*用于純電驅液壓挖掘機的雙向DC /DC變換器儲能系統

劉學成，程 珩，郝云曉，陳正雄，權 龍

(太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室，太原 030024)

目前，全國液壓挖掘機保有量約為160萬臺，約60%的土方工程量依靠液壓挖掘機完成[1]。但傳統液壓挖掘機的整體能量利用率只有25%，其中作為動力源的柴油發動機，其能量轉換率只有40%左右，效率低且排放特性差[2]。順應于全球節能減排的趨勢，電動化已成為挖掘機未來發展的新方向。2011年，三一重機的純電動小型液壓挖掘機SY75C3EH，使用蓄電池和電動機替代原有發動機及燃油系統，實現了零排放[3]；2012年的巴黎INTERMAT 2012展會上，日本竹內展出的TAKEUCHITB117e系列電動小型挖掘機使用電機驅動液壓泵來為液壓系統提供能量，不僅提高了動力系統的能量利用率，而且減小了整機的振動和噪聲[4]。

在電機與液壓泵的組合方式中，采用變轉速電機驅動定量泵的組合方式要優于采用定轉速電機驅動變量泵的組合方式[5]。近年來，隨著永磁材料的發展、控制技術的成熟和驅動電路的進步，永磁同步電機的性能有了很大提高，其能效提高且響應變快[6]，作為變轉速動力源用以驅動定量泵液壓系統時可有效提高整機能效及降低系統響應速度。梁濤等[7]采用永磁同步伺服電機定量泵驅動挖掘機動臂并使用進出口獨立控制系統，相較于傳統的LUDV控制系統，在一個工作周期內能耗可降低13.6%.

雙向DC/DC變換器(BDC)可實現直流電能的雙向傳輸，其中非隔離雙向DC/DC變換器由于其結構簡單、效率較高、成本低廉等特點，廣泛應用于中大功率場合的能量控制。使用雙向DC/DC變換器并聯儲能元件組成的儲能系統，可實現直流電能的回收與再利用，有效提高直流電力系統的穩定性及電能利用率[8-9]。羅玉濤等[10]對半橋變換器的MOSFET管開關損耗進行分析，得到了兩相交錯半橋變換器的效率模型，對損耗分析具有較高的參考價值。孫晉坤等[11]基于平均功率損耗的建模方法，對Buck降壓變換器建立了效率模型；為提高變換器的效率，張相軍等[12]使用開關管互補導通的方法避免了電感電流斷續模式(DCM)工作中的振鈴現象，提高了變換器的效率與穩定性。 劉迎等[13]對影響超級電容組充放電率的容量配置及充放電流進行分析，確定了保證效率時最小電容需求組數及最大充放電流。COOKE[14]，DIXON[15]和HANKANIEMI et al[16]對工作于平均電感電流模式下的DC電源設計了控制環路的各元件參數并建立了典型的小信號模型。

針對用于變轉速純電驅液壓挖掘機的非隔離雙向DC/DC變換器超級電容儲能系統進行研究，旨在考慮超級電容組高效充放電前提下，使儲能系統由伺服電機狀態快速準確地調整變換器功率，維持電源輸出功率于恒定值。使用多學科仿真軟件SimulationX對提出的非隔離雙向DC/DC變換器+超級電容儲能系統進行仿真，結果表明本模型在保證電機功率與超級電容效率的前提下，維持給定的輸出電源功率，且具有較快的動態響應和較小的功率波動，可為變轉速純電驅液壓挖掘機儲能系統的使用提供理論依據。

1 純電驅液壓挖掘機動力系統分析

圖1為本文使用的純電驅液壓挖掘機動力系統示意圖。純電驅液壓挖掘機動力系統使用永磁同步伺服電機驅動液壓泵，為挖掘機各執行器提供液壓能。電液動力源采用效率較高的變轉速電機驅動定量泵的組合方式，由控制器設定伺服電機的變轉速信號nref.雙向DC/DC變換器與超級電容組成的儲能系統可在伺服電機需求大功率時補償電源功率，在伺服電機功率較小時吸收多余的電源功率，維持電源功率恒定。

圖1 純電驅液壓挖掘機動力系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of pure electric drive hydraulic excavator power system

由雙向DC/DC變換器與超級電容組成的儲能系統工作原理如圖2所示。儲能系統前級為半橋變換器，后級為超級電容組。控制器通過反饋的變換器輸入電壓Uin、變換器輸出電壓Uout及變換器電感電流IL得到變換器實時輸出電壓及輸出功率，并可通過相應的Buck/Boost控制環路使其工作在穩態下。Uoutref為變換器低壓端參考電壓，Uinref為變換器高壓端參考電壓，分別由Buck/Boost控制環路調節變換器實際輸出電壓至參考值。

控制器的控制信號xd及參考功率信號Pref可調整變換器的參考工作狀態及參考輸出功率。控制信號xd由超級電容組估算的荷電狀態控制，可保證位于變換器低壓端的超級電容組不過充/過放，參考功率信號Pref由負載功率查表給出，可給定工作模式與參考功率。當給定控制信號xd及參考功率信號Pref時，經邏輯判斷選定Buck，Boost或停止模式，并由相應的控制環路產生控制信號，經PWM波調制驅動器送至開關管，完成整個控制過程。

圖2 雙向DC-DC變換器儲能系統工作原理Fig.2 Working principle of BDC energy storage system

2 雙向DC/DC變換器儲能系統設計

2.1 儲能系統關鍵參數選取

首先對非隔離雙向DC/DC變換器關鍵參數進行選取。由于變換器工作于電感電流連續模式(CCM)或斷續模式(DCM)下。因此，相同傳輸功率下，工作于DCM的變換器主開關管電流峰值較高，且存在振鈴現象；在中大功率場合下由于平均電感電流增高，DCM將過渡至CCM.針對電驅液壓挖掘機使用場合，本文使用基于全紋波的CCM建模方法，滿足CCM的電感L選取公式為[15]：

(1)

式中：Ts=1/fs，fs為開關頻率；Iout為低壓側輸出電流；d1為開關管S1的占空比，d'1=1-d1.BDC關鍵參數選取如表1所述，其他等效電阻取值為5 mΩ.

表1 BDC關鍵參數設置Table 1 BDC key parameters setting

本文使用的超級電容組模型包括理想電容Cs、等效并聯內阻Rcsp及等效串聯內阻Rcss.理想電容電容電流公式為：

(2)

式中：IC為理想電容沖/放電流；Cs為理想電容容值；UC為理想電容電壓。

由于超級電容組等效模型中的等效串聯內阻Rcss影響，在經過一個充/放電循環后，理想電容電壓Uc與變換器低壓側電壓Uo有：

Uout=RcssIout+UC.

(3)

式中：Iout為變換器低壓側電流，電容組充電時Io為正，放電時Iout為負。由式(3)可知，在計算超級電容組存儲能量及荷電狀態時，需使用Uout與Iout換算出理想電容容值Cs.

超級電容組的工作電壓由變換器決定，而且應低于最大電容電壓Ucm.超級電容組最大儲存能量為：

(4)

式中：Ecm為超級電容最大儲存能量，設超級電容組在某一時刻t時電壓為U1，有：

(5)

(6)

式中：Eu為超級電容組剩余容量；SC為超級電容荷電狀態。工作于Buck狀態下時需保證足夠的剩余容量Eu避免超級電容過充；變換器工作在Boost狀態時超級電容組應留有較大的SC以保證放電。超級電容組關鍵參數選取如表2所述。

表2 超級電容組關鍵參數設置Table 2 Super capacitor key parameters setting

2.2 雙向DC/DC變換器儲能系統建模

儲能系統由雙向DC/DC變換器進行能量控制。由于Buck模式與Boost模式工作狀態與控制模型相似，下面將以Buck模型為例進行詳細說明，并主要介紹Buck模式的控制器建模過程。Buck模式下，高壓側濾波電容Cl、二極管D1與開關管S2不影響穩態工況，因此建模時忽略這些元件影響。將變換器的非線性元件近似為理想元件與等效內阻串聯，圖3為Buck模式下變換器的等效模型。下面對基于全紋波的Buck模型進行推導。

圖3 Buck模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of buck mode

CCM狀態下，一個開關周期Ts內的平均狀態空間方程為：

(7)

對狀態空間方程進行Laplace變換，將狀態變量和輸入變量進行線性化與矩陣化后有：

(8)

由狀態空間矩陣[17]可得：

(9)

(10)

基于全紋波的Buck模式傳遞函數模型使用外環電壓環、內環電流環的控制器，通過電壓環限幅環節使參考功率Pref控制電流參考信號Ioutlim.控制框圖如圖4所示。

圖4 Buck模式控制框圖Fig.4 Control diagram of Buck mode

基于全紋波的控制器占空比模型：

(11)

變換器在Buck模式下，電流環控制器Gca(s)使用Ⅰ型PI控制器，電壓環控制器Gcu(s)使用P控制器。其電流環開環截止頻率選定為3 kHz，電壓環開環截止頻率選定為1.5 kHz.

為保證超級電容組工作在較高效率且避免過充，設定超級電容荷電狀態(SOC)SC工作區間為0.5～0.9.SC估算公式為：

(12)

參考功率Pref控制變換器的最大輸出功率。變換器輸出功率Pout為：

Pout=ILUout.

(13)

式中：變換器輸出功率Pout在Buck模式下為正，在Boost模式下為負。當荷電狀態SC較小時，電壓環處于飽和狀態，變換器可為超級電容組進行恒功率充電；當荷電狀態SC趨于1時，限幅環節失效，輸出功率將以指數形式衰減至零。

2.3 控制系統邏輯判斷設計

圖5所示為提出的控制器邏輯判斷流程圖。參考功率Pref通過檢測電機功率Pload對應查表給出，目的是使電源輸出功率維持恒定值。當電機功率較小時，參考功率Pref為正，超級電容能量足夠時置控制信號xd為1，使變換器工作于Buck模式為超級電容組充電；當電機功率過大時，參考功率Pref為負，超級電容組剩余容量足夠時置控制信號為-1，變換器被控進入Boost模式，超級電容組輔助電源為電機供電。

圖5 控制器邏輯判斷框圖Fig.5 Logic decision diagram of controller

3 仿真模型及結果

在SimulationX軟件中，搭建的變轉速純電驅液壓挖掘機的雙向DC/DC儲能系統仿真模型如圖6所示。忽略逆變器損耗，并給定伺服電機設定的變轉速信號nref與轉矩信號Tref，使伺服電機工作于模擬工況下。控制器根據設定的邏輯判斷模塊，通過檢測電機功率Pel實時調整變換器的輸出功率Po，使電源輸出功率Ps保持恒定值。

圖6 變換器儲能系統仿真模型Fig.6 BDC energy storage system simulation model

仿真過程中使用500 V恒壓源模塊作為變換器高壓側電壓Uin，給定伺服電機變轉速信號nref與轉矩信號Tn如圖7所示，圖8為仿真過程中伺服電機功率Pel波動圖。

圖7 給定轉速信號與轉矩信號圖Fig.7 Diagram of given speed signal and torque signal

圖8 伺服電機功率波動圖Fig.8 Diagram of servo motor power

由圖8得知，電機功率Pel在15 s內有兩次功率波動，其最大功率為19.3 kW.設定控制器使電源輸出功率Ps維持在6 kW，電機功率Pel小于設定電源輸出功率Ps時，使電源為儲能系統充電；電機功率Pel大于設定電源輸出功率Ps時，使儲能系統放電輔助電源為電機供電。設定理想電容Cs初始電壓為300 V，對應初始SC為0.735.圖9為BDC參考功率Pref與輸出功率Pout對比及模式控制信號xd圖，圖10為輸出功率Pout與超級電容組估算SC圖。

圖9 變換器參考功率與負載功率及控制信號圖Fig.9 Diagram of BDC reference power and load power and control signal

圖10 輸出功率Pout與超級電容組估算SC圖Fig.10 Diagram of BDC output power Pout and super capacitor SC estimated value

由圖9與圖10可知，輸出功率Pout可以快速到達CCM工作狀態，且功率紋波為1 800 W左右。變換器的輸出功率Pout可以快速準確地跟隨參考功率Pref，輸出功率Pout平均值穩態誤差小于0.1%，動態響應時間為10 ms左右。在超級電容SC工作區間，模式控制信號xd可以隨輸出功率Pout切換方向，響應速度較快。圖11為仿真中，超級電容組估算SC與充放電效率η波動圖。

圖11 超級電容組估算SC與充放電效率圖Fig.11 Diagram of super capacitor SC estimated value and charge/discharge efficiency

由圖11可知，超級電容組在充/放電過程進行模式切換時，變換器參考功率Pref符號隨之改變，導致超級電容組效率η具有較大程度波動。此外可從圖11得知，當超級電容組工作于穩態時，超級電容組效率η隨估算SC上升/下降斜率的增大而降低，其最低效率約為0.949.當超級電容的充/放電電流增加時，估算SC的上升/下降斜率將隨之增大，消耗于等效串聯內阻Rcss的能量將隨之增加，導致效率降低。

由于變換器拓撲影響，在Boost模式下的輸出電流Iin具有很大紋波，將對電源輸出功率Ps引入相同頻率紋波。圖12為仿真工況下濾波后電源輸出功率Ps與電機功率Pel圖。

圖12 濾波后電源輸出功率與電機功率圖Fig.12 Diagram of filtered output power and motor power

由圖12可知，變換器控制器可以使電源輸出功率Ps維持于恒定值6 kW處，當電機功率Pel大于電源輸出功率Ps的瞬時，變換器狀態發生切換，電源輸出功率Ps將產生小幅波動。

4 結束語

本文論述了用于變轉速純電驅液壓挖掘機的非隔離半橋雙向DC/DC變換器超級電容組儲能系統的工作及控制原理，并對基于等效電阻的儲能系統各元件參數進行選取。采用全紋波的建模方法，以Buck工作模式為例，詳細介紹了基于等效電阻的儲能系統建模。在保證超級電容組高效充放電前提下，設計了控制器邏輯判斷模塊，使變換器能由電機功率自適應調整輸出功率，維持恒定的電源功率輸出。運用SimulationX軟件對儲能系統仿真，在模擬工況下可得：設計的控制器可以在保證超級電容組效率與不過充的前提下快速精確地追蹤設定參考功率，并能在電機功率較小時吸收電源功率，在電機功率較大時補償電源功率，在電機功率突變時維持較小的電源功率波動。