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国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志

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混合动力汽车高性能高效DC-DC变换器设计

R. Santhos kumar1和M.Murugesan2
  1. 1 .印度泰米尔纳德邦卡鲁市V.S.B.工程学院电子电气工程系研究生[PSE
  2. 1 .印度泰米尔纳德邦卡鲁市V.S.B.工程学院电子电气工程系助理教授
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摘要

为了提高混合动力汽车系统(HEVS)电机运行工况的整体性能，设计了两种DC-DC变换器，并对存储元件(电池)充电控制器进行了优化设计。这两个转换器被称为前端转换器(FEC)和后端转换器(REC)。首先是作为电池的充电控制器，然后是为了改善电动汽车的运行状况。在前端变换器中实现零电压开关(Zero Voltage Switching, ZVS)，以降低开关器件的开关损耗。除此之外，前端变换器通过附加辅助电路实现了接近统一的功率因数。另一方面，后端转换器工作在这样一种方式，它连接混合动力能源存储元件的电机单元取决于它的运行性能。简单地说，当功率密度要求是lee时，后端转换器将电池连接到电机，但在更高的功率密度要求时，它连接超级电容器。本文在MATLAB/Simulink 2010的用户友好工具中进行了仿真。

关键字
混合动力汽车，电池，超级电容前端转换器，后端转换器，ZVS，功率因数，MATLAB/Simulink。

介绍
电动汽车正变得越来越重要，因为它们不仅可以减少噪音和污染，而且还可以用来减少交通运输对石油的依赖——如果电力是由石油以外的燃料产生的。HESS的基本思想是结合超级电容器(UC)或燃料电池(FC)或电池来实现更好的整体性能。这是因为，与电池相比，超级电容器具有高功率密度，但能量密度较低。同样，燃料电池的输出功率是可控的，而电池的燃料材料是固定的。与单独使用它们中的任何一个相比，这种组合本质上提供了更好的性能。HESS设计的几种配置已经提出，其范围从简单到复杂的电路。传统的有源方法使用一个或多个全尺寸DC/DC转换器将储能装置连接到直流链路。在这种情况下，全尺寸是指DC/DC变换器在器件中形成能量流动的唯一路径。
LITEARTURE调查:电动汽车也可以用来减少碳排放。生产零排放二氧化碳要求电动汽车的能源来自非化石燃料来源，如核能、燃料、化学能(电池)和可再生能源[1]，b[2]。一般来说，电动汽车只依赖于一个主要来源(电池)。因此，基于电池的ESS面临着一些挑战，为寻找其他解决方案提供了动力。在基于电池的储能系统中，电池的功率密度需要足够高，以满足峰值功率需求。虽然有更高功率密度的电池，但它们的价格通常比低功率密度的电池要高得多。解决这个问题的典型方法是增大电池的尺寸。然而，这也会导致成本的增加。此外，它需要瞬时的电源输入和输出，通常发现电池遭受频繁的充放电操作，这对电池寿命有不利影响[6]，[7]。对于这样的系统，很难有一个额外的能量存储系统或缓冲器，这是更强大的处理浪涌电流。 Hybrid electric vehicles have had major focus in recent years and they have made leaps and bounds in development [5].
本文提出了一种用于混合动力汽车系统(HEVS)的新型DC-DC变换器，以提高电池和超级电容器(UC)等储能元件的整体性能。与传统的DC-DC变换器相比，本文提出的变换器体积更小，作为控制电路来选择由哪个储能元件向混合动力汽车的电动机供电。本文提出的DC-DC变换器的工作原理是在功率需求较少的情况下将电池直接与电动机连接，在功率需求峰值的情况下将UC与电动机连接(因为UC比电池具有更高的功率密度)。此外，本文提出的DC-DC变换器作为缓冲电路，有效地防止了混合动力汽车再生模式下电池频繁充电。这一特性保证了电池寿命的延长。
本文将详细介绍并验证所提出的系统。论文内容如下:第二节介绍了混合动力汽车系统的一般介绍以及前端转换器、后端转换器拓扑结构的详细信息。第三节讨论了所建议的变流器的控制技术和工作模式。第四节主要是MATLAB仿真结果，然后是结论，在第五节中。

2混合动力汽车系统概述
全电动汽车是由一个大的可充电电池、一个电动机、一个从驾驶员的加速踏板向电动机发送电力的控制器和一个充电系统提供电力的。电动汽车的这些部件取代了传统汽车的集成电路发动机、油箱、燃油管路和排气系统，而集成电路发动机是传统汽车运行的核心;可充电电池是电动汽车运行的核心。
表1比较了不同组合的混合动力汽车系统列表及其应用。在世界范围内，仍有许多技术正在兴起，以消除混合动力汽车存储系统的缺点。
A.前端转换器拓扑
本文提出了一种新型的交错升压PFC变换器，实现了变换器主开关的软开关。该充电控制器由交错升压变换器及其辅助变换器组成。交错升压转换器，有两个升压级，工作180度的异相。该转换器通过放置在交错升压转换器的两相之间的简单无源辅助电路实现软开关。该辅助电路能够提供无功电流对升压mosfet的输出电容进行充电和放电，并保证零电压。由于辅助电路中没有使用额外的半导体器件，因此高效率和可靠性是该系统的主要优点。此外，所提出的变换器能够根据负载条件和输入电压优化实现软开关所需的无功电流量。因此，根据工作条件，辅助电路引起的导通损耗最小。
升压型PFC变换器的主要开关损耗来源是MOSFET的硬导通和升压二极管关断时的反向恢复，这是现有有源箝位变换器技术中常见的问题。为了消除基于mosfet的升压PFC变换器中的开关损耗，提出了不同的辅助电路。
图1显示了混合动力汽车系统的框图。混合动力汽车使用两种或两种以上不同类型的能量存储元件，如电池、超级电容器、燃料电池和光伏电池。每种元素都有自己的优点和缺点
图2为前端变换器电路图。该转换器共有4个mosfet，其中两个用作升压转换器，其余为辅助开关，以提高功率因数
B.后端转换器拓扑
在最广泛使用的传统HESS设计中，电池组直接连接到直流链路，而在UC银行和直流链路之间放置半桥转换器。然而，为了利用UC的功率密度优势，半桥转换器必须匹配UC的功率水平。在大多数情况下，半桥转换器是成本的重要组成部分。虽然这种设计解决了峰值功率需求的问题，但电池仍然面临频繁的充放电操作。为了解决上述问题，本文提出了一种新的HESS。此外，该后端变流器的设计还解决了传统变流器存在的以下问题。
ﺷ作为电池和超级电容器之间的可控开关。
ﺷ防止电池频繁充放电循环。
ﺷ采用MOSFET设计的快速开关操作。
ﺷ通过合理选择储能元件，改善电动汽车的运行状况。

3变频器设计与控制技术
本文采用FEC和REC两种变换器拓扑结构进行设计
这两个变流器是独立设计和运行的。
ﺷ前端转换器仅在车辆待机模式下工作
ﺷ后端变流器仅在车辆运行模式下工作
后端变换器的完整电路图如图3所示
A.前端变换器的设计
所提系统的开关频率由以下公式设计。没有1
ﺷ选择最小开关频率，与输入电流的峰值相对应。
ﺷ计算辅助电感值。
ﺷ选择死区时间，使mosfet的输出电容有足够的时间完全充放电
ﺷ设计辅助电感，使其有足够的能量来中和升压电感的谷电流，并对mosfet的输出电容进行充放电
ﺷ设计足够的死区时间，为输出电容充放电提供足够的时间。
b、后端变流器设计
在设计电池/UC HESS时，电压策略的选择与所使用的电池和UC的特性密切相关。储能装置的高电压容量对电池平衡电路提出了更高的要求。这是因为细胞不平衡随着细胞数量的增加呈指数增长。减少平衡需求的一种方法是使用性能变化较小的电池(容量、内阻和自放电率)。然而，匹配的性能基本上是通过循环大量单元并找到可以组合在一起的相似单元来实现的。因此，根据电池和UC电池的特性，需要在存储元件之间进行电压权衡。
HESS的拓扑结构在很大程度上取决于所选择的电压策略。下面的讨论中，V UC、V battery和DC V分别指UC组电压、电池组电压和直流链路电压。如果(VUC < V battery = VDC)，表示电池包直接接入DC链路，UC通过双向DC/DC变换器接入DC链路。这种电压策略的优点是能够在需要较低电压UC组的情况下使用UC的整个范围。
后端转换器的工作原理如下。
ﺷ在高加速模式条件下，即电机需要高功率时，由于UCs具有高功率密度能力，因此将Ultra电容器连接到电机终端单元
ﺷ同样，在功率密度需求较小的情况下，仅靠蓄电池即可满足负载需求。因此，当时REC断开UCs并将电池连接到电机端子。图4给出的流程图说明了这一点

四、仿真及结果
本课题在MATLAB r2010工具中进行仿真，该工具是一种用户友好的软件。通过分析由上述设计方程导出的脉冲模式，设计了两个变换器。一旦得到脉冲模式，就很容易在MATLAB环境下进行开发。图5和图6显示了两种转换器的脉冲模式
图7显示了这两种前端转换器的仿真图。在MATLAB 2010环境中进行仿真，其中跨范围连接主开关的输入电流、输入电压、开关波形。因此，所有这些值都被视为
图8显示了充电控制器电路的功率因数改进。上图是输入电压，下图是输入电流。统一功率因数用红圈表示。
图9为后端变换器与电动汽车驱动部分的MATLAB仿真图。

四。结论
因此，本文对混合动力汽车中两种不同的DC-DC变换器进行了详细的分析。并对其设计过程进行了讨论。在MATLAB/simulink环境下，验证了变频器在电动汽车上的运行情况。

参考文献
  1. A. Emadi, S. S. Williamson和A. Khaligh，“先进的电动、混合动力和燃料电池汽车动力系统的电力电子集约解决方案”，《IEEE电力电子学报》，第21卷，第2期。3, 567-577页，2006年5月。
  2. A. Emadi, K. Rajashekara, S. S. Williamson, S. M.Lukic，“混合动力和燃料电池汽车动力系统结构与配置的拓扑概述”，《IEEE汽车技术学报》，vol. 54, no. 5。3，第763-770页，2005年5月。
  3. 李晓明，李晓明，“一种基于超电容的电动汽车辅助能源系统的设计、结构和性能”，电子工程学报，第3卷，第5页，第1 - 4页，2003年11月。
  4. B. J. Arnet, L. P. Haines，“超级电容器的高功率dc - dc转换器”，IEEE-IEMDC 2001, Cambridge, Page(s): 985 - 990, June 2001。
  5. W. Lhomme, P. Delarue, P. Barrade, a . Bouscayrol, a . Rufer，“牵引应用的超级电容器存储系统的设计与控制”，2005年IAS会议论文集CD-ROM。
  6. 曾广昌，梁天俊，“新型高效升压变换器”，电子工程学报，vol. 31, no. 1。2，页(s): 182 - 190, 2004年3月。
  7. R.M. Schupbach, J.C. Balda, M. Zolot, B. Kramer，“用于车辆电源管理的组合电池超级电容器储能单元的设计方法”，电力电子专家会议，卷1,15-19页(s): 88- 93,2003年6月
  8. E. Ozatay, B. Zile, J. Anstrom, s . Brennan，“电动汽车超级电容器和电池的配电控制协调”，2004年美国控制会议论文集，第5卷，第(5)页:4716 - 4721,2004年6月30日至7月2日。
  9. 李志强，李志强，“汽车配电系统的新架构”，电子工程学报，第4期。交通运输，1994年10月，第33 - 38页。
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