基于新能源汽車續航和動力性提升的雙向DC—DC設計

杭孟荀　沙文瀚　李慶國

摘要：本文介紹了一種新能源汽車驅動系統用升壓雙向DC—DC，該DC—DC采用交錯并聯雙向BOOST/BUCK拓撲電路，通過數字DSP芯片實現電源能量的雙向傳遞及輸出電壓的優化控制。傳統新能源汽車在一些工況下因驅動系統母線電壓波動會嚴重影響驅動系統的輸出性能，雙向DC—DC可以提供給驅動系統穩定的電壓供應，另外根據驅動系統工作特性優化驅動系統的電壓供應，從而提高了驅動系統的工作效率、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的續航里程、整車動力性及可靠性。

關鍵詞：雙向DC—DC;交錯并聯;續航里程;整車動力性;驅動系統

0 引言

近年新能源汽車的產銷量得到迅速增長，尤其我國的產銷量已經成為世界第一，人們對新能源汽車的接受程度也越來越高，國內新能源汽車產品性能也得到了極大提升，不過整車能耗這一指標跟國外比較還有一定的差距，整車能耗高將極大影響整車的續航里程，也不利于新能源汽車的進一步普及。為此國家出臺了一些政策引導整車企業關注整車能耗，鼓勵加強技術能力提升并開發出能耗更小的整車。

驅動系統作為整車使用能量比例最大的零部件，其工作效率的提升對整車降能耗貢獻最大，根據整車對驅動系統的應用場景可以將驅動系統的外特性分為三個工作區，如圖1所示。城市工況作為常用工況，其對驅動系統的要求是小扭矩區長時間工作，對應圖1中的效率區，該區域也是NEDC工況最常用區域，通常此區域的驅動系統效率偏低。再者圖1中A為扭矩拐點，其值較小或對應轉速偏低將影響整車的爬坡性能和加速性能，A點之后電機將進入恒功率弱磁區，因弱磁電流的作用也會導致驅動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，這樣也會導致整車在高速行駛時的動力性下降問題。

目前電機的發展趨勢之一是高轉速，高轉速帶來的益處是電機可以小型化，不過在動力電池電壓范圍沒有變化的情況下，更高轉速區的效率偏低，影響了整車高速行駛里程。另外常規新能源汽車動力電池電直接供電機控制器和電機使用，在猛踩油門時會出現母線電壓因瞬間大電流在母線寄生電感作用下較大電壓跌落的現象，這種情況下會影響整車驅動系統輸出性能。

針對以上問題，本文采用非隔離升降壓雙向DC-DC給驅動系統提供穩定且電壓可調的電源供應，以驅動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，從而實現整個系統的工作性能優化，提高了整車的續航里程和動力性能，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期運行退磁的風險。

1 不同電壓對驅動系統性能影響

通過電機臺架實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340V、540V和750V三個電壓下的驅動系統輸出外特性圖，如圖2所示，驅動系統輸入電壓升高則驅動系統的高效區面積占比增大尤其高速弱磁區效率會明細改善，不過輸入直流電壓偏低時則在小扭矩效率區的驅動系統效率會有所改善。提取相同扭矩和轉速下不同電壓驅動系統的最高效率合并為一個系統外特性圖，可以見其高效區占比面積由340V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足整車不同工況下整車的續航里程的提升。

從圖2還可以看出隨著電壓升高驅動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高速行駛的加速性能和最高車速。

2 雙向DC—DC主電路設計

本文雙向DC—DC采用交錯并聯電路，可以實現動力電池升壓后供驅動系統使用，也可以實現驅動系統能量回饋電壓降壓后給動力電池充電，其拓撲圖如圖3所示。交錯并聯電路將主功率電路分為兩路，其優點一為紋波電壓、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，其優點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雙向DC—DC變換器，其詳細技術參數如下：

變換器功率電路由兩路并聯組成，按單路電流為總電流的一半來設計單路功率電路的器件參數。考慮到DCM模式下的開關管內的峰值電流更大，更大的電流導致開關管損耗更大且選型容量更大的開關管也會增加成本，另外更大的峰值電流也會帶來更大的EMC問題，因此本文選擇CCM模式來設計主功率器件參數，考慮到開關器件及輸入電壓范圍計算最小電感公式如下：

（1）式式中△IL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，因動力電池的電壓是300V～410V這個范圍，根據公式1畫出電感L與電壓的對應關系曲線如圖4所示，從而BOOST在輸入電壓最大時對應的電感最大值為Lboos=200.5μH，BUCK在最大輸出電壓處對應的最大電感為Lbuck=200.5μH，綜合考慮選取單獨電感的電感值為L1=Lz=200μH。

根據電感電流紋波全部流入電容產生的輸出電壓脈動可以計算出所需電容大小，又因兩相交錯并聯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：

（2）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=253.3μH，C1=48.85μH，考慮到ESR的影響，實際選擇C2=470μH，C1=100μH，以保證紋波電壓目標達成。

3 系統控制設計

考慮到實際數字控制中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節，從而使仿真結果更加接近真實結果。整個控制系統采用雙環控制，內環采用兩路電流環，外環采用電壓環控制，雙環控制比單環控制在動態性能和穩態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穩態工作點注入小信號，通過輸出端口觀測小信號對輸出的影響可以掃描出系統的bode圖。根據bode圖有針對性的設計出P1補償器，然后通過SWEEP功能掃描出補償后的bode圖，從圖中可以看出補償后開環系統相角余量在49.3°，幅值余量為—46.7dB，截止頻率為2.79kHz。

接下來進行外環電壓環設計，類似電流環設計，使用SWEEP掃描功能設計出電壓環PI控制器，具體如下圖所示，電壓環PI補償后整個開環系統相角余量為48.6°，幅值余量為—43.3dB，截止頻率為703Hz。

4 系統仿真驗證

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

升壓BOOST帶半載47.5kW啟動，變換器輸出電壓穩定后帶突加載到滿載95kW及突減載至47.5kW，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750—744.7=0.71%，另外由圖7可知變換器突加減載其恢復穩定電壓時間為2ms。

4 結論

新能源汽車電驅動系統其能耗、輸出功率、扭矩及弱磁程度跟其輸入電壓有很大關系，電壓升高后會使這四方面性能有很大提升。升壓總體會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，結合驅動系統的以上工作特性以及整車運行工況，通過雙向DC-DC給驅動系統提供合適的電壓，以便驅動系統一直工作在性能較好的區域，從而提升了整車的動力性、耗電經濟性和可靠性。

本文根據驅動系統特性設計了一款交錯并聯BOOST/BUCK變換器，此變換器采用電壓和電流環雙環控制，其內部電流環采用兩路電流環獨立控制，通過PSIM仿真驗證，其升壓輸出的動態性能和穩態性能均滿足需求。

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