簡述一種電動輪自卸車用雙向DC/DC變換器的設計

摘 要 針對電動輪自卸車的應用需求，設計了一種適合于電動輪自卸車超級電容充放電特性的700kW等級的雙向DC/DC變換器，進行了功率電路和控制系統的設計，利用試驗樣機進行超級電容充放電試驗，驗證了產品設計的正確性。

關鍵詞 雙向DC/DC變換器;Buck-Boost變換器;超級電容

前言

近年來，由于超級電容等新儲能元件的應用，將車輛再生制動的電能進行存儲利用已成為電動輪領域研究當前的重要課題。本雙向DC/DC變換器安裝在超級電容供電的純電動輪自卸車上，用于連接超級電容與牽引逆變器。牽引時，變換器將能量由超級電容傳送給牽引逆變器;制動時，變換器將牽引逆變器再生制動能量傳送給超級電容，實現制動能量回收。DC/DC變換器通過能量的雙向控制，維持牽引逆變器側的電壓穩定。

1變換器的設計

1.1 主要設計說明

（1）為了減小變換器噪聲、體積和重量，主電路擬采用三電平方案，開關頻率為15kHz。

（2）為了提高系統可靠性，采用兩單元模塊結構，其中一單元故障時，切除故障單元，不影響車輛的運行。

1.2 系統主電路結構

系統主電路如圖1所示。將蓄能超級電容和DC/DC變換器分為1#和2#兩個完全相同的單元，輸出并聯給牽引逆變器供電。每個單元有獨立的斷路器、主接觸器和充電接觸器，輸出經濾波電后經帶熔斷器的開關向牽引逆變器供電。每個單元內部由兩個并聯的三電平雙向DC模塊構成，每個功模塊輸出電流400A。上述主電路方案形成如下特點：①采用三電平結構，開關頻率為15kHz，電感及開關器件的噪聲幾乎聽不到，濾波電感可減小4倍（對應相同開關頻率的兩電平）;②IGBT采用infineon型號為FF600R12ME4? EconoDUAL封裝 1200V/600A IGBT模塊，散熱性能好，維護方便;③兩個單元獨立控制，一臺出現故障后隔離后，車輛可降功率為原來一半運行;④兩個單元載波信號相差180度，兩重斬波運行，減小流入逆變器側的紋波電流;⑤兩個單元內各有兩個功率模塊，四個功率模塊采用相同的結構，故障后維護更換方便。

1.3 控制系統

（1）控制功能。雙向DC/DC控制目標是實現牽引逆變器直流側電壓穩定，保證牽引逆變器與超級電容間能量能雙向流動，此外控制要求兩個單元的輸出電流應基本相等。控制器采用了電流下垂的電壓電流雙閉環控制，外環是逆變器直流側電壓環，內環是雙向DC/DC的電流環，電流環輸出與三角波比較生成觸發脈沖。三電平上下兩個半橋功率模塊的觸沖發生電路采用同一個三角波，調制信號反向。

控制器兩個功能實現如下：①逆變器恒壓控制。電壓環的給定與反饋作為電流的參考指令。當因牽引逆變器輸出功率增大輸出電壓降低時，電壓PI輸出增加，增加超級電容流出的電流，由超級電容側流出的能量增多，維持直流電壓穩定;當牽引逆變器制動時，牽引逆變器交流側能量流向直流側使直流側電壓上升，電壓PI輸出減小變為負號時，超級電容流出電流由正變為負，吸收能量，維持了逆變器直流側電流不變。②雙向DC/DC均流控制。圖2中反饋電流經過一個系數K后加入到電壓環反饋信號中，這樣使得恒壓環控制中具有下垂特性，即隨著雙向DC/DC輸出電流的增加，逆變器直流側電壓略有下降。兩個具有下垂特性的雙向DC/DC并聯運行時，可以無須通訊聯系就可實現輸出增均流控制。

（2）控制器結構。控制器由ARM+FPGA為內核的控制板外加數字和模擬電路構成。控制器對外接口有：控制電源輸入、電器控制輸出、電器狀態輸入、驅動脈沖輸出、驅動狀態輸入、電壓電流傳感器輸入、散熱器溫度傳感輸入。控制器根據輸入傳感器信號完成變換器的控制和保護功能[1]。

2樣機試制及試驗結果

2.1 樣機試制

本文設計了700kW等級的雙向Buck/Boost變換器樣機，主要電氣參數 ：

輸入電壓：950V～465V;

輸入電流：785A～1602A;

輸入額定功率：745kW;

輸出額定電壓：930V;

輸出額定電流：762A;

輸出額定功率：708kW;

輸出電流紋波：小于20%;

額定效率：大于98%;

冷卻方式：強風冷;

2.2 試驗波形

采用雙向Buck-Boost變換器的工程樣機搭配超級電容組、牽引逆變器、牽引電機、高壓電源進行循環充放電試驗。

圖中曲線1是儲能元件超級電容的電壓，曲線2是儲能元件超級電容的輸出電流，曲線3是變換器Boost端的輸出電流，曲線4是變換器Boost端的輸出電壓[2]。

3結束語

雙向Buck-Boost變換器具有拓撲簡單、可靠性高、能夠達到700kW以上功率等級的優點，適合應用在基于超級電容的電動輪車載能量管理系統中。變換器主電路采用了三電平方案，開關頻率設置為12kHz，有效減小了變換器噪聲、體積和重量;控制器采用了電流下垂的電壓電流雙閉環控制，有效實現了恒壓控制和均流控制。但樣機試驗也指出，在大電流應用場景下，雙向變換器的輸出直流電流波形效果仍然較差，對環境可能存在一定的電磁干擾，后續產品開發設計工作的重點進一步采用多相交錯并聯輸出的拓撲結構，改善電流波形質量。

參考文獻

[1] 金科，楊孟雄，阮新波.三電平雙向變換器[J].中國電機工程報， 2006，26（18）：41-46.

[2] 姜磊. Buck-Boost變換器在車載超級電容能量管理系統中的應用[D].大連：大連理工大學，2013.