基于復(fù)合控制的雙向DC-DC變換器研究

司勝文，郭小定，陳 馳

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引 言

當(dāng)今全球范圍內(nèi)各大汽車生產(chǎn)廠家都在致力于新能源汽車的研發(fā)工作。新能源汽車的研發(fā)不僅是汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的信號(hào)，而且是世界各國(guó)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突破口，越來越多的汽車公司緊跟時(shí)代潮流，將新能源汽車作為發(fā)展戰(zhàn)略中的重點(diǎn)突破口。我國(guó)在“十五”期間的規(guī)劃指出將燃料電池汽車的研發(fā)推廣作為當(dāng)前我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)[1]。在當(dāng)今能源消耗極大、環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，燃料電池汽車的發(fā)展勢(shì)在必行，必將形成一股強(qiáng)大的力量推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。燃料電池汽車行駛過中工況相對(duì)復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。燃料電池汽車系統(tǒng)中，大功率電力電子的雙向變換技術(shù)可保證客車行駛時(shí)燃料電池工作在最佳效率狀態(tài)，且是在制動(dòng)或減速過程中能量能否可靠、高效回收存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)[2]。因此，開發(fā)DC-DC變換器等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備將成為研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

1 雙向DC-DC變換器工作原理

雙向DC-DC變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由升壓Boost電路和降壓Buck電路反并聯(lián)而成。雙向DC-DC變換器有兩個(gè)功率開關(guān)，通過控制開關(guān)的導(dǎo)通控制其工作模式。工作在Boost模式時(shí)，管S1開關(guān)動(dòng)作，管S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)可靠封鎖；工作在Buck模式時(shí)，管S2開關(guān)動(dòng)作，管S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)可靠封鎖[3-5]。

變換器工作在Boost模式時(shí)，開關(guān)管V1截止，通過控制開關(guān)管V2的導(dǎo)通時(shí)間控制輸出電壓的大小。當(dāng)開關(guān)管V2導(dǎo)通時(shí)，電壓U1加到電感L的兩端，電感電流Li流過線圈，在電感線圈未飽和前，電感電流Li線性增加，對(duì)電感進(jìn)行充電，此時(shí)電容C2通過負(fù)載放電；當(dāng)開關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，電感電流Li通過二極管向輸出測(cè)流動(dòng)，此時(shí)輸入電壓和電感電壓串聯(lián)共同給負(fù)載供電，并給C2充電，電感電流Li線性減小。

變換器工作在Buck模式時(shí)，開關(guān)管V2截止，通過控制開關(guān)管S2的導(dǎo)通時(shí)間控制輸出電壓的大小。當(dāng)開關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，電壓U2加到電感L和電容C1的兩端，電感電流Li線性增加，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在電感中，并對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電；當(dāng)開關(guān)管V1關(guān)斷時(shí)，電感電流Li通過二極管向超級(jí)電容測(cè)流動(dòng)，電感電流Li線性減小[6]。

2 復(fù)合控制系統(tǒng)的特性原理

雙向DC-DC變換器的輸出特性要求在輸入電壓不穩(wěn)定的情況下能夠保持輸出恒壓和恒流。雙閉環(huán)復(fù)合控制系統(tǒng)將幾種特性進(jìn)行復(fù)合，根據(jù)輸出電壓和輸出電流的情況，對(duì)按照輸入輸出特性的要求和等級(jí)進(jìn)行自動(dòng)切換[7]，其控制原理圖如圖2所示。

設(shè)定系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流，通過各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的信號(hào)發(fā)送到復(fù)合自動(dòng)控制器，自動(dòng)控制器根據(jù)自身特性選擇當(dāng)前最需要的閉環(huán)調(diào)節(jié)。經(jīng)過復(fù)合控制系統(tǒng)后，輸出一個(gè)控制信號(hào)到PWM控制器，并發(fā)送一個(gè)信號(hào)到IGBT驅(qū)動(dòng)，控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制變換器的輸出特性。隨著輸出電壓、電流的不斷變化，誤差信號(hào)不斷變化，控制系統(tǒng)不斷調(diào)整輸出特性，最終達(dá)到穩(wěn)定輸出[8]。

圖2 復(fù)合控制系統(tǒng)原理圖

3 DC-DC變換器復(fù)合控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)復(fù)合控制系統(tǒng)的特性，建立如圖3所示的復(fù)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型圖。DC-DC變換器的輸出電壓u0與輸出電流i0，分別經(jīng)過電壓傳感器與電流傳感器檢測(cè)后，通過采樣調(diào)節(jié)器Hu0(s)和Hi0(s)后，得到反饋信號(hào)bu0(s)和bi0(s)，將兩路反饋信號(hào)分別與控制單元預(yù)先設(shè)定的電壓給定值ug和電流給定值ig進(jìn)行比較[9]，分別得到電壓環(huán)與電流環(huán)誤差信號(hào)eu0(s)和ei0(s)：

兩路誤差信號(hào)再分別通過各自的控制器傳遞函數(shù)，經(jīng)校正補(bǔ)償后輸出e、u0(s)和e、i0(s)：

將校正補(bǔ)償后的誤差信號(hào)輸入到復(fù)合控制器[10]，得到復(fù)合后的誤差信號(hào)，復(fù)合控制器的傳遞函數(shù)定義為Gmin(s)：

復(fù)合后的誤差信號(hào)輸入到PWM控制器進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制IGBT的占空比，從而控制輸出大小，其分別是比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和PWM控制器傳遞函數(shù)。G(s)與d的關(guān)系如下：

即當(dāng)確定了e—(s)，G(s)也就隨之確定，電壓輸出特性與電流輸出特性經(jīng)過上述運(yùn)算后復(fù)合到一起，動(dòng)態(tài)選擇當(dāng)前需要進(jìn)行閉環(huán)控制的特性，從而實(shí)現(xiàn)不同特性之間的自動(dòng)切換[11]。假若考慮輸入電壓和輸出電壓的擾動(dòng)，擾動(dòng)量為u^in和u^0，傳遞函數(shù)為Gu0、Gi0、Guin，那么變換器的輸出變量為：

圖3 復(fù)合控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型圖

4 DC-DC變換器復(fù)合控制系統(tǒng)的仿真

若擾動(dòng)量=0、=0則：

復(fù)合控制控制系統(tǒng)利用Simulink搭建電路仿真模型，仿真參數(shù)為：電壓環(huán)Kp=0.48，Ki=1.25；電流環(huán)Kp=6.3，Ki=22；濾波電容C1=C2=1 000 μF，高壓測(cè)電壓U=300 V，電感L=3 mH；開關(guān)頻率為20 kHz。

4.1 Boost模式仿真

按照上述圖4所示的控制復(fù)合系統(tǒng)的方法搭建了Simulink電路仿真模型，按照以上計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行了仿真，預(yù)先設(shè)定輸出電壓為300 V，輸出電流為30 A，經(jīng)過復(fù)合控制系統(tǒng)仿真后輸出波形如圖5所示。

圖4 Boost模式系統(tǒng)Simulink仿真模型

圖5 Boost模式下復(fù)合控制系統(tǒng)輸出波形

從電壓電流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間來看，單閉環(huán)控制時(shí)間為3.8×10-3s，復(fù)合控制系統(tǒng)為3.6×10-3s，相比之下復(fù)合控制系統(tǒng)速度更快；輸出電壓和電流的穩(wěn)定性都非常好，基本上沒有超調(diào)，且紋波很小。設(shè)計(jì)輸出電流在0.02 s時(shí)，由原來的30 A降到25 A，觀察系統(tǒng)的輸出波形，仿真后波形如圖6所示。

從電壓、電流的波形來看，當(dāng)輸出電流發(fā)生變化后，經(jīng)過復(fù)合控制系統(tǒng)反饋調(diào)整，系統(tǒng)很快作出反應(yīng)達(dá)到相應(yīng)值，且在此過程中，波動(dòng)很小、很平滑，能夠迅速達(dá)到新的穩(wěn)定值。輸入電壓由原來的200 V增大到220 V，通過仿真觀察輸出電壓波形，將其與采用的電壓?jiǎn)伍]環(huán)進(jìn)行比較，仿真后波形如圖7所示。

當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，兩種控制方法均可對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，保持輸出電壓的穩(wěn)定，但單閉環(huán)控制時(shí)出現(xiàn)了一定程度的波動(dòng)，而復(fù)合控制幾乎沒有出現(xiàn)波動(dòng)，可以說明復(fù)合控制的方法比單閉環(huán)控制的穩(wěn)定性更好。

圖6 Boost模式下復(fù)合控制系統(tǒng)突變輸出波形

圖7 兩種控制方法輸出電壓比較

5 結(jié) 論

復(fù)合控制在Boost模式下，既可以動(dòng)態(tài)選擇其輸出特性，又能實(shí)現(xiàn)輸出特性的自動(dòng)切換。在Boost模式下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感在開關(guān)導(dǎo)通后承受正向電壓，此時(shí)電感中電流逐漸增大，儲(chǔ)存電能；開關(guān)閉合后承受反向電壓，電感中儲(chǔ)存的電能向輸出側(cè)流動(dòng)，電感電流逐漸減小。仿真波形與理論分析一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。