基于新能源汽車(chē)續航和動(dòng)力性提升的雙向DC-DC設計

作者/杭孟荀，沙文瀚，李慶國(奇瑞新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002)

　　摘要：本文介紹了一種新能源汽車(chē)驅動(dòng)系統用升壓雙向DC-DC，該DC-DC采用交錯并聯(lián)雙向BOOST/BUCK拓撲電路，通過(guò)數字DSP芯片實(shí)現電源能量的雙向傳遞及輸出電壓的優(yōu)化控制。傳統新能源汽車(chē)在一些工況下因驅動(dòng)系統母線(xiàn)電壓波動(dòng)會(huì )嚴重影響驅動(dòng)系統的輸出性能，雙向DC-DC可以提供給驅動(dòng)系統穩定的電壓供應，另外根據驅動(dòng)系統工作特性?xún)?yōu)化驅動(dòng)系統的電壓供應，從而提高了驅動(dòng)系統的工作效率、扭矩和功率輸出能力并且降低PMSM電機高速下弱磁程度，從而有效提升了整車(chē)的續航里程、整車(chē)動(dòng)力性及可靠性。

　　關(guān)鍵詞：雙向DC-DC;交錯并聯(lián);續航里程;整車(chē)動(dòng)力性;驅動(dòng)系統

　　0 引言

　　近年新能源汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量得到迅速增長(cháng)，尤其我國的產(chǎn)銷(xiāo)量已經(jīng)成為世界第一，人們對新能源汽車(chē)的接受程度也越來(lái)越高，國內新能源汽車(chē)產(chǎn)品性能也得到了極大提升，不過(guò)整車(chē)能耗這一指標跟國外比較還有一定的差距，整車(chē)能耗高將極大影響整車(chē)的續航里程，也不利于新能源汽車(chē)的進(jìn)一步普及。為此國家出臺了一些政策引導整車(chē)企業(yè)關(guān)注整車(chē)能耗，鼓勵加強技術(shù)能力提升并開(kāi)發(fā)出能耗更小的整車(chē)。

　　驅動(dòng)系統作為整車(chē)使用能量比例最大的零部件，其工作效率的提升對整車(chē)降能耗貢獻最大，根據整車(chē)對驅動(dòng)系統的應用場(chǎng)景可以將驅動(dòng)系統的外特性分為三個(gè)工作區，如圖1所示。城市工況作為常用工況，其對驅動(dòng)系統的要求是小扭矩區長(cháng)時(shí)間工作，對應圖1中的效率區，該區域也是NEDC工況最常用區域，通常此區域的驅動(dòng)系統效率偏低。再者圖1中A為扭矩拐點(diǎn)，其值較小或對應轉速偏低將影響整車(chē)的爬坡性能和加速性能，A點(diǎn)之后電機將進(jìn)入恒功率弱磁區，因弱磁電流的作用也會(huì )導致驅動(dòng)系統的效率降低并且在弱磁電流作用下電機輸出扭矩下降，這樣也會(huì )導致整車(chē)在高速行駛時(shí)的動(dòng)力性下降問(wèn)題。

　　目前電機的發(fā)展趨勢之一是高轉速，高轉速帶來(lái)的益處是電機可以小型化，不過(guò)在動(dòng)力電池電壓范圍沒(méi)有變化的情況下，更高轉速區的效率偏低，影響了整車(chē)高速行駛里程。另外常規新能源汽車(chē)動(dòng)力電池電直接供電機控制器和電機使用，在猛踩油門(mén)時(shí)會(huì )出現母線(xiàn)電壓因瞬間大電流在母線(xiàn)寄生電感作用下較大電壓跌落的現象，這種情況下會(huì )影響整車(chē)驅動(dòng)系統輸出性能。

　　針對以上問(wèn)題，本文采用非隔離升降壓雙向DC-DC給驅動(dòng)系統提供穩定且電壓可調的電源供應，以驅動(dòng)系統高效運行和輸出扭矩更大為目標，調整DC-DC的輸出電壓值，從而實(shí)現整個(gè)系統的工作性能優(yōu)化，提高了整車(chē)的續航里程和動(dòng)力性能，另外升壓后電機高速運行區域弱磁程度降低，降低了電機轉子磁鋼長(cháng)期運行退磁的風(fēng)險。

　　1 不同電壓對驅動(dòng)系統性能影響

　　通過(guò)電機臺架實(shí)測同一款電機分別在不同電壓下的輸出外特性圖，從中挑出有代表性的340 V、540 V和750 V三個(gè)電壓下的驅動(dòng)系統輸出外特性圖，如圖2所示，驅動(dòng)系統輸入電壓升高則驅動(dòng)系統的高效區面積占比增大尤其高速弱磁區效率會(huì )明細改善，不過(guò)輸入直流電壓偏低時(shí)則在小扭矩效率區的驅動(dòng)系統效率會(huì )有所改善。提取相同扭矩和轉速下不同電壓驅動(dòng)系統的最高效率合并為一個(gè)系統外特性圖，可以見(jiàn)其高效區占比面積由340 V下的89.9649%提升到95.6227%，又因非隔離雙向DC-DC效率很高，整合后的效率區可以滿(mǎn)足整車(chē)不同工況下整車(chē)的續航里程的提升。

　　從圖2還可以看出隨著(zhù)電壓升高驅動(dòng)系統的高速區扭矩更大且輸出功率更大，這樣有利于提升整車(chē)高速行駛的加速性能和最高車(chē)速。

　　2 雙向DC-DC主電路設計

　　本文雙向DC-DC采用交錯并聯(lián)電路，可以實(shí)現動(dòng)力電池升壓后供驅動(dòng)系統使用，也可以實(shí)現驅動(dòng)系統能量回饋電壓降壓后給動(dòng)力電池充電，其拓撲圖如圖3所示。交錯并聯(lián)電路將主功率電路分為兩路，其優(yōu)點(diǎn)一為紋波電壓、電流更小且紋波頻率更高，則輸入和輸出側的電容容值、體積更小，其優(yōu)點(diǎn)二為電流分為兩路使上功率電路上的損耗和電感上的交流損耗更低。

　　本文設計一款交錯并聯(lián)雙向DC-DC變換器，其詳細技術(shù)參數如下：

　　變換器功率電路由兩路并聯(lián)組成，按單路電流為總電流的一半來(lái)設計單路功率電路的器件參數?？紤]到DCM模式下的開(kāi)關(guān)管內的峰值電流更大，更大的電流導致開(kāi)關(guān)管損耗更大且選型容量更大的開(kāi)關(guān)管也會(huì )增加成本，另外更大的峰值電流也會(huì )帶來(lái)更大的EMC問(wèn)題，因此本文選擇CCM模式來(lái)設計主功率器件參數，考慮到開(kāi)關(guān)器件及輸入電壓范圍計算最小電感公式如下：

　　式式中DIL按電感平均電流的40%計算，電感平均電流按輸入平均電流的一半計算，因動(dòng)力電池的電壓是300 V~410 V這個(gè)范圍，根據公式1畫(huà)出電感L與電壓的對應關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示，從而B(niǎo)OOST在輸入電壓最大時(shí)對應的電感最大值為L(cháng)boost=200.5 mH，BUCK在最大輸出電壓處對應的最大電感為L(cháng)buck=200.5 mH，綜合考慮選取單獨電感的電感值為L(cháng)1=L2=200mH。

　　根據電感電流紋波全部流入電容產(chǎn)生的輸出電壓脈動(dòng)可以計算出所需電容大小，又因兩相交錯并聯(lián)拓撲使流入電容的電流頻率為常規BUCK/BOOST拓撲的兩倍，從而可以獲得輸入和輸出側電容的計算公式如下所示：

　　上式中R為升壓輸出側等效電阻值，變換器兩側紋波電壓為兩側電壓的1%設計，根據上述可知C2=253.3 mH，C1=48.85 mH，考慮到ESR的影響，實(shí)際選擇C2=470 mH，C1=100 mH，以保證紋波電壓目標達成。

　　3 系統控制設計

　　考慮到實(shí)際數字控制中ADC采樣保持和PWM更新延遲的影響，在做系統仿真中增加采樣保持和延遲環(huán)節，從而使仿真結果更加接近真實(shí)結果。整個(gè)控制系統采用雙環(huán)控制，內環(huán)采用兩路電流環(huán)，外環(huán)采用電壓環(huán)控制，雙環(huán)控制比單環(huán)控制在動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)性能方面均有改善且具有均流和限流功能，從而提高了性能和可靠性。

　　使用PSIM里的SWEEP功能，在BOOST穩態(tài)工作點(diǎn)注入小信號，通過(guò)輸出端口觀(guān)測小信號對輸出的影響可以?huà)呙璩鱿到y的bode圖。根據bode圖有針對性的設計出PI補償器，然后通過(guò)SWEEP功能掃描出補償后的bode圖，從圖中可以看出補償后開(kāi)環(huán)系統相角余量在49.3°，幅值余量為-46.7 dB，截止頻率為2.79 kHz。

　　接下來(lái)進(jìn)行外環(huán)電壓環(huán)設計，類(lèi)似電流環(huán)設計，使用SWEEP掃描功能設計出電壓環(huán)PI控制器，具體如下圖所示，電壓環(huán)PI補償后整個(gè)開(kāi)環(huán)系統相角余量為48.6°，幅值余量為-43.3 dB，截止頻率為 703 Hz。

　　4 系統仿真驗證

　　升壓交錯并聯(lián)BOOST變換器滿(mǎn)載95 kW輸出系統仿真波形如下圖所示，其輸出電壓平均值為 750 V，電壓紋波在2 V左右，電流紋波約45 A，仿真結果較優(yōu)。

　　升壓BOOST帶半載47.5 kW啟動(dòng)，變換器輸出電壓穩定后帶突加載到滿(mǎn)載95 kW及突減載至 47.5 kW，系統仿真波形如下，由波形可知突加減載變換器的負載調整率為，另外由圖7可知變換器突加減載其恢復穩定電壓時(shí)間為2 ms。

　　4 結論

　　新能源汽車(chē)電驅動(dòng)系統其能耗、輸出功率、扭矩及弱磁程度跟其輸入電壓有很大關(guān)系，電壓升高后會(huì )使這四方面性能有很大提升。升壓總體會(huì )對降能耗有很大改善，但在小扭矩且中低轉速區低電壓比高電壓總體能耗更低，結合驅動(dòng)系統的以上工作特性以及整車(chē)運行工況，通過(guò)雙向DC-DC給驅動(dòng)系統提供合適的電壓，以便驅動(dòng)系統一直工作在性能較好的區域，從而提升了整車(chē)的動(dòng)力性、耗電經(jīng)濟性和可靠性。

　　本文根據驅動(dòng)系統特性設計了一款交錯并聯(lián)BOOST/BUCK變換器，此變換器采用電壓和電流環(huán)雙環(huán)控制，其內部電流環(huán)采用兩路電流環(huán)獨立控制，通過(guò)PSIM仿真驗證，其升壓輸出的動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)性能均滿(mǎn)足需求。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　杭孟荀，碩士，奇瑞新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司，曾任奇瑞新能源DC-DC電源產(chǎn)品主管設計師，現任奇瑞新能源電驅系統經(jīng)理

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第29頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處