基于準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器的雙電壓供電系統(tǒng)

房緒鵬　許偉

摘 要： 隨著汽車自動(dòng)化和電力電子技術(shù)的發(fā)展，車用電氣設(shè)備越來(lái)越多樣，傳統(tǒng)的14 V供電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的汽車電子設(shè)備的需要。為了兼顧傳統(tǒng)的14 V汽車供電系統(tǒng)，采用一種過(guò)渡方案，即14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)。對(duì)基于電壓型準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器的雙電壓供電系統(tǒng)進(jìn)行研究。其中，雙向DC?DC變換器是核心技術(shù)環(huán)節(jié)，通過(guò)PWM控制雙向功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)功率流的雙向傳輸，并對(duì)該雙電壓供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了詳細(xì)的描述和簡(jiǎn)要分析。仿真結(jié)果表明了該系統(tǒng)的合理性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 準(zhǔn)Z源； 雙向DC?DC變換器； 雙電壓供電系統(tǒng)； 14 V供電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN624?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0153?05

Abstract： With the development of the automobile automation and power electronic technology， the automotive electrical equipments become diverse， and the traditional 14 V power supply system can′t meet the needs of the increasing automotive electronic equipments. In order to take into account the traditional 14 V vehicle power supply system， a transitional scheme （14 V/42 V dual?voltage power supply system） is adopted in this paper. The dual?voltage power supply system based on voltage?type quasi?Z?source bidirectional DC?DC converter is studied. The bidirectional DC?DC converter as the core technology link of the system controls the bidirectional power switch by means of PWM to realize the bidirectional transmission of the power flow. The structure and working principle of the dual?voltage power supply system are described in detail， and analyzed briefly. The simulation results show that the system is rational and superior.

Keywords： quasi?Z?source； bidirectional DC?DC converter； dual?voltage power supply system； 14 V power supply system

0 引 言

隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步，人們對(duì)現(xiàn)代汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和安全性提出了更高的要求，新的電氣設(shè)備和電子裝置被廣泛應(yīng)用，這使得汽車電氣系統(tǒng)的負(fù)荷量大大增加[1]。因此，現(xiàn)行的以14 V為主的汽車供電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人民日益增長(zhǎng)的生活需要。20世紀(jì)90年代，德國(guó)車載電源論壇（Formbordnetz）提出了42 V汽車供電系統(tǒng)方案；福特與麻省理工學(xué)院發(fā)起的MIT國(guó)際協(xié)會(huì)組織主要研究14 V/42 V雙電壓汽車供電系統(tǒng)對(duì)汽車電器與電子設(shè)備的影響；美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì) （SAE） 專門成立了雙/高電壓（42 V，14 V/42 V）車輛電氣系統(tǒng)委員會(huì)；1998年，美國(guó)和歐洲汽車制造商和零部件供應(yīng)商就新一代汽車供電電壓標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成了14 V/42 V新標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，越來(lái)越多的汽車公司和組織開始研究新的供電系統(tǒng)方案[2]。

由以上可見(jiàn)，很多汽車公司和組織都加大了對(duì)42 V汽車電源的研究，因?yàn)槠囯妷旱燃?jí)升高到42 V有以下優(yōu)點(diǎn)：流過(guò)汽車電器和電子設(shè)備的負(fù)荷電流明顯減少，使得導(dǎo)線和功率元件的導(dǎo)通損耗明顯減少，導(dǎo)線截面積、汽車內(nèi)線束所占體積、電器設(shè)備的尺寸、重量、電能耗損以及車身上的鉆孔數(shù)都有所減少，這滿足了汽車的舒適性和經(jīng)濟(jì)性要求[3]。另外，在汽車加速或爬坡時(shí)，除了發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)外，還需要啟動(dòng)蓄電池輸出電能，使得電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)以提供輔助機(jī)械能，增加車輪的驅(qū)動(dòng)力，使發(fā)電機(jī)始終工作在最佳效率區(qū)間，這需要雙電壓供電系統(tǒng)來(lái)滿足汽車動(dòng)力性方面的要求[4]。

1 14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)

14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由大功率起動(dòng)/發(fā)電復(fù)合裝置（G/S）、整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器、36 V/12 V蓄電池、雙向DC?DC變換器以及大中小型功率負(fù)載組成。這種系統(tǒng)將汽車電器和電子設(shè)備分成兩組，較大功率的設(shè)備如三元催化轉(zhuǎn)換加熱器、 擋風(fēng)玻璃加熱器、 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、 電氣懸架以及電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等采用 42 V電壓供電；中小功率設(shè)備如照明、信號(hào)、儀表板、電動(dòng)搖窗機(jī)、中央控鎖系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電子燃油噴射裝置、點(diǎn)火控制裝置等則采用傳統(tǒng)的 14 V 電壓供電[5]。

當(dāng)汽車起動(dòng)后，起動(dòng)/發(fā)電復(fù)合裝置中發(fā)出42 V交流電壓，經(jīng)過(guò)整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器的整流器部分轉(zhuǎn)換成42 V直流電壓給大功率設(shè)備供電，同時(shí)給36 V蓄電池充電，然后經(jīng)過(guò)雙向DC?DC變換器降壓為14 V，給中小功率設(shè)備供電的同時(shí)也向12 V蓄電池充電。本文希望汽車在發(fā)電裝置運(yùn)行的過(guò)程中可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)在汽車制動(dòng)或減速的過(guò)程中蓄電池將能量回饋給電動(dòng)裝置，這就需要能量的雙向傳輸。所以，雙向DC?DC變換器是14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)的核心技術(shù)。它將整個(gè)雙電壓供電系統(tǒng)分隔成兩個(gè)供電電壓等級(jí)不同的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在單一電路結(jié)構(gòu)下能量雙向傳輸?shù)墓δ?，在整個(gè)供電系統(tǒng)電能分配和管理方面起到了重要作用。本文提出的基于準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器的雙電壓供電系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中以準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器為主，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。在主電路中，除準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器以外，高壓側(cè)有42 V交流電源經(jīng)整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器整流后產(chǎn)生的42 V直流電壓、36 V高壓側(cè)蓄電池、等效串聯(lián)電阻ESR1以及可以維持高壓側(cè)輸出電壓恒定的高壓側(cè)電容C42；低壓側(cè)有14 V功率負(fù)載、12 V低壓側(cè)蓄電池、等效串聯(lián)電阻ESR2以及抑制輸出電壓脈動(dòng)的低壓側(cè)電容C14。

2 準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器

2.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

由于14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)的主蓄電池電壓在60 V以下，可以采用準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器這種非隔離型DC?DC變換器。該變換器中的準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，由兩個(gè)相等的電感L1和L2，兩個(gè)相等的電容器C1和C2，以及功率開關(guān)組成。為了實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，保證單向功率流傳輸時(shí)電路工作的獨(dú)立性，每個(gè)功率開關(guān)均采用了雙向可控的開關(guān)，即由兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管或IGBT模塊面對(duì)面連接構(gòu)成，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

與傳統(tǒng)Z源變換器類似，該雙向DC?DC變換器中的準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，即L1=L2，C1=C2。將功率流自左向右傳輸定義為正向傳輸，功率流自右向左傳輸定義為反向傳輸。電感L1，L2和電容器C1，C2在功率流正向傳輸時(shí)起到儲(chǔ)能調(diào)壓的作用，在功率流反向傳輸時(shí)起到濾波的作用。另外，二極管起到防止準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)電流反向流動(dòng)的作用。當(dāng)功率流正向傳輸時(shí)，功率開關(guān)S1和S2作為一對(duì)開關(guān)管互補(bǔ)式工作。顯然，二極管D1′和開關(guān)S1同步通斷，二極管D2′和開關(guān)S2同步通斷。在這種情況下，不對(duì)功率開關(guān)S1′和S2′施加控制信號(hào)，故其處于截止?fàn)顟B(tài)。假定開關(guān)周期為T，S2（S2′）導(dǎo)通時(shí)間為T0，關(guān)斷時(shí)間為T1，顯然T=T0+T1，開關(guān)S2（S2′）的導(dǎo)通占空比為[D=T0T]。由于開關(guān)S1和S2互補(bǔ)導(dǎo)通，當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通T1時(shí)間段時(shí)，開關(guān)S2截止；此時(shí)電感L1，L2，L3，C2充電，電容器C1放電，其等效電路如圖4所示。

由圖7分析可知，當(dāng)開關(guān)的導(dǎo)通占空比D在0～0.5之間變化時(shí)，輸出電壓跟輸入電壓同極性，準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器工作在升壓模式；當(dāng)D在0.5～1之間變化時(shí)，該電路輸出電壓的極性跟輸入電壓的極性相反；D在0.5～0.667變化時(shí)，變換器工作在反向升壓模式；D在0.667～1變化時(shí)變換器工作在反向降壓模式。根據(jù)以上分析可知，準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器完全可以應(yīng)用于14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)，并充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)更好的全面穩(wěn)定運(yùn)行。

3 14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)中的其他裝置

3.1 起動(dòng)/發(fā)電復(fù)合裝置

由于14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)具有較大的輸出功率，為了合理利用資源，提高系統(tǒng)工作效率，利用交流發(fā)電機(jī)的可逆性，再配置一套半導(dǎo)體整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器，將交流發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)合成為一個(gè)起動(dòng)/發(fā)電復(fù)合裝置。當(dāng)復(fù)合裝置中的發(fā)電機(jī)工作時(shí)，整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器工作在整流狀態(tài)，向36 V蓄電池充電并向其他電氣設(shè)備供電；當(dāng)復(fù)合裝置中的起動(dòng)機(jī)工作時(shí)，整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器工作在逆變狀態(tài)，36 V蓄電池通過(guò)轉(zhuǎn)換器向負(fù)載裝置供電[6]。

3.2 蓄電池

14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)采用36 V和12 V兩個(gè)蓄電池，若要很好地應(yīng)用于14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)，蓄電池需具有很好的充放電特性，能維持大功率輸出，負(fù)載運(yùn)行時(shí)保持充足的電能。考慮到系統(tǒng)的運(yùn)行成本，控制和冷卻裝置的成本，以及環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題，目前在實(shí)際應(yīng)用中鉛酸蓄電池仍然是14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)的首選[7]。

3.3 照明設(shè)備

若汽車采用42 V電壓給照明設(shè)備供電，為了保證照明設(shè)備輸出功率不變，電流會(huì)下降，使得燈絲變得更細(xì)更長(zhǎng)，會(huì)影響燈絲的耐久性和照明設(shè)備的壽命。所以仍采用12 V給照明設(shè)備供電[8]。

4 14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的基于準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器的雙電壓汽車供電系統(tǒng)，利用Saber軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)仿真電路如圖8所示。仿真結(jié)果證明了該雙電壓供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和可行性。

為了14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)仿真方便，暫時(shí)忽略整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器部分，直接使用直流電源輸入系統(tǒng)啟動(dòng)電壓。考慮到控制效果和開關(guān)損耗，選取20 kHz為變換器的開關(guān)頻率。經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試設(shè)置對(duì)稱準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感、電容以及負(fù)載參數(shù)。由于系統(tǒng)電壓從42 V降壓到14 V，所以準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器工作在反向傳輸狀態(tài)。根據(jù)反向傳輸時(shí)的電壓增益與占空比的關(guān)系確定功率開關(guān)S2（S2′）的導(dǎo)通占空比，最終得到14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)如表1所示。

當(dāng)汽車起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)/發(fā)電復(fù)合裝置中發(fā)出42 V交流電壓，經(jīng)過(guò)整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器整流部分轉(zhuǎn)換成42 V直流電壓，即仿真系統(tǒng)中的輸入電壓Vin。雖然鉛酸電池在目前的汽車供電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但是超級(jí)電容具有功率密度大、充放電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[9]，可以滿足系統(tǒng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，所以在14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)仿真過(guò)程中選用超級(jí)電容代替蓄電池，這也是未來(lái)14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。42 V直流電壓給大功率設(shè)備供電的同時(shí)給超級(jí)電容充電，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器降壓為14 V，此時(shí)準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器工作在反向傳輸狀態(tài)，其仿真結(jié)果如圖9所示。

由仿真波形圖分析，輸入電壓為42 V時(shí)，通過(guò)PWM波控制開關(guān)S2′的導(dǎo)通占空比D=0.4，根據(jù)式（12）計(jì)算出輸出電壓理論值為14 V，仿真結(jié)果為13.991 V，誤差很小，接近理論值，降壓效果很好。所以仿真結(jié)果驗(yàn)證了14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)采用準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器可以實(shí)現(xiàn)降壓功能。同時(shí)，電感電流輸出在1 A左右較為平滑，電容器C3電壓等于輸出電壓Vout。

當(dāng)準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器工作在升壓模式時(shí)，低壓側(cè)超級(jí)電容給低壓側(cè)的中小功率設(shè)備供電，同時(shí)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器升壓，給高壓側(cè)負(fù)載供電并且向高壓側(cè)的超級(jí)電容充電。此時(shí)系統(tǒng)仿真圖如圖10所示，仿真結(jié)果如11所示。

由仿真波形圖分析，輸入電壓為14 V時(shí)，通過(guò)PWM波控制開關(guān)S2′的導(dǎo)通占空比D=0.4，根據(jù)式（10）計(jì)算出輸出電壓理論值為42 V，仿真結(jié)果為41.448 V，誤差很小，接近理論值，升壓效果不錯(cuò)。所以仿真結(jié)果驗(yàn)證了14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)采用準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器可以實(shí)現(xiàn)升壓功能。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于電壓型準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器的14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)，它由大功率起動(dòng)/發(fā)電復(fù)合裝置（G/S）、整流?逆變功率轉(zhuǎn)換器、36 V/12 V蓄電池、準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器以及大中小型功率負(fù)載組成。本文主要介紹了其中的關(guān)鍵技術(shù)——一種新型的電壓型準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器，詳細(xì)分析了其電路結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)整個(gè)14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果證明這種電壓型準(zhǔn)Z源雙向DC?DC變換器完全適用于14 V/42 V雙電壓供電系統(tǒng)，控制方法簡(jiǎn)單，可靠性高，可以避免功率開關(guān)共態(tài)導(dǎo)通或共態(tài)關(guān)斷時(shí)電源的短路或功率開關(guān)的過(guò)電壓損壞器件，具有較大的實(shí)際意義和廣泛的應(yīng)用前景，值得推廣實(shí)施。

注：本文通訊作者為許偉。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉堅(jiān)，王練，孫澤昌，等.用于下一代汽車的雙電壓（14 V/42 V）電氣系統(tǒng)[J].汽車電器，2000（1）：5?6.

[2] 沈勵(lì)，徐國(guó)昌.雙電壓電源系統(tǒng)介紹[C]//第七屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)，2002.

[3] 炒敏，卓放，王豐，等.下一代雙電壓汽車用能量雙向饋送DC?DC變換器[J].電源世界，2008（9）：24?27.

[4] 史金仙.雙向DC/DC變換器在混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[5] 李興普.42 V電源系統(tǒng)將進(jìn)入現(xiàn)代汽車新時(shí)代[J].電子技術(shù)，2006（3）：22?25.

[6] 李俄收，吳文民，李玉英.未來(lái)42 V汽車電氣系統(tǒng)綜述[J].汽車電器，2004（4）：4?7.

[7] 華文林.汽車的雙電壓供電系統(tǒng)[J].新技術(shù)新工藝，2003（6）：9?10.

[8] 謝平.混合動(dòng)力汽車42 V電源系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

[9] 顧帥，韋莉，張逸成，等.超級(jí)電容老化特征與壽命測(cè)試研究展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（21）：145?153.

[10] 趙彪，于慶廣，王立雯.Z源雙向DC?DC變換器及其移相直通控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011（9）：43?49.

[11] 劉勝杰，吳苓芝.一種準(zhǔn)Z?源DC?DC變流器的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012（17）：33?36.

[12] 張志強(qiáng).雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

[13] LI Y， PENG F Z. AC small signal modeling， analysis and control of quasi?Z?source converter [C]// Proceedings of 2012 the 7th International Power Electronics and Motion Control Conference. [S.l.]： IEEE， 2012： 1848?1854.

[14] LIU Shuxi， LI Shan， WU Bo. The simulation and design of Li?ion power battery characteristics based on bi?directional DC?DC converter [C]// Proceedings of 2014 International Conference on Electrical， Control and Automation. [S.l.]： IEEE， 2014： 7?10.

[15] 張炳力，趙韓，張翔，等.超級(jí)電容在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的應(yīng)用[J].汽車研究與開發(fā)，2003（5）：48?50.