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本文介紹了一種新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用的升壓雙向DC/DC變換器，該DC/DC變換器采用交錯并聯(lián)雙向Boost/Buck拓?fù)潆娐?，通過數(shù)字DSP芯片實(shí)現(xiàn)電源能量的雙向傳遞及輸出電壓的優(yōu)化控制。

傳統(tǒng)新能源汽車在一些工況下因驅(qū)動系統(tǒng)母線電壓波動會嚴(yán)重影響驅(qū)動系統(tǒng)的輸出性能，雙向DC/DC變換器可以為驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓供應(yīng)。

另外根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)工作特性優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)的電壓供應(yīng)，從而提高了驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率、扭矩和功率輸出能力，并且降低PMSM電機(jī)高速下弱磁程度，從而有效提升了整車的續(xù)航里程、整車動力性及可靠性。

01. 引言

近年來，新能源汽車的產(chǎn)銷量得到迅速增長，尤其是我國的產(chǎn)銷量已經(jīng)成為一，人們對新能源汽車的接受程度也越來越高，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)品性能也得到了極大提升。

不過整車能耗這一指標(biāo)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(xù)航里程，也不利于新能源汽車的進(jìn)一步普及。

為此國家出臺了一些政策引導(dǎo)整車企業(yè)關(guān)注整車能耗，鼓勵加強(qiáng)技術(shù)能力提升并開發(fā)出能耗更小的新能源汽車。

驅(qū)動系統(tǒng)作為整車使用能量比例的零部件，其工作效率的提升對整車降能耗貢獻(xiàn)。

根據(jù)整車對驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用場景可以將驅(qū)動系統(tǒng)的外特性分為三個工作區(qū)，如圖1所示。

城市工況作為常用工況，其對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是小扭矩、長時間工作，對應(yīng)圖1中的效率區(qū)，通常此區(qū)域的驅(qū)動系統(tǒng)效率偏低。

圖1中A為扭矩拐點(diǎn)，其值較小或?qū)?yīng)轉(zhuǎn)速偏低將影響整車的爬坡性能和加速性能，A點(diǎn)之后電機(jī)將進(jìn)入恒功率弱磁區(qū)，因弱磁電流的作用也會導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)的效率降低，并且在弱磁電流作用下電機(jī)輸出扭矩下降，這樣也會導(dǎo)致整車在高速行駛時的動力性下降問題。

目前電機(jī)的發(fā)展趨勢之一是高轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速帶來的益處是電機(jī)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(zhuǎn)速區(qū)的效率偏低，影響了整車高速行駛里程。

另外常規(guī)新能源汽車動力電池的電能直接供電機(jī)控制器和電機(jī)使用，在猛踩油門時會出現(xiàn)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(xiàn)象，這種情況下會影響整車驅(qū)動系統(tǒng)輸出性能。

針對以上問題，本文采用非隔離升降壓雙向DC/DC變換器給驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定且電壓可調(diào)的電源供應(yīng)，以驅(qū)動系統(tǒng)高效運(yùn)行和輸出扭矩更大為目標(biāo)，調(diào)整DC/DC變換器的輸出電壓值，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的工作性能優(yōu)化，提高了整車的續(xù)航里程和動力性能，另外升壓后電機(jī)高速運(yùn)行區(qū)域弱磁程度降低，降低了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼長期運(yùn)行退磁的風(fēng)險。

02. 不同電壓對驅(qū)動系統(tǒng)性能影響

通過電機(jī)臺架實(shí)測同一款電機(jī)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(qū)動系統(tǒng)輸出外特性圖，如圖2所示。

驅(qū)動系統(tǒng)輸入電壓升高則驅(qū)動系統(tǒng)的高效區(qū)面積占比增大，尤其高速弱磁區(qū)效率會明顯改善，不過輸入直流電壓偏低時則在小扭矩效率區(qū)的驅(qū)動系統(tǒng)效率會有所改善。

提取相同扭矩和轉(zhuǎn)速下不同電壓驅(qū)動系統(tǒng)的率合并為一個系統(tǒng)外特性圖，可以見其高效區(qū)占比面積由340V下的89.9649%提升到95.6227%，又因非隔離雙向DC/DC變換器效率很高，整合后的效率區(qū)可以滿足整車不同工況下整車的續(xù)航里程的提升。

從圖2還可以看出隨著電壓升高，驅(qū)動系統(tǒng)的高速區(qū)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車速。

03. 雙向DC/DC變換器主電路設(shè)計(jì)

本文雙向DC/DC變換器采用交錯并聯(lián)電路，可以實(shí)現(xiàn)動力電池升壓后供驅(qū)動系統(tǒng)使用，也可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)能量回饋電壓降壓后給動力電池充電，其拓?fù)鋱D如圖3所示。

交錯并聯(lián)電路將主功率電路分為兩路，其優(yōu)點(diǎn)一為紋波電壓、電流更小，且紋波頻率更高，則輸入和輸出側(cè)的電容容值、體積更??；其優(yōu)點(diǎn)二為電流分為兩路使功率電路上的損耗和電感上的交流損耗更低。

本文設(shè)計(jì)一款交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器，其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如下。

變換器功率電路由兩路并聯(lián)組成，按單路電流為總電流的一半來設(shè)計(jì)單路功率電路的器件參數(shù)。

考慮到DCM模式下的開關(guān)管內(nèi)的峰值電流更大，更大的電流導(dǎo)致開關(guān)管損耗更大，且選型容量更大的開關(guān)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(shè)計(jì)主功率器件參數(shù)，考慮到開關(guān)器件及輸入電壓范圍計(jì)算最小電感公式如下。

公式中DIL按電感平均電流的40%計(jì)算，電感平均電流按輸入平均電流的一半計(jì)算，因動力電池的電壓是300V-410V這個范圍，根據(jù)公式1畫出電感L與電壓的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示。

從而Boost在輸入電壓時對應(yīng)的電感值為Lboost=200.5 mH，Buck在輸出電壓處對應(yīng)的電感為Lbuck=200.5 mH，綜合考慮選取單獨(dú)電感的電感值為L1=L2=200mH。

根據(jù)電感電流紋波全部流入電容產(chǎn)生的輸出電壓脈動可以計(jì)算出所需電容大小，又因兩相交錯并聯(lián)拓?fù)涫沽魅腚娙莸碾娏黝l率為常規(guī)Buc/Boost拓?fù)涞膬杀?，從而可以獲得輸入和輸出側(cè)電容的計(jì)算公式如下所示。

上述公式中R為升壓輸出側(cè)等效電阻值，變換器兩側(cè)紋波電壓為兩側(cè)電壓的1%設(shè)計(jì)，根據(jù)上述可知C2=253.3 mH，C1=48.85 mH，考慮到ESR的影響，實(shí)際選擇C2=470 mH，C1=100 mH，以保證紋波電壓目標(biāo)達(dá)成。

04. 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際數(shù)字控制中ADC采樣保持和PWM更新延遲的影響，在做系統(tǒng)仿真中增加采樣保持和延遲環(huán)節(jié)，從而使仿真結(jié)果更加接近真實(shí)結(jié)果。

整個控制系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用兩路電流環(huán)，外環(huán)采用電壓環(huán)控制，雙環(huán)控制比單環(huán)控制在動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)工作點(diǎn)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(tǒng)的bode圖。

根據(jù)bode圖有針對性的設(shè)計(jì)出PI補(bǔ)償器，然后通過SWEEP功能掃描出補(bǔ)償后的bode圖，從圖中可以看出補(bǔ)償后開環(huán)系統(tǒng)相角余量在49.3°，幅值余量為-46.7 dB，截止頻率為2.79 kHz。

接下來進(jìn)行外環(huán)電壓環(huán)設(shè)計(jì)，類似電流環(huán)設(shè)計(jì)，使用SWEEP掃描功能設(shè)計(jì)出電壓環(huán)PI控制器，具體如下圖所示，電壓環(huán)PI補(bǔ)償后整個開環(huán)系統(tǒng)相角余量為48.6°，幅值余量為-43.3 dB，截止頻率為 703 Hz。

05. 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

升壓交錯并聯(lián)Boost變換器滿載95KW輸出系統(tǒng)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(jié)果較優(yōu)。

升壓Boost帶半載47.5KW啟動，變換器輸出電壓穩(wěn)定后帶突加載到滿載95KW及突減載至47.5KW，系統(tǒng)仿真波形如下，由波形可知突加減載變換器的負(fù)載調(diào)整率為，另外由圖7可知變換器突加減載其恢復(fù)穩(wěn)定電壓時間為2ms。

06. 結(jié)論

新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的能耗、輸出功率、扭矩及弱磁程度跟其輸入電壓有很大關(guān)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(zhuǎn)速區(qū)低電壓比高電壓總體能耗更低，結(jié)合驅(qū)動系統(tǒng)的以上工作特性以及整車運(yùn)行工況，通過雙向DC/DC變換器給驅(qū)動系統(tǒng)提供合適的電壓，以便驅(qū)動系統(tǒng)一直工作在性能較好的區(qū)域，從而提升了整車的動力性、耗電經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

本文根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)了一款交錯并聯(lián)Boost/Buck變換器，此變換器采用電壓和電流環(huán)雙環(huán)控制，其內(nèi)部電流環(huán)采用兩路電流環(huán)獨(dú)立控制，通過PSIM仿真驗(yàn)證，其升壓輸出的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能均滿足需求。

07. DC/DC變換器生產(chǎn)廠家

迪龍新能源科技河北有限公司（迪龍新能源）依托迪龍集團(tuán)20年電源研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，深耕研發(fā)創(chuàng)新，致力于新能源車載充電系統(tǒng)以及設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

迪龍新能源廠區(qū) 實(shí)景拍攝

迪龍新能源通過IATF16949:2016體系認(rèn)證，是新能源汽車市場上各種車載充電機(jī)、DC/DC變換器研發(fā)、生產(chǎn)領(lǐng)域的。

強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)使我們能夠快速、靈活地為客戶提供不同的解決方案，研發(fā)團(tuán)隊(duì)由在電源領(lǐng)域具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專家和工程師組成，研發(fā)團(tuán)隊(duì)占比公司超過50%，力爭做中國新能源汽車車載電源供應(yīng)行業(yè)的、。

迪龍集團(tuán)合作的中外新能源汽車制造商數(shù)量超過170多家，與部分新能源汽車制造商合作超過10年，無論是現(xiàn)有的產(chǎn)品還是定制化的解決方案，安全可靠的產(chǎn)品質(zhì)量都符合國際標(biāo)準(zhǔn)和要求。

迪龍將具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓全磚技術(shù)應(yīng)用于DC/DC變換器，產(chǎn)品可靠性高，質(zhì)量穩(wěn)定，贏得了眾多電動汽車廠商的信賴與支持。

迪龍新能源 DC/DC變換器

迪龍新能源的DC/DC變換器產(chǎn)品輸出功率涵蓋了0.3KW-5KW的功率范圍。其中1.2KW、1.5KW、2KW在新能源汽車上應(yīng)用范圍，擁有寬電壓輸入范圍200V-750V，滿載效率高達(dá)95%，防水防塵等級達(dá)到IP67，產(chǎn)品技術(shù)。

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