混合動力機車雙向DCDC 充放電裝置研究

王晶，王泉策，柴媛，陳宏

（中車永濟電機有限公司，山西永濟，044500）

0 引言

以“動力電池+柴油機組”和“動力電池+受電弓”為代表的混合動力機車，相較于純內燃機車，不僅能夠有效減少柴油機組的碳排放和系統噪聲，達到節能減排、綠色高效的目的，助力國家“雙碳”發展目標，同時可以滿足重載牽引需求，將是引領未來軌道交通裝備智能綠色發展潮流的重要裝備[1～2]。雙向DCDC 充電裝置作為機車牽引輔助變流系統的一部分，對于整車的節能減排起著重要作用。

通常機車根據整車性能需求配置若干組動力電池，一個動力電池配置一組DCDC 變換器，DCDC 變換器一端連接動力電池，另一端連接在直流母線上?；旌蟿恿C車的DCDC變換器主電路拓撲如圖1 所示。雙向DCDC 變換器可實現能量的雙向傳輸，功能上相當于2 個獨立的單向DCDC 變換器，在產品開發中可減少器件數目，進而實現變流系統的小型化和輕量化。

圖1 主電路拓撲結構

當DCDC 變換器為動力電池充電時，雙向DCDC 工作在Buck 模式；當動力電池為機車牽引輔助系統供電時，雙向DCDC 工作在Boost 模式。

混合動力機車雙向DCDC 充放電裝置通常采用非隔離Buck/Boost 變換器，根據整車的技術要求可選擇兩電平和三電平兩種主電路拓撲。本文主要基于工程設計的基礎上，提出兩種可行的主電路拓撲方案，并從多個關鍵技術角度進行詳細分析對比和驗證。

1 主電路工作原理

1.1 兩電平Buck/Boost 主電路

兩電平Buck/Boost 變換器的主電路原理如圖2 所示。圖中VT1 和VT2 為IGBT 開關管，L 為濾波電感，C1 和C2為直流端電容。

圖2 兩電平Buck/Boost 主電路

1.1.1 Buck 電路模式

當電路工作在Buck 模式，結合機車DCDC 變換器的實際電源和負載，工作原理如圖3 所示，Buck 變換器的輸出電壓小于輸入電壓，圖3 中直流母線電源提供輸入電壓Uin，VT1 和VT2 為IGBT 管，在Buck 模式時VT1 作為開關管使用，VT2 作為續流二極管使用，C 為直流母線端電容，負載為動力電池，Uo為負載直流電壓。

圖3 兩電平Buck 電路工作原理

主電路在VT1 導通與關斷區間的工作模式不同，動力電池端的電流與電壓波形隨工作狀態不同而呈現不同。因此，可根據Buck 電路中VT1 的工作狀態，將Buck 電路劃分兩種工作模態。

（1）工作模態1

當VT1 導通時，Uin通過VT1 為濾波電感L 儲能，電感L 兩端的電壓為Uin-Uo，穩態時Buck 電路的輸出電壓Uo小于輸入電壓Uin，電感L 兩端的電壓為左“+”右“-”，電感電流iL線性上升，輸入電流iin等于電感電流，VT2 的電流為0。電感電流iL的上升斜率滿足以下公式：

該工作階段表現為電感儲能階段，輸入電壓Uin給電感L 儲能的同時也為動力電池充電。

（2）工作模態2

當VT1 關斷，由于電感電流iL不能突變，電感電流iL方向與上一時刻方向相同，通過VT2 體二極管進行續流，電感L 兩端的電壓為-Uo，電感開始釋放能量，電感電流iL線性下降，輸入電流iin=0，iVT2等于電感電流iL。電感電流iL的下降斜率滿足以下公式：

1.1.2 Boost 電路模式

當電路工作在Boost 模式，結合機車DCDC 變換器的實際電源和負載，工作原理如圖4 所示，Boost 變換器的輸出電壓大于輸入電壓，圖4 中動力電池為輸入電壓Uin，Boost 模式時VT2 作為開關管使用，VT1 作為續流二極管使用，負載為接在直流母線上的牽引輔助變流系統，Uo為直流母線電壓。

圖4 兩電平Boost 電路工作原理

同理根據VT2 的工作狀態將Boost 劃分兩種工作模態。

（1）工作模態1

當VT2 導通時，輸入直流電壓Uin通過VT2 加載在電感L 兩端，電感L 兩端的電壓UL等于輸入電壓Uin，電感電流iL呈線性增加趨勢，電流方向在圖4 中自右向左。由于VT2 導通，VT1 體二極管反向截止，牽引輔助變流系統由電容C 供電。

工作模態1 過程中為輸入電壓Uin為電感L 儲能，此時，輸入電壓Uin與電感電流iL滿足：

（2）工作模態2

當VT2 關斷時，由于上一階段電感電流iL不能突變，VT1 體二極管導通，則電感L 兩端的電壓為Uin-Uo，其中電壓Uo大于Uin，電感電流iL呈線性減小趨勢。

工作模態2 過程中電感L 釋放能量，同時輸入電源Uin補償輸出電容C 在上一工作模態中釋放的能量。此時，輸入電壓Uin、輸出電壓Uo與電感電流iL滿足：

1.2 三電平Buck/Boost 主電路

三電平Buck/Boost 變換器的主電路原理如圖5 所示。圖5 中VT1/VT2/VT3/VT4 為IGBT 開關管，L 為濾波電感，C1 和C2 為均壓電容，C3 為濾波電容。

圖5 三電平Buck/Boost 主電路

1.2.1 Buck 電路模式

當電路工作在Buck 模式，工作原理如圖6 所示。Buck 模式包含4 個工作模態[3]，當占空比D ＜0.5 時，主電路工作在模態2、模態3 和模態4；當占空比D ＞0.5 時，主電路工作在模態1、模態2 和模態3。每個工作模態的電流方向如圖6 所示。

圖6 三電平Buck 電路工作原理

假設輸出電壓Uo無紋波脈動且兩個均壓電容電壓相等。當占空比D ＜0.5 時，在一個開關周期T 內，主電路包含4 個工作階段，每個階段對應一種工作模態，Uab包含Uin/2和0 兩種電平。

（1）第1 階段：當VT1 和VT3 導通、VT2 和VT4 關斷時，主電路工作在模態2，該階段電容C1 同時給電感L 和動力電池充電，電感電流iL線性增加，Uab=Uin/2。

（2）第2 階段：當VT2 和VT3 導通、VT1 和VT4 關斷時，主電路工作在模態4，該階段電感L 通過續流對動力電池充電，電感電流iL線性減小，Uab=0。

（3）第3 階段：當VT2 和VT4 導通、VT1 和VT3 關斷時，主電路工作在模態3，該階段電容C2 同時給電感L 和動力電池充電，電感電流iL線性增加，Uab=Uin/2。

（4）第4 階段：與第2 階段工作狀態相同，主電路工作在模態4，Uab=0。

當占空比D ＞0.5 時，在一個開關周期T 內，主電路包含同樣4 個工作階段，每個階段對應一種工作模態，Uab包含Uin和Uin/2 兩種電平。

（1）第1階段：當VT1 和VT4導通，VT2 和VT3 關斷時，主電路工作在模態1，該階段直流母線電源同時給電感L 和動力電池充電，電感電流iL線性增加，Uab=Uin。

（2）第2階段：當VT1 和VT3導通、VT2 和VT4 關斷時，主電路工作在模態2，該階段電容C1 同時給電感L 和動力電池充電，電感電流iL線性減小，Uab=Uin/2。

（3）第3 階段：與第1 階段工作狀態相同，主電路工作在模態1，Uab=Uin。

（4）第4階段：當VT2 和VT4導通、VT1 和VT3 關斷時，主電路工作在模態3，該階段電容C2 同時給電感L 和動力電池充電，電感電流iL線性減小，Uab=Uin/2。

1.2.2 Boost 電路模式

當主電路工作在Boost模式，工作原理如圖7 所示。Boost 模式包含4 個工作模態[4]，當占空比D ＜0.5 時，主電路工作在模態1、模態2 和模態3；當占空比D ＞0.5 時，主電路工作在模態2、模態3 和模態4。每個工作模態的電流方向如圖7所示。

圖7 三電平Boost 電路工作原理

當占空比D ＜0.5 時，在一個開關周期T 內，主電路包含4 個工作階段，每個階段對應一種工作模態，Uab包含Uo和Uo/2 兩種電平。

（1）第1 階段：當VT2 和VT4 導通、VT1 和VT3 關斷時，主電路工作在模態3，該階段動力電池同時給電容C2 和電感L 充電，電感電流iL線性增加，電容C1 和C2 同時對直流母線負載放電，Uab=Uo/2。

（2）第2 階段：當VT1 和VT4 導通、VT2 和VT3 關斷時，主電路工作在模態1，該階段電感L 釋放能量，電感電流iL線性減小，動力電池和電感L 同時對電容C1、C2 和直流母線負載供電，Uab=Uo。

（3）第3 階段：當VT1 和VT3 導通、VT2 和VT4 關斷時，主電路工作在模態2，該階段動力電池同時給電容C1 和電感L 充電，電感電流iL線性增加，電容C1 和C2 同時對直流母線負載放電，Uab=Uo/2。

（4）第4 階段：與第2 階段工作狀態相同，主電路工作在模態1，Uab=Uo。

當占空比D ＞0.5 時，在一個開關周期T 內，主電路包含4 個工作階段，每個階段對應一種工作模態，Uab包含0 和Uin/2 兩種電平。

（1）第1 階段：當VT2 和VT3 導通、VT1 和VT4 關斷時，主電路工作在模態4，該階段電容C1 和C2 給直流母線負載供電，動力電池給電感L 充電，電感電流iL線性增加，Uab=0。

（2）第2 階段：當VT2 和VT4 導通、VT1 和VT3 關斷時，主電路工作在模態3，該階段電感L 釋放能量，電感電流iL線性減小，動力電池和電感L 同時對電容C2 充電，電容C1 和C2 同時對直流母線負載放電，Uab=Uo/2。

（3）第3 階段：與第1 階段工作狀態相同，主電路工作在模態4，Uab=0。

（4）第4 階段：當VT1 和VT3 導通、VT2 和VT4 關斷時，主電路工作在模態2，該階段電感L 釋放能量，電感電流iL線性減小，動力電池和電感L 同時對電容C1 充電，電容C1 和C2 同時對直流母線負載放電，Uab=Uo/2。

2 對比分析

以某型混合動力機車為目標，對以上所提兩種Buck/Boost 主電路工程化設計，具體頂層技術參數如表1 所示，以下主要從Buck/Boost 充放電裝置的輕量化、小型化、可控性、適用性等幾個關鍵方面，對上文所提的兩種主電路產品設計方案展開對比分析。

表1 某型混合動力機車DCDC充放電裝置技術參數

2.1 功率器件選型

就兩種主電路所需功率器件數目而言，兩電平Buck/Boost 拓撲需要2 支3300V 規格的IGBT，三電平Buck/Boost 拓撲需要4 支1700V 規格的IGBT。通常驅動板的數量與IGBT 數量成比例增加。三電平Buck/Boost 相比于兩電平，功率模塊和驅動板的設計更為復雜。

2.2 濾波電感選型

濾波電感作為DCDC 變換器中體積最大的無源器件，其選型方案對于DCDC 充放電裝置重量、體積、散熱等系統技術指標的完成起著重要的作用。以下主要介紹兩種主電路濾波電感值L 的計算，計算過程需要考慮電感電流紋波、功率器件開關頻率及系統散熱能力。

2.2.1 兩電平Buck/Boost 主電路濾波電感計算

Buck 模式：主電路基于恒功率225kW 充電工況下計算對應參數，當直流母線為額定電壓DC1800V 工況時，Buck 的IGBT 工作占空比為：

Buck 電感的選型基于電感紋波電流大小，濾波電感的紋波電流等于電池的紋波電流（即：峰峰值20%），因此電感電流波動量：

當Buck 電路工作于CCM 模式下時，可計算出電感電流的變化幅度，計算Buck 模式下所需的電感值：

Boost 模式：恒功率315kW 放電工況下計算對應參數，當直流母線為額定電壓DC1800V 工況時，Boost 的IGBT工作占空比為：

Boost 模式下電感紋波電流指標與Buck 模式一樣，因此電感電流波動量：

同理，可得出Boost 模式下所需的電感值：

根據公式(8)和(10)，結合功率器件的散熱能力選擇開關頻率，同時考慮一定設計裕量選取電感。

2.2.2 三電平Buck/Boost 主電路濾波電感計算

采用交錯180°控制，假定直流母線電壓為Ubus，電池端電流紋波ΔI=20%IN，開關頻率fs，可計算濾波電感值。

當D ＜0.5 時：

當D ＞0.5 時：

根據公式(11)和(12)，結合功率器件的散熱能力選擇開關頻率，同時考慮一定設計裕量選取電感。

通過對比可知，在相同的開關頻率和紋波電流指標下，三電平Buck/Boost 主電路的濾波電感值是兩電平主電路的1/4，大大減小了電感的體積和重量，更有利于滿足變流系統的性能指標。

2.3 散熱系統設計

功率器件損耗占整機損耗絕大部分，直接影響散熱系統設計。

兩種主電路在開關頻率相同的情況下，三電平Buck/Boost 主電路的損耗更小，更有利于散熱系統設計。

兩種主電路在相同散熱條件下，兩電平Buck/Boost 主電路為了滿足動力電池的紋波電流，只能降低開關頻率同時增大濾波電感值，從而導致變流系統的重量和體積也越大，進而影響整個變流系統的性能指標。

綜上所述，三電平Buck/Boost 主電路更有利于變流系統的散熱系統設計。

2.4 控制策略

動力電池充/放電功率指令，由動力電池BMS 給定，DC/DC 變換器按照該指令工作。兩電平電路需要對動力電池的電壓、電流進行閉環控制；三電平電路除對動力電池的電壓、電流進行閉環控制，還需要對母線電容C1 和C2 均壓控制。Buck 模式和Boost 模式的控制方法類似，在此只介紹Buck 模式控制策略設計。

2.4.1 電壓和電流閉環控制

兩電平和三電平電路的等效電路模型一樣。將動力電池可以等效成一個大電容（C）與一個小內阻（Rb）串聯，將輸入電壓用開關周期平均值DUin等效替代，得出DCDC 裝置+動力電池的等效電路模型如圖8 所示。

圖8 等效電路模型

推導出輸入電壓占空比D 到電感電流iL的傳遞函數為：

電感電流iL到動力電池端電壓Uo的傳遞函數為：

控制環路中的電流環采用PI 控制器，控制框圖如圖9所示。

圖9 電流環控制框圖

結合公式(13)可推導電流環開環傳遞函數GΔio為：

式中：Kip-電流環比例參數；Kii-電流環積分參數。

根據GΔio值，可求出電流環閉環傳遞函數GΔic。結合公式(14)可推導電壓環開環傳遞函數G△uo為：

電壓環控制框圖如圖10 所示。

圖10 電壓環控制框圖

根據傳遞函數和系統的參數可以得出對應的開環控制波特圖，結合仿真和聯調試驗，可以設計出適當的Kp和Ki參數，同時滿足系統的動態響應和超調指標。

根據動力電池的充電曲線和溫度補償曲線可以得到電池電壓的給定值，檢測電池電壓并與給定值比較，經過電壓環PI 控制器輸出電流環給定值，將電流給定值與電流檢測值比較，再經過電流環PI 控制器得到占空比D。

2.4.2 分壓電容均壓控制兩電平主電路無分壓電容，不需要均壓控制。

三電平主電路需要對電池電壓、電池電流、均壓電容壓差進行三閉環控制。電壓和電流閉環控制策略與兩電平主電路類似。

考慮到電容值衰減、元件公差、控制誤差等因素均會導致三電平DCDC 主電路中點電壓漂移，引起均壓電容C1 和C2 壓差較大，進一步可能會導致電容C1 或C2 過壓損壞。因此在控制環路中需要調節功率模塊相應橋臂的輸出功率來實現均壓控制。通過檢測電容C1 和C2 的電壓，進行壓差ΔU計算和占空比ΔD補償，從而實現電容C1和C2均壓。

綜上所述，三電平主電路的控制策略相對復雜。

2.5 系統適用性

兩電平Buck/Boost 拓撲與三電平Buck/Boost 拓撲均可以可采用模塊化設計，具有較好的多系統/多平臺適應性，針對不同直流母線電壓、不同的功率模塊功能，可以通過更改功率模塊串并聯組合，完成模塊化配置。綜合整車牽引/輔助/DCDC 變流系統的通用互換性，兩電平Buck/Boost拓撲在系統適應性方面更好。

3 結論

兩電平Buck/Boost 拓撲與三電平Buck/Boost 拓撲在機車變流裝置中均有應用，并且已完成地面聯調試驗，驗證了兩種主電路拓撲方案的可行性和有效性。從系統的可靠性、開發難度、適用性的角度考慮，對于性能要求不高的產品，兩電平Buck/Boost 拓撲具有優勢；從系統的輕量化、小型化、高性能的角度考慮，三電平Buck/Boost 拓撲具有優勢。