DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.018
用于电动汽车的磁集成结构DC/DC变换器
夏向阳1，孔祥霁1，唐欣1，彭梦妮1，冉成科1, 2，李明德3，汤赐1，刘代飞1，徐元璨1
(1. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙，410077；
2. 湖南机电职业技术学院 汽车工程系，湖南 长沙，410151；
3. 衡阳产商品质量监督检验所，湖南 衡阳，421001)
摘要：基于传统储能设备的功率密度以及转换效率低，在很大程度限制了电动汽车的操控性和续航性能，提出一种磁集成结构的DC/DC变换器应用于电动汽车的混合储能系统。研究结果表明：加入二阶贝塞尔低通滤波器，配合磁集成结构本身的滤波性能，结合混合储能系统的优越性可以显著提高电动汽车的工作效率和稳定性；磁集成技术可以减小变换器整体体积和降低变换器磁芯损耗。蓄电池与超级电容构成的混合储能系统具有高容量储能、快速响应、回收制动能量的特点；该混合储能系统能够优化电能质量，提高电动汽车的续航时间和加速时所需能量，在传统的驾驶周期内具有良好的性能。
关键词：DC/DC变换器；磁集成结构；电动汽车；混合储能系统；电能质量
中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)03-0694-07
Integrated magnetics structure DC/DC converter for electric vehicles
XIA Xiangyang1, KONG Xiangji1, TANG Xin1, PENG Mengni1, RAN Chengke1, 2,
LI Mingde3, TANG Ci1, LIU Daifei1, XU Yuancan1
(1. College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology,
Changsha 410077, China;
2. College of Automotive Engineering, Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic, Changsha 410151, China;
3. Hengyang Products Quality Supervision and Inspection Institute, Hengyang 421001, China)
Abstract: Considering that traditional energy storage device of power density and low conversion efficiency greatly limit the electric vehicle handling and performance, a novel DC/DC converter was proposed based on the integrated magnetic structure for hybrid energy storage system in electric vehicles. The results of MATLAB simulation show that adding the second-order Bessel low-pass filter with the filtering performance of the magnetic integrated structure itself, at the same time combining with the advantages of hybrid energy storage system, the efficiency and stability of electric vehicles can be significantly improved. Integrated Magnetic structure can reduce the overall size of converter and decrease the core losses of converter. The hybrid energy storage system composed of storage battery and super capacitor has the characteristics of high capacity energy storage, quick response and recovery of braking energy. The hybrid energy storage system can optimize the power quality, improve the endurance time and acceleration needs of electric vehicles, and has good performance in a typical driving cycle.
Key words: DC/DC converter；integrated magnetic structure; electric vehicles; hybrid energy storage system; power quality
对于即将来临的电动汽车时代，为了能让电动汽车与燃油汽车一样具有快速的瞬时加速能量、长距离续航、较小的质量，需要多个储能设备相互配合才能够达到目标。对于混合储能系统，蓄电池与超级电容配合需经过实际验证[1-2]，蓄电池如锂电池具有超高的能量密度，可为电动汽车提供长距离的续航，而超级电容具有快速响应和极大的瞬时输出电流特性。对于电动汽车的发展，储能装置的优化是主体，既要考虑提高蓄电池的容量，又要减小蓄电池的体积和质量，提高充电速度，减小车身质量也是提高电动汽车的续航、减少损耗的主要途径。DC/DC变换器作为重要的电力电子器件，已经发展多年，经过多次革新，出现了多种DC/DC变换器，如：新型的ZVS双向DC/DC变换器[3]通过ZVS良好的可控性，提高转换效率；隔离型双向DC/DC变换器[4]结构复杂，能够转换传输较大功率；CUK变换器[5]是最早提出能够应用磁集成技术的，实验效果很好。CUK[5]还进行了一系列优化Cuk变换器磁集成技术的研究，进一步证实了磁集成技术的可行性；隔离型交错式DC/DC变换器[6-8]引入了三绕组耦合电感概念，多用于大功率传输；磁集成结构DC/DC变换器作为连接储能系统与电网和直流电机必不可少的部分，结构上更加简单高效，能够显著减小变换器的体积和质量，应用于电动汽车的储能装置中，可以发挥更好的效果[9-13]。本文作者对所提出的DC/DC变换器，给出具体的拓扑结构图和具体的工作模式以及对电池组与超级电容的控制方式。最后通过仿真和实验分析，验证混合储能系统性能符合理论分析。
1 电动汽车混合储能系统
图1所示为所提出的电动汽车混合储能系统，由DC/DC变换器、超级电容、电池组配合组成。图1中：L2为输出滤波电感；L1为外加电感；Ca为外加电容。在稳定工作状态下，不考虑电容电压脉动，Ca上电压与输出电压相等。L2与L1上的电压满足电压成比例的条件，通过集成电感可以减小输出电流脉动。DC/DC变换器由4个IGBT开关T1~T4与其相对应的二极管D1~D4，以及磁集成结构组成[14-15]。电池组向直流电机提供平滑的功率，是电动汽车的主要能源[16-17]。超级电容UC是应对瞬间状态峰值功率的供应。Iload，Ibatt和IUC分别为直流侧、电池组和超级电容电流，VDC为直流侧电压，CDC和Ca分别为直流侧和外加电容。通过电源管理系统并根据负载的需求决定电能的流向。
电动汽车混合储能系统主要有5种工作状态：
1) 停车充电状态。电能从交流电源通过AC/DC变换器转为直流电，由IGBT开关T3、二极管D4、自感电感L1构成的降压变换器给电池组充电，由IGBT开关T1、二极管D2、自感电感L2构成的降压变换器给超级电容充电。
2) 匀速行驶状态。由自感电感L1、IGBT开关T4、二极管D3构成的升压变换器输送电能至直流电机侧。
3) 加速行驶状态。升压模式下将超级电容的电能输送至直流电机侧，供电动汽车应对加速状况。由自感电感L2、二极管D1、IGBT开关T2构成的升压变换器输送电能至直流电机侧。
4) 制动状态。电动汽车处于制动状态，在降压模式下从直流电机侧回收制动能量储存在超级电容中。由T1，D2和L2构成的降压变换器器给超级电容充电，因此制动状态与停车充电状态的超级电容充电状态相似。
5)超级电容紧急充电状态：在超级电容的SOC(state of charge)降到最低限制标准时，升压模式下将电池组中电能输送给超级电容充电。此时，由电池组给直流电机侧提供电能，同时超级电容从直流电机侧获得电能进行充电，以保证电动汽车的加速能量充足。
图1 储能系统拓扑结构
Fig. 1 Topology of hybrid energy storage system
表1所示为电动汽车混合储能系统具体工作状态对应的电能流向以及对应DC/DC变换器的工作方式。
表1 混合储能系统工作与运行方式
Table 1 Operation mode of hybrid energy storage system
2 磁集成结构
磁性元件(主要指电感)的体积是决定变换器体积和重量的主要因素。要实现多个磁性元件的集成，需要磁芯具有多条磁路，本文采用E型磁芯，利用其多磁路的特性，可以更加简单地将多个交变磁通不同的分立磁性元件集成起来。
在本文中，采用的是电感与电感的集成，即耦合电感。
磁集成结构与分立电感比较如表2所示。磁集成结构与2个分立电感相比，整个磁性元件的体积和质量都明显减小，在电动车应用中，效果更加明显，可以减小整体储能系统的体积和质量，这样减小了整个车身的质量，增大了车身整体的可容纳空间。
表2 磁集成结构与分立电感比较
Table 2 Comparison of integrated magnetic structure with discrete inductors
3 混合储能系统控制策略
3.1 超级电容控制器
选用级联电压与电流控制器作为超级电容控制器，因为当电池提供稳定负载电压时，超级电容可以保持直流电机侧的电压，这样可以确保在制动过程中，由于直流电机侧电压显著增加，超级电容可以更加快速地反映，回收制动能量。图2所示为超级电容控制器的控制框图。图中：Vdc为直流侧实际电压；Vdc-sen为直流侧额定电压；i*UC为超级电容电流标幺值；iUC-sen为超级电容额定电流；fs为开关频率；G1,2为IGBT开关T1和T2的通断信号。
在升压模式下电感电流占空比的传递函数可表示为
(1)
图2 超级电容级联电压与电流控制器的控制框图
Fig. 2 Block diagram of ultracapacitor voltage and current controller
其中：IL2(s)为L2的基准电流；Vdc为直流电机电压；Cdc为直流电机侧电容；D为占空比。在频率范围内，电感电流与直流侧电压之间的关系可用下式表示：
(2)
3.2 电池组控制器
对电池组的电流控制要保证对直流电机供给平滑的电流，所以，电池组的输出(相对应的电池组控制)电流通过1个截止频率为50 Hz的二阶贝塞尔低通滤波器，这样可以保证输出电流没有高脉动或者瞬时大的变化。同时，由于降压变换器的输出电流一般含有较高的输出电流波，电池组在正常工作时通过升压变换器传输电能。只在电池组充电时，才通过降压变换器传输电能，因此，电池组的输出电流含有的纹波比例可以大大降低[18]。
Vload和Iload分别为直流电机电压和电流，Vbatt和Ibatt分别为电池组电压和电流。假设变换器无损耗，则直流电机功率与电池组功率相等，电池组电流与直流电机比例关系表示为
(3)
电池组的基准电流表示为
(4)
GLP(s)为贝塞尔低通滤波器的传递函数，可表示为
(5)
其中：θn(S)为反向贝塞尔多项式；ω0为截止频率；a(n)与b(n)为贝塞尔多项式系数。对于二阶贝塞尔滤波器，滤波器的传递函数可表示为
(6)
贝塞尔滤波器是一种线性滤波器，其有最平坦的群延迟或者最大的线性相位响应，所以，贝塞尔滤波器可以完整的保留滤波后波形，且在整个滤波过程中保持基本稳定的群延迟。一旦获得电池的输出基准电流，转换器就受到峰值电流控制器的控制，图3所示为具体控制框图(其中，ibatt-sen为电池组额定电流；G3,4为IGBT开关T3和T4的通断信号)。
图3 电池组控制框图
Fig. 3 Block diagram of battery control
3.3 超级电容紧急充电状态的控制策略
工作状态5)即超级电容紧急充电状态包括电池组给直流电机提供电能，超级电容从直流电机侧获得电能。在正常工作情况下，由电池组提供稳定的功率，当超级电容SOC低于限制值时，通过控制变换器开关，超级电容从直流电机侧获得电能进行充电。图4所示为工作在工作状态5)时的控制框图，其中：Vuc-ref 和Vuc-sen分别为UC的额定电压和实际电压；Iuc-ref和Iuc-sen分别为UC的额定电流和实际电流；Vdc-ref和Vdc-sen分别为直流电机侧的额定电压和实际电压；Ibatt-ref和Ibatt-sen分别为电池组的额定电压和实际电压；I*batt-ref为电池组额定电压的标幺值；G1与G4为开关关断信号。
图4 工作状态5)时的控制框图
Fig. 4 Block diagram of control system while operating in Mode 5)
4 仿真与实验分析
通过将本混合储能系统应用于1个典型的汽车行驶周期中进行仿真分析，以测试本系统的动态性能。仿真模型使用MATLAB中的Simulink, SimPower Systems和Control System Toolbox工具箱，仿真系统参数见表3。
该仿真试验模拟汽车行驶过程中，在加速、均速行驶、制动等状态下，对负载侧电压的稳定性和负载侧、电池组、超级电容的电流波动进行观察。最后通过实验在负载侧施加1个阶跃变化，观察超级电容与电池组的电流变化。
表3 仿真系统详细参数
Table 3 Simulation system specification
标准仿真周期内的负载电流、电池组及超级电容电流变化图如图5所示。负载电流对应传统的驾驶周期，负载电流非常平滑(加入了对电池组的仿真分析)，基本无纹波。从图5可以看出：与超级电容电流相比，电池组电流变化更加平滑，没有瞬时突变。电池组输出电流平滑且纹波含量小，既能延长电池组的寿命，又能减少电流纹波对直流电机造成的损耗。而超级电容作为负载突变时的缓冲，电流变化突变很大是正常的。同时，负载、电池组和超级电容电流存在差别，这是储能装置和负载电压端子电压不同所致。直流电机侧(负载侧)电压如图6所示。从图6可见：负载侧电压稳定在额定电压300 V，有少量的波动是由于在汽车加速或者制动时造成电压瞬时上升或跌落，在超级电容的作用下，电压都能迅速恢复至300 V。
实验设备和电路参数见表4。为了适合实验室设备条件，建立1个小规模的模拟电路进行实验，采用Boostcap PC2500超级电容，开关型号选用HGTG30N60A4D IGBT，电压传感器选用LV20-P，DSP型号选用TI－TMS320F2812，电流传感器选用LA100-P。TMS320F2812 DSP作为反馈和控制系统，电感L1，L2和M设计值分别为2 mH，50 μH和50 μH，实际值见表4。
图5 1个标准仿真周期内的负载电流，电池组及超级电容电流变化
Fig. 5 Load current, battery and ultracapacitor current variation diagrams in a standard simulation cycle
图6 直流电机侧(负载侧)电压
Fig. 6 DC motor side ( load side ) voltage
实验中，当负载阶跃变化时，负载、电池组和超级电容的电流实际变化见图7。从图7可以看出：当t=3 s时，负载阶跃上升，电池组电流并未立即响应，而是通过控制缓慢上升，同时，超级电容短时内多次大电流放电，补充负载侧所需的电能，直流侧电压稳定在20 V，整体波动小于5%；在t=7 s，负载阶跃下降时，超级电容回收制动能量，超级电容电流为负值。图8所示为只采用电池组作为单一储能设备时应对阶跃变化时的负载电流。从图8可以看出：电流波动较大且纹波较多。电池组的电流骤升骤降，不利于电池组长久使用。对比图8与图7可知：采用电池组与超级电容混合储能系统可以更好地应对汽车加速和制动，加入磁集成结构对滤除纹波也有很好的效果。
表4 实验设备及电路参数
Table 4 Experimental equipment and circuit parameters
图7 负载阶跃变化时负载电流、电池组电流和超级电容电流变化
Fig. 7 Experimental results of load,battery and ultracapacitor currents under a load step change
5 结论
1) 分析了电动汽车混合储能系统的结构以及双向DC/DC变换器的5种工作状态，并对每种对应工作方式下的电能流向进行了分析。
2) 该系统与传统混合储能系统相比，体积和质量都明显减小，可通过磁集成结构滤除部分电流纹波，降低纹波对直流电机造成的影响。
3) 磁集成的双向DC/DC变换器可以改善输入电动汽车中电力驱动设备的电能质量，从而提高直流电机工作稳定性和效率，同时可再生制动。仿真结果证明混合储能系统在应对加速和制动状况时有较强的处理能力。
图8 只采用电池组时负载阶跃变化时负载电流、电池组电流变化图和直流侧电压变化
Fig. 8 Load current,battery current and DC side voltage under a load step change only with battery
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2016-03-12；修回日期：2016-05-27
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51577014)；海南省社会发展科技专项(2015SF37)；衡阳市科技计划重点项目(2015KG27)(Project(51577014) supported by the Natural National Science Foundation of China; Project(2015SF37) supported by Hainan Social Development Science and Technology Special Project; Project(2015KG27) supported by Hengyang Science and Technology Plan Key Project)
通信作者：冉成科，讲师，从事新能源可靠接入与电动汽车控制等方向；E-mail: keer0716@sina.com
