基于CCM 模式PFC 的液压混动车用BOOST 变换器性能分析

习璐

（咸阳职业技术学院 汽车工程学院，咸阳 712000）

引言

随着汽车工业技术的快速发展，涌现出和传统汽车动力驱动形式不一样的诸多汽车类型，而且发展的非常好，纯电动汽车、混合动力汽车、增程式汽车等[1]。液压混合动力汽车是一种驱动系统由车辆原有驱动系统和液压车辅助驱动单元构成的车辆，其驱动系统的部件更为复杂，动力电池作为其主要的驱动源，能够对其进行外部和内部充电，因此具有高功率和高效率的车载充电机是其能源转换的重要桥梁。

具备PFC 电路的车用BOOST 变换器充电机可以将制动回收的能量转换为电能存储在动力电池中，可以提高整车的续驶里程，与此同时，也可以减缓电网的超高负荷，对不同时段的电网进行削峰填谷的均衡作用[2]。为此，对于PFC 车载BOOST 变换器充电机的性能和稳定性控制研究一直是热点和难点，其中，文献[3] 研究液压Boost 变换器驱动液压缸的双向运动特性，通过调节PWM 信号的占空比可以控制液压缸的运动速度，并且在AMESim仿真环境中验证了液压缸可以在两个方向运动，Boost 变换器的输出压力要高于系统的供应压力；文献[4]设计了一台多功能的车载充电机样机，输入为单相交流市电,采用AC-DC 和DC-DC 相结合的电路结构，利用DSP 进行控制，通过与定制的BMS 结合所做的充电实验，实验结果表明车载充电机能够满足快速提供能量充电的需求。本文以液压混合动力汽车的车载BOOST 变换器充电机为研究对象，在液压混动车辆的系统结构和车载BOOST 变换器电路原理基础上对变换器的性能进行性能分析，为了能够得到更为详细的性能分析结果，利用硬件在环试验台进行了输出功率等性能试验，最后试验结果表明在恒流模式下的具备PFC 的车载BOOST 变换器具有良好的性能输出。

1 液压混动车辆系统结构

液压混合动力汽车是一种液压辅助、发动机和动力电池联合驱动的高度集成化汽车，其底盘域驱动系统主要由发动机、变速箱、动力电池、驱动电机、车载变换器、电机控制器以及液压辅助装置等构成。不同的驱动源会根据不同的驾驶工况功率需求进行切换[5]。

液压混合动力汽车会频繁处于制动状态中，当车辆处于制动状态时，液压辅助系统为车辆提供制动转矩，并将车辆的惯性能转换成液压能，利用低压蓄能器中的液体以高压的形式存储到高压蓄能器中；当车辆爬坡或者大功率需求，液压辅助驱动系统和动力电池、驱动电机以及发动机经过动力耦合装置共同驱动车辆，以平衡发动机的功率，增加整车的输出功率，从而实现快速的驱动车辆[6-7]。在这个车辆的驱动期间，动力电池提供了足够的动力，为了提升整车的续驶里程，车载充电机BOOST 变换器变得尤为重要，能够实现实时的充电，将车辆的相关剩余能量存储在动力电池中，具有高效率高功率的车载BOOST 变换器在整个液压混合动力车辆驱动系统中是非常重要的部件，其整体的驱动系统结构如图1 所示。

图1 液压混动车辆驱动系统结构

2 BOOST 变换器拓扑结构重构

液压混合动力车辆车载BOOST 变换器是一种快速实现多种方式对车载电池进行充电的重要部件。通常具有前级和后级的车载BOOST 变换器输入电压经过滤波后功率校正，减小前级输出的电压纹波，后级进行输出电压的调整，将输出电压实时变换为动力电池所需的充电功率。其内部的功能模块大致分为EMI 滤波、功率因数校正电路、DCDC 电路、采集电路和PWM 驱动电路[8]。

具有有源PFC 电路拓扑结构的车载BOOST 变换器能够在最大程度上削减高频电流的谐波，提升整个功率输出的质量，在后级DCDC 拓扑结构中，通过对有源电路器件进行逻辑关断和开通实现车载动力电池的充电，如图2 所示。

图2 车载BOOST 变换器PFC 拓扑结构

通过对液压混动车辆的车载BOOST 变换器拓扑重构后，针对连续导通模式CCM 下的电流控制在充电需求是峰值状态时，在[Te, Ts]通断时间内，通过调整功率因数的大小和MOS 管的关断，将峰值电感电流进行减小后，进入第二象限 Sr→ St的控制； 进入第二象限后，MOS管处于关断的状态，随之进行滞环控制，将电感电流进行分下调，和MOS 管开通阈值进行逻辑判断，当电感电流下降到阈值时开启MOS 管，实现滞环控制，提升电流响应能力，进入第四象限控制，在整个[Tk, Ts]通断周期内，调节后级参数配置，实时地配置车载动力电池的需求电压，实现动态控制，输出稳定的电压，如图3 所示。

图3 车载BOOST 变换器MOS 动态控制

3 功率性能分析

液压混合动力车辆的车载BOOST 变换器是一种在复杂工况下运行的多态变化的充电设备，其内部的功能是由不同的模块构成，模块之间通过硬线、SPI、CAN 总线、集成电路等进行信息交互，对不同模块的单元进行集成化分析，调整不同的配置参数来分析整个车载BOOST 变换器的功率性能[9]。

单元集成化分析将车载BOOST 变换器进行阶段间隔和模式变换，对不同的负载状态、MOS 关断/闭合以及调制电压等级进行设置，然后观测输出电压和调制电压的质量比性能，性能观测数学描述如下所示，车载BOOST 变换器状态分析如图4 所示。

式中：

hmi,φri, Md,Kd—模式节点质量比性能、斜率、校准系数；

Δmti, Ts,c0—负载增益压差比重、修正因数、扰动系数；

T0, Hc, Mti, H0,σri—积分器初始值、载波信号固有斜率、下降斜率以及瞬时关断系数。

通过在电路模拟环境中对车载BOOST 进行性能计算仿真可以看出，在负载扰动系数区间，开关频率远大于工频，将整个车载充电的负载设置为恒定状态，MOS 管导通后，输出的电压能够快速的响应，调制电压下降后进行转置后，提升整个车载充电系统的功率。输出的动力电池所需电压趋于稳定化，随后进行MOS 关断，电压瞬间下降，在负载扰动抑制后，通过对检测电流进行KB校准后，采用PI 调节算法[10]进行输出电压的稳定性控制，能够从图5 准确的看出整个车载BOOST 变换器具有迅速的动态响应能力和输出稳定的充电电压，实现液压混动车辆的高效充电。

图5 PFC BOOST 变换器电压特性

4 试验分析

为了验证所设计的液压混动车用BOOST 变换器性能在CCM 模式下的性能，利用可变工况模拟性能实验环境进行性能实验验证，主要由可变工况模拟装置、车载BOOST 变换器充电机、可编程电子负载设备、标定工具以及数采设备构成，主要对CCM 模式下功率解耦后的BOOST 变换器输出电压和解耦电压压差性能进行考察，实验环境和实验结果如图6～8 所示。

图6 车载BOOST 变换器性能实验环境

对液压混合动力车载BOOST 变换器进行了长周期的输出电压性能试验，其中，图7 的试验结果表明在初始阶段动力电池的需求电压较小，随着调制电压的上升以及负载的增加，输出电压达到了302.27 V；从图8 压差的性能试验结果可以看出，压差控制在了理想的范围内，整体的输出电压动态响应能力较强，整个系统是稳定可靠的。

图7 车载BOOST 变换器输出电压

图8 车载BOOST 变换器输出电压压差

5 总结

液压混合动力车辆的BOOST 变换器是实现车载充电重要部件，其稳定性控制一直是关键的一环。本文在液压混动车辆的系统结构和车载BOOST 变换器电路原理上对拓扑结构进行了重构，利用集成化的性能分析方法对车载BOOST 变换器进行性能分析，结合无模型动态功率控制方法进行输出功率的性能优化，最后在车载BOOST变换器硬件在环试验环境中验证了控制方法的可靠性，为往后更为复杂工况下的工程实践提供实际参考意义。