Journal of Electrical Engineering
Vol. 07  No. 01 ( 2019 ), Article ID: 29407 , 13 pages
10.12677/JEE.2019.71007

Multi-Phase DC-DC Converter with Bi-Directional Power Flow Ability for FCEV

Zengquan Yuan1, Xi Chen1, Haiping Xu1, Zhiqiang Xu2

1Inst. of Electrical Engineering (IEE), Chinese Academy of Sciences (CAS), Beijing

2Green Energy Technology of China (Beijing) Co. Ltd., Beijing

Received: Mar. 2nd, 2019; accepted: Mar. 17th, 2019; published: Mar. 25th, 2019

ABSTRACT

This article proposes a multi-phase bidirectional DC-DC converter for FCEV. The Signal Flow Graph (SFG) models for CCM and DCM with bidirectional power flow are analyzed. Based on the transfer function, the dual closed-loop controller is designed. Finally a prototype of 150 kVA DC-DC converter is constructed.

Keywords:DC-DC Converter, Multi-Phase, Bidirectional, FCEV

燃料电池车用多相DC-DC变换器研究

原增泉1,陈曦1,许海平1,许志强2

1中国科学院电工研究所,北京

2北京中科绿能科技有限公司,北京

收稿日期:2019年3月2日;录用日期:2019年3月17日;发布日期:2019年3月25日

摘 要

本文针对燃料电池车用多相DC-DC变换器进行了分析与设计。首先针对多相双向DC-DC变换器拓扑进行研究,并通过信号流图(SFG)法对其进行了建模分析,针对连续工作状态(CCM)和断续工作状态(DCM)下的系统工作状态进行了研究。采用电压、电流双闭环对系统进行全数字化控制。搭建了150 kW双向DC-DC变换器实验平台并对系统性能进行了实验验证。

关键词 :DC-DC变换器,多相,双向,燃料电池车

Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

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1. 引言

近年来,由于环境保护、能源需求等方面的考虑,针对电动汽车的研究与应用得到了广泛的发展,其中,燃料电池电动汽车是电动汽车领域中的一大重要发展方向。国内外针对燃料电池车开展了一系列的研究,如美国、德国、日本等国家均针对燃料电池电动车开展了研究,我国研制的燃料电池车也相继在奥运会、世博会等重大场合开展了试运行 [1] 。

由于燃料电池自身特性,需要在其输出与后级用电设备间使用DC-DC变换器进行控制调节。通过针对DC-DC变换器的设计,使系统具有宽范围输入电压、输入电流纹波小等特点。其中,双向DC-DC变换器是燃料电池车组成的关键技术之一,在燃料电池车运行及加速时,通过变换器向执行电机提供能量;制动及减速时,通过变换器回收能量,从而提升整车性能。此外,对于减小输入电流纹波方面,多相交错并联结构的DC-DC变换器也受到了广泛关注 [2] [3] [4] [5] 。因此针对燃料电池车用多相双向DC-DC变换器的研究十分重要。

本文研究了燃料电池车用多相双向DC-DC变换器的拓扑结构,并通过信号流图(SFG)法对其进行了建模分析,针对连续工作状态(CCM)和断续工作状态(DCM)下的系统工作状态进行了研究。采用电压、电流双闭环对系统进行全数字化控制。搭建了150 kW双向DC-DC变换器实验平台并对系统性能进行了实验验证。

2. 多相双向DC-DC变换器拓扑及工作原理

半桥式IGBT电源模块因其重量轻、性能可靠的特点,目前广泛应用于工业领域中。为了使变换器达到体积小、重量轻、性能可靠的要求,本文构建了多相双向基于半桥的DC-DC转换器(MPBC),其拓扑如图1所示。

Figure 1. Multi Phase Bi-directional DC-DC converter

图1. 多相双向DC-DC变换器拓扑

Boost模式:当所有开关管下管S1d、S2d、…、Snd处于开关状态,所有开关管上管始终关断,变换器工作在boost模式下,能量流动方向为V1至V2

Buck模式:所有开关管上管S1n、S2n、…、Snn处于开关状态,所有开关管下管始终关断,变换器工作在buck模式下,能量流动方向为V2至V1

本文基于此拓扑提出了多相PWM策略。每相PWM信号间相位相差Nπ/2,其波形及对应电感电流如图2所示。多相PWM策略具有以下优点:1、有效降低输入电流纹波。由于多相电感电流间存在相位差,使得输入总电流的纹波大大减小,对于燃料电池车等应用中有着重要作用。2、有效降低输入电感的感值,减小电感的体积与重量,从而降低变换器整体的体积与重量。3、降低输出电压纹波。

Figure 2. PWM & inductor current of MPBC converter

图2. 变换器多相PWM信号及电感电流

3. 变换器信号流图(SFG)建模及分析

3.1. 变换器连续工作状态(CCM)下的信号流图(SFG)模型

开关型变换器的等效电路随着其功率管的不同开关状态而改变。本文采用信号流图法对非线性功率转换器系统进行建模研究。CCM模式下双向多相DC-DC变换器的SFG模型如图3所示。

Figure 3. The unified SFG model for multi-phase DC-DC converter in CCM mode

图3. CCM模式下双向多相DC-DC变换器的SFG模型

其中,传递函数Gi可表示为:

G i = 1 s L i + r i ( i = 1 , 2 , , N ) (1)

多相DC-DC变换器CCM模式下的直流模型、交流小信号模型和交流大信号模型如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示,此模型适用于系统稳态、静态和瞬态分析。

(a) (b) (c)

Figure 4. The DC, AC small signal, AC large signal model for multiphase DC-DC converter in CCM mode

图4. CCM模式下的(a)直流模型 (b)交流小信号模型 (c)交流大信号模型

其中,

K d i = [ I L ( N + 1 i ) + I L 1 + ( D N s L r + r 1 D i s L ( N + 1 i ) + r ( N + 1 i ) V o ) ] , i = 1 , 2 , , N (2)

假设每相电路均对称,则有

r 1 = r 2 = = r n , L 1 = L 2 = = L n (3)

则系统稳态下的关系可表示为

M = V O V I = ( 1 D ) R ( r 1 + r 2 ) ( 1 D ) 2 R ( r 1 + r 2 ) + r 1 r 2 (4)

I L = r 2 V 1 ( 1 D ) 2 R ( r 1 + r 2 ) + r 1 r 2 (5)

V O = ( 1 D ) R ( r 1 + r 2 ) V 1 ( 1 D ) 2 R ( r 1 + r 2 ) + r 1 r 2 (6)

系统传递函数可表示为

G i d = ( 1 D ) R ( I L 10 + I L 20 ) + ( 1 + s R C ) V O 0 R C L 2 s 2 + L 2 s + 2 ( 1 D ) 2 R + ( 1 + s R C ) r 2 (7)

G v d = R ( I L 10 + I L 20 ) ( s L 2 + r 2 ) + 2 ( 1 D ) R V O 0 R C L 2 s 2 + L 2 s + 2 ( 1 D ) 2 R + ( 1 + s R C ) r 2 (8)

G v u = 2 ( 1 D ) R R C L 2 s 2 + L 2 s + 2 ( 1 D ) 2 R + ( 1 + s R C ) r 2 (9)

Z o u t = R ( s L 2 + r 2 ) R C L 2 s 2 + L 2 s + 2 ( 1 D ) 2 R + ( 1 + s R C ) r 2 (10)

3.2. 变换器断续工作状态(DCM)下的信号流图(SFG)模型

DCM模式下双向多相DC-DC变换器的SFG模型如图5所示。

Figure 5. The unified SFG model for multi-phase DC-DC converter in DCM mode

图5. DCM模式下双向多相DC-DC变换器的SFG模型

其中,传递函数Gi可表示为:

G i = 1 s L i + r i ( D + D p ) ( i = 1 , 2 , , N ) (11)

根据DCM模式下的SFG模型分析其稳态关系。假设每相电路均对称,且有

r 1 = r 2 = = r n (12)

DCM模式下的系统稳态关系为

M = V O V S = 1 + D D P (13)

I L = D + D P 2 R D P 2 V (14)

V O = D + D P D V S (15)

D P = K ( 1 + 1 + 4 D 2 K ) 2 D (16)

K = L R T S (17)

系统传递函数可表示为

G i d = s R D P K P ( I L 10 + I L 20 ) L 2 ( 2 R D P 2 + s ( 1 + s R C ) ( 1 + K P ) L 2 ) V 1 + s ( 1 + s R C ) K P L 2 V O 0 s L 2 ( R C L 2 s 2 + L 2 s + 2 R D P 2 ) (18)

G v d = R K P ( s ( I L 10 + I L 20 ) L 2 + 2 D P ( V 1 V O 0 ) ) R C L 2 s 2 + L 2 s + 2 R D P 2 (19)

G v u = 2 R D P ( D + D P ) R C L 2 s 2 + L 2 s + 2 R D P 2 (20)

K P = 2 1 + 4 D 2 K K ( 1 + 1 + 4 D 2 K ) 2 D 2 (21)

根据以上公式分析可知,CCM模式为DCM模式在满足 关系下的特殊情况,可通过条件关系根据DCM的模型得到CCM的模型。

3.3. 变换器断续工作状态(DCM)下的信号流图(SFG)模型(反向工作)

DCM模式下变换器功率反向流动的SFG模型如图6所示。通过对偶法,可通过正向功率流动的SFG模型对反向流动功率进行分析。DC-DC变换器的双向变换如表1所示。

Figure 6. The SFG model for MPBC converter in DCM mode with reverse power flow

图6. DCM模式下变换器功率反向流动的SFG模型

Table 1. Dual Transformation for MPBC

表1. DC-DC变换器的双向变换

4. 多相变换器控制策略

4.1. 开环状态

根据传递函数,通过Matlab对系统进行bode图绘制及稳定性分析。仿真参数为:V = 584 V,PO = 150 kVA,L = 50 uH,C = 300 uF,Ts = 100 us。图7为系统bode图,可以看出图7(a)中传递函数Gid下系统稳定,图7(b)中传递函数Gvd下系统不稳定,随着输入电压的变化,动态输出电压的性能如图7(c)所示。当频率大于10 kHz时,Gvu的值很小,即输入电压的变化对输出电压的影响很小,输出电压具有较高的稳定性。

(a) Gid (b) Gvd (c) Gvu

Figure 7. BODE plot of the transfer function

图7. 系统bode图

4.2.闭环控制器

基于bode图,本文对系统数字控制器进行了设计。DC-DC变换器采用双闭环结构进行控制,通过DSP实现全数字式控制,控制框图如图8所示。

Figure 8. The dual-loop controller of the converter

图8. 双闭环控制框图

电流内环和电压外环的回路增益可表示为

H i ( s ) = G i r G i d e T s (22)

H v ( s ) = G v r G i r e T s G v d 1 + H i (23)

在双闭环控制系统中,电流补偿器需要具有良好的动态性能,而电压补偿器根据需求的穿越频率和相位裕度进行设计。电流及电压补偿器可选择为:

G i r ( s ) = 8 s 1200 + 1 s ( s 80000 + 1 ) (24)

G v r ( s ) = 16 s 160 + 1 s ( s 200 + 1 ) (25)

采用双闭环控制后的系统bode图如图9所示。

(a)(b)

Figure 9. BODE plot of the closed loop system

图9. 闭环系统bode图

其中,图9(a)为内环电流闭环控制的bode图,可以看出此时系统具有67˚的相角裕度,说明系统稳定,并且穿越频率为16 kHz,说明系统动态响应快。图9(b)为外环电流闭环控制的bode图,可以看出120˚的相角裕度、54 db的增益裕度以及1.6 kHz的穿越频率,说明系统为稳定。

5. 耦合电感设计与纹波分析

5.1. 纹波分析

为了减小电感的体积和重量,本文选择使用耦合电感,电感的纹波可表示为

i L ˜ = 1 L + M V L ˜ d t (26)

其中,L为电感量,M为电感互感系数。

则电感纹波平均值可表示为

I L ˜ = 1 T 0 T i L ˜ 2 d t (27)

两相DC-DC变换器的输出纹波波形如图10所示。

Figure 10. The output ripple waveforms of two-phase DC-DC

图10. 两相DC-DC变换器的输出纹波

根据电感的电压电流波形,双向两相DC-DC变换器的输出纹波可表示为:

I L ˜ = { E d f s ( L + M ) D ( 1 2 D ) 2 3 D < 0.5 E d f s ( L + M ) ( 2 D 1 ) ( 1 D ) 2 3 D > 0.5 (28)

V 0 ˜ = { E d D ( 1 2 D ) 24 f s 2 C ( L + M ) 1 + 4 D 8 D 2 5 D < 0.5 E d ( 2 D 1 ) ( 1 D ) 24 f s 2 C ( L + M ) 3 + 12 D 8 D 2 5 D > 0.5 (29)

同理可分析3至多相的DC-DC变换器的纹波。

5.2. 滤波器设计

LC滤波器的尺寸取决于其容量,当滤波器容量达到最小时,可得到最小设计尺寸。本文的LC滤波器设计如下

W = 1 4 L ( 1 + k ) I 0 2 + 1 2 C V 0 2 (30)

定义K = M/L,则有

L = V 0 f s I 0 ( 1 + k ) 2 E d V 0 ˜ f ( D ) (31)

C = E d f ( D ) V 0 f s 2 V 0 L ( 1 + k ) (32)

f ( D ) = D ( 1 2 D ) 24 1 + 4 D 8 D 2 5 (33)

5.3. 耦合电感设计

为了减小电感的体积和重量,本文选择使用耦合电感。两电感共用同一磁芯。对于一个磁芯上的单个线圈,其磁通可表示为Φ = PNi,其中P为磁芯材料常数,N是线圈的匝数,i是通过线圈的电流。则线圈的电感可表示为

L = N Φ i = P N 2 (34)

对于DC-DC变换器中的电感,由于电路对称,可认为通过电感的电流总是相同。两个线圈在同一个磁芯上通过相同电流,其磁通可表示为Φ = 2PNi,则此时的电感可表示为

L = N Φ i = 2 P N 2 (35)

6. 实验与分析

基于上述分析,本文搭建了150 kVA的全数字控制的双向四相DC-DC变换器实验平台。选择采用DSP-320F2407作为控制器,IGBT作为功率开关器件,采用双闭环控制方法对系统进行控制。图11为DC-DC变换器在两相模式下工作的波形。

图11(a)中IL1和IL2为两个电感电流,输入纹波电流为Iin、输出电压Vo、输出电流Io,经过滤波器的输出电压波动小于1%。两相电感电流有180°相位差,大大减小了输入电流的脉动,其输入电流脉动系数小于5%。图11(b)为当变频器负载增加或减少50%时,系统动态小信号性能波形,可以出两相电感有在动态过程中性能相近,且动态响应时间小于30 ms。这说明了该控制器的动态性能较好,且二相平衡,负载电流相等。图11(c)为当系统软启动和软停止时的瞬态大信号的响应波形,可以看出软启动/停止时间是3 s,表明了系统的可靠性。图11(d)为电容电流IC、电感电流IL1,电感电压VL和IGBT上的电压Vigbt。可以看出,变频器运行在CCM模式时IGBT上的峰值小于15%,说明变频器具有较低的功率器件额定设计要求,降低了功率变频器的成本,特别适用于大功率场合。

7. 结论

本文研究了双向多相DC-DC变换器的工作原理,对变频器的工作原理进行了详细的分析,并且通过信号流图模型对CCM和DCM模式下变频器正、反向进行了推导分析。此外,对电流/电压脉动和耦合电感进行了分析。以DSP-320F2407作为控制器,研制了150 kVA DC-DC变换器的控制器样机。通过实

(a) (b)(c) (d)

Figure 11. The waveforms of the DC-DC Converter working at two-phase condition

图11. 两相运行时的实验波形

验验证了该变频器的有效性。结果表明,输出电压的波动小于1%,输入电流的脉动系数小于5%,对燃料电池有显著的好处。采用多相PWM及耦合电感,降低输入电感的重量和体积,大大降低了变换器的重量和体积。由于采用数字控制和双闭环控制器,其具有优秀的动、静态特性。变频器的动态响应时间小于30 ms,两相电流相互平衡,IGBT的峰值小于15%,这意味着变频器可采用更低额定功率器件设计,大大降低了功率转换器的成本。这种多相DC-DC转换器拓扑结构为燃料电池车的应用提供了更广阔的发展前景。

基金项目

北京市科技计划重点资助项目(D171100005317003)。

文章引用

原增泉,陈 曦,许海平,许志强. 燃料电池车用多相DC-DC变换器研究
Multi-Phase DC-DC Converter with Bi-Directional Power Flow Ability for FCEV[J]. 电气工程, 2019, 07(01): 63-75. https://doi.org/10.12677/JEE.2019.71007

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