过载能力，扩展恒转矩区以提高电机的转矩输出能力。直流母线作为连接驱动电机与逆变器的桥梁，其电压等级既影响控制算法的设计又影响控制系统硬件部分的设计与选择。选择过高的电压等级会引起电压利用率降低，同时，固定直流母线电压及调整调制系数控制逆变器输出电压将带来较大基频带谐波，产生比变直流母线控制明显增加的电机铁耗，影响驱动系统输出性能；相反，当直流母线电压等级不足时，容易引起逆变器的过调制，也会对系统输出特性产生影响。为避免上述问题，在全速域范围内采用合适的直流母线电压控制方法来实现永磁同步电机调速系统效率最大化尤为重要[6-8]。

本文首先分析了一种新型双向DC/DC变换器的拓扑结构，作为连接驱动系统逆变器与蓄电池的中间端，为实现直流母线电压提供了桥梁。根据其工作原理分析出不同模式下的小信号模型，再根据小信号模型建立变流器控制模型，同时仔细对比其与传统双向DC/DC变流器的差异，得出了该新型双向DC/DC具有更小的电压应力以及更高的电压增益的结论，能够更好实现直流母线电压调节的稳定与高效性。

1 新型双向DC/DC变换器拓扑及工作模式分析

1.1 拓扑结构

本文选择的新型双向DC/DC变换器拓扑结构如图1所示。开关电容C1是实现能量存储与释放的中转，在提高电压增益的同时起到降低器件开关应力的作用。通过该变换器在驱动系统中实现动态直流母线电压调整。

图1 新型非隔离型交错并联双向DC/DC变换器拓扑图

图2 新型双向DC/DC变流器boost模式下电流阶段

图3 新型双向DC/DC变流器boost模式下电路工作波形

1.2 工作模式分析

新型交错并联双向DC/DC变换器可工作在两种模式：升压boost模式和降压buck模式，低压侧电压由直流储能电源供电，高压侧为直流母线即图1中的负载侧。当变换器处在升压状态时，由直流储能电源向直流母线供电，开关器件T1与T3和二极管D2、D4工作。当变换器降压状态时，负载端的能量流入储能元件中。

在分析变流器工作原理之前假设电路均工作在电流连续模式下，两路开关管的占空比相同，相位相差半周期。工作原理根据开关管占空比的情况可分为三类，>0.5，=0.5和<0.5。

1）升压（boost）模式：

当变流器处在升压模式中，为保障开关稳态工作，占空比通常选择大于0.5。每个开关周期内变流器时有4种工作模态，各模态工作电路如图2所示。一个开关周期内各器件上电压电流波形，如图3所示。

2）降压（buck）模式：

当变流器工作于Buck模式时，能量由负载侧流向直流储能电源侧，为保障开关稳态工作，占空比通常小于0.5。具体工作模态可以分为以下四类，如图4所示，工作波形如图5所示。

图4 新型双向DC/DC变流器buck模式下电流阶段

2 小波信号分析

对双向DC/DC变换器在boost模式下系统状态参数设定如下：

图5 新型双向DC/DC变流器buck模式下电路工作波形

当DC/DC变换器处在Boost模态时，高压侧为负载端用替代，设定直流母线电压为u，即输出电容0上的电压。低压侧蓄电池供电端简化为恒定直流电压源，电压值为U。电容1为开关电容，其电压为U1，设定电感值1=2。由上小节分析可知，boost模型下主要由开关器件T1与T3工作，其占空比分别为1与3。因此在一个开关周期内空间状态变量的平均值为：

当变流器进入稳态运行时，开关电容电压v1()=U1，直流源输入电压v()=U，输出端直流母线电压v()=U，电感上电流稳态值，<i1()>=I1，<i2()>=I2，稳态下开关器件占空比1()=1，3()=3。根据电感伏秒平衡与电容电荷平衡原理，代入各量的稳态值由式（1）可计算出：

根据小信号方程（5）建立其模型如图6所示。

图6 新型双向DC/DC变流器交流小信号等效电路

由式（6）、（7）可得电感电流到输出电压的传递函数为：

3 仿真分析

在输入同样的电压，输出同样幅值的电压前提下，仿真结果如图7所示，新型双向DC/DC变流器开关器件所需占空比明显小于传统DC/DC变流器，且期间上的电压值仅为传统型变流器的一半，因此电压应力也显著减小。

图7 新型双向DC/DC变流器开关器件电压波形

4 结论

本文设计了一种结构简单同时具有高电压增益的新型双向DC/DC变换器，在永磁同步电机调速系统中实现动态直流母线电压调整。通过对新型双向DC/DC变流器的小信号分析得到了不同工作模态下变流器的控制模型。与传统双向DC/DC进行对比，在系统参数完全相同的情况下，新型变流器上的电压值仅为传统变流器的一半，在提高电压增益的同时可以起到降低器件开关应力的作用，能够有效地减小系统的体积和成本，提高母线电压的稳定性。

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Small-Signal Analysis of a Novel Bi-directional DC/DC Converter in Electrical Vehicle Driver Systems

Huang Zhong1, Zhang Wenjuan2, Li Huimin3, Gao Jian3

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2.Electronic Information and Electrical Engineering College, Changsha 410002, China; 3.Electrical and Information Engineering of Hunan University, Changsha 410082, China)

TM315

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1003-4862（2019）02-001-04

2018-10-30

黄中（1978-），男，高级工程师。研究方向：电机电器及控制。E-mail: 13971644018@163.com