CN103516213A - 双向dc-dc变换器电路控制系统及混合动力机动车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向DC-DC变换器电路控制系统及混合动力机动车，包括双向DC-DC变换器、驱动电路、采样电路、数字信号控制器及CAN收发器；所述双向DC-DC变换器与驱动电路、采样电路均信号连接，所述驱动电路、采样电路、CAN收发器均与所述数字信号控制器信号连接，所述CAN收发器连接CAN总线；所述双向DC-DC变换器的拓扑结构包括高压端及低压端，所述采样电路采样所述高、低压端的电流和/或电压值，所述数字信号控制器处理采样值并通过所述驱动电路对所述双向DC-DC变换器进行PWM控制。通过采样数字信号控制器进行数字控制，避免了模拟控制温漂问题和元器件老化问题，降低了系统的设计成本，相较模拟控制具有较好的兼容性、灵活性和扩展性。

Description

双向DC-DC变换器电路控制系统及混合动力机动车

技术领域

本发明涉及双向DC-DC变换器电路控制系统及混合动力机动车。

背景技术

双向DC-DC变换器(Bi-directional DC-DC Converter，简称BDC)是指BDC的双象限运行，其两端电压极性不变而电流可变，功能上本身相当于两个单向直流-直流变换器(DC-DC Converter)。日常生活中，很多关键负载需要有不间断电源，在UPS系统中，供电电源（如市电）正常工作时，通过充电单元给蓄电池充电；当突然掉电时，系统由蓄电池组给逆变器供电，系统中充放电单元即可用BDC代替实现。在太阳能电池阵列系统中，BDC应用也很广泛，特别是在航天电源系统中，能量主要由蓄电池组和太阳能光伏板提供。当日光充足时，太阳能光伏板除提供负载正常用电外，会通过BDC将多余能量储存在蓄电池组中；当日光不足时，由蓄电池组通过BDC向负载供电。

在混合动力技术研究领域，双向DC-DC变换技术已经和电机驱动技术、电源管理系统技术一起作为混合动力系统中的三大技术。双向DC-DC变换器作为蓄电池组和电机逆变器直流母线间能量流动的媒介，是系统提高效率的重要环节，也是近年来混合动力系统领域研究的重点和热点。混合动力客车在正常行驶时，双向DC-DC变换器能保证发动机系统始终工作在最佳功率区，在起步或加速过程中，能量正向流动，保证电机逆变器的驱动性能，在制动或减速过程中，能量反向流动，有效回收多余能量，真正实现混合动力客车的节能减排目标。

采用双向DC-DC变换器后，一方面可以降低蓄电池组的电压等级，提高整车安全性，降低蓄电池组和BMS(电池管理系统)的成本；另一方面可以将电机直流母线端电压与蓄电池组电压解耦，根据电机的运行情况并输出最适宜稳定的电压，有利于电机体积质量的减小，运行效率的提高；此外，在电机出现故障时，双向DC-DC变换器还能有效将电机可能产生的高压截止在电机逆变器直流母线端，而不至于直接导入蓄电池组引起安全隐患，提高系统安全可靠性。

采用双向DC-DC变换器的电路控制系统一般是采用模拟控制技术，其不能解决模拟控制温飘问题和元器件老化问题。

发明内容

本发明提供一种新的双向DC-DC变换器电路控制系统及采用电路控制系统的混合动力机动车。

本发明提供一种双向DC-DC变换器电路控制系统，包括双向DC-DC变换器、驱动电路、采样电路及数字信号控制器；所述双向DC-DC变换器与驱动电路、采样电路均信号连接，所述驱动电路和采样电路均与所述数字信号控制器信号连接；所述双向DC-DC变换器的拓扑结构包括高压端、低压端及位于所述高、低压端之间的第一开关管和第二开关管，所述采样电路采样所述高压端的电流和/或电压值及低压端的电流和/或电压值，所述数字信号控制器处理采样值并通过所述驱动电路对所述双向DC-DC变换器进行PWM控制，且使所述第一开关管和第二开关管以互补形式交替导通。

采样电路可以仅采集高压端电压和低压端电流，也可以同时采集高、低压端的电压和/或电流，也可以采集第一、二开关管的温度。

进一步的，所述的电路控制系统，还包括光耦隔离电路，所述数字信号控制器通过所述光耦隔离电路控制所述驱动电路。

进一步的，所述的电路控制系统，还包括CAN收发器，所述CAN收发器与所述数字信号控制器信号连接，所述CAN收发器连接CAN总线。

进一步的，所述的电路控制系统，还包括保护电路，所述保护电路与驱动电路、采样电路均连接，所述保护电路处理采样值并通过所述驱动电路对所述双向DC-DC变换器进行PWM控制，进而实现保护。该保护如过热、过压和过流中的一种或多种保护。

进一步的，所述数字信号控制器包括DsPIC30F6010A芯片，所述第一开关管和第二开关管为IGBT管，所述驱动电路是基于2ED300C17-S的驱动电路。

进一步的，所述双向DC-DC变换器的拓扑结构还包括电感、第一反向二极管及第二反向二极管，所述低压端的负极与第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端、高压端的负极均连接；所述低压端的正极与电感的一端、第一滤波电容的另一端均连接；所述电感的另一端与所述第一开关管的源极、第一反向二极管的正极、第二开关管的漏极、第二反向二极管的负极均连接；所述高压端的正极与所述第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端均连接；且采样所述高压端的电压值和采样通过所述电感的电流值。

进一步的，所述低压端的正极和所述电感的一端之间通过并联的第一开关和第二开关连接。

进一步的，所述第二开关与一电阻串联后再与所述第一开关并联。

进一步的，所述第一开关管和第二开关管均是IGBT管或MOSFET管。

一种混合动力机动车，包括直流母线、蓄电池组及双向DC-DC变换器电路控制系统，所述双向DC-DC变换器的高压端连接所述直流母线，所述变换器的低压端连接所述蓄电池组。

本发明的有益效果是：

1)通过数字信号控制器进行数字控制，避免了模拟控制温漂问题和元器件老化问题，显著降低了系统的设计成本，相较模拟控制具有较好的兼容性、灵活性和扩展性。

2)创造性的提出了一种具有新拓扑结构的双向DC-DC变换器，该变换器采用双闭环控制，且将控制电压、电流分处在高压端、低压端，从而既达到了正向时控制直流母线电压的目的，又很好的控制蓄电池组的反向充电电流。

附图说明

图1是本实施方式的结构框图；

图2是双向DC-DC变换器第一具体实施方式的拓扑结构图；

图3是双向DC-DC变换器第二具体实施方式的拓扑结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实施方式双向DC-DC变换器电路控制系统包括双向DC-DC变换器、数字信号控制器、保护电路、采样电路、光耦隔离电路、辅助电源及CAN收发器。双向DC-DC变换器与驱动电路、保护电路及采样电路均信号连接，采样电路、保护电路均与数字信号控制器信号连接，且数字信号控制器通过光耦隔离电路与驱动电路信号连接，CAN收发器连接在CAN总线上并与数字信号控制器信号连接。

双向DC-DC变换器(双向Buck/Boost变换器)采用Buck-Boost拓扑结构，其一般具有高压端和低压端，高压端和低压端之间设有第一开关管和第二开关管，高压端可以连接电机逆变器直流母线，低压端可以连接蓄电池组。保护电路用于对双向DC-DC变换器的高压端、低压端电压进行过压保护、对高压端、低压端电流进行过流保护及对第一、二开关管进行过热保护。采样电路用于采样高低压端电压、高低压端电流和第一、二开关管的温度。数字信号控制器用于对各电路进行协调控制。辅助电源用于对采样电路、数字信号控制器及保护电路提供电源。CAN收发器能够实现信号的收发并通过CAN总线进行信号的传输。

在一个工作周期内，首先由采样电路同时采取样高、低压端电压和电流，电压给定由外部通信控制(如由HCU，即混合动力控制器控制)，通过数字信号控制器(如单片机、DSP)一系列运算得到新的占空比，并由其PWMH和PWML端口经光耦隔离电路和驱动电路实现对双向DC-DC变换器的控制。数字信号控制器的控制方式可以采用双闭环与功率前馈复合控制策略，由电压环维持系统稳定性，由电流环提高系统动态响应，由功率前馈提高负载调整能力。

本实施方式中，数字信号控制器可以采用Microchip公司的DsPIC30F6010A芯片，其RD1～RD4端口可以与保护电路连接；其PWMH、PWML端口与光耦隔离电路连接；其RD9、RD11端口与驱动电路连接，其中RD9端口可以实现对该芯片的故障保护，RD11端口可以实现该芯片对驱动电路的使能控制；其RX、TX端口与CAN收发器连接；其A/D端口用于输入采样的高压端电压电流及低压端电压电流。

本实施方式中，双向DC-DC变换器的第一、二开关管可以是IGBT管。对应的，驱动电路可以是IGBT驱动电路，如选用Eupec公司的集成化2ED300C17-S智能驱动模块，该智能驱动模块有直接模式和半桥模式两种模式选择，一般选择半桥模式使PWM互补方式输出(即使第一开关管和第二开关管以互补形式交替导通)，并根据IGBT管的反向恢复时间，来选择合适的延时电容来设定死区时间。驱动电路可以控制第一、二开关管的栅极(基极)电压。

本实施方式中，保护电路采用软硬件双重保护措施。硬件保护采用保护电路直接控制PWM输出。软件保护是将各电路状态信息(该状态信息指双向DC-DC变换器高压端、低压端的电压和电流信息)送到数字信号控制器中，由数字信号控制器运算处理得到控制信号实现对PWM输出控制，并把采集到所有信息发送到CAN总线中。

硬件保护是指保护电路将设定的保护值与采样电路的采样值进行比较，通过保护电路的比较器输出逻辑0或1，在进入驱动电路前与PWM信号相与，达到保护时封锁PWM信号的目的。

软件保护是通过数字信号控制器运算，判断是否输出PWM信号。

所有的数字信息都通过CAN总线收发器，既包含采集信息，也包含所需要的指令信息，如控制输出电压、电机的速度和转矩信息等。

本实施方式中，在一个中断周期内，系统首先采样并转换A/D采样值并去除直流偏置量，经过数字滤波后判断系统电压、电流、温度是否超过限定值，如果超过限定值，系统会将各状态位置位，状态信息将通过CAN收发器发送到CAN总线，同时封锁PWM信号。否则，清除电压、电流、温度状态位。系统通过I/O引脚检测IGBT管(第一开关管、第二开关管)驱动状态，如果IGBT管故障置位，则重启驱动电路，重启3次仍然故障则封锁PWM。将滤波输出值作为电压环反馈值，经电压环计算后输出和功率前馈输出之和作为电流环给定，经电流环输出经过比例关系得到新的占空比，如此反复进行运算。I/O引脚是指数字信号控制器的引脚RD9，其通过驱动电路的check引脚状态与其对应，并与PWM信号相与，达到控制PWM是否封锁的目的。

如图2所示，其为双向DC-DC变换器的第一具体实施方式。该双向DC-DC变换器的拓扑结构包括低压端Ua、高压端Ub、第一开关1、第二开关2、第一滤波电容C1、电感L、第二滤波电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一反向二极管D1及第二反向二极管D2。低压端的负极、第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端及高压端的负极连接；低压端的正极通过并联的第一开关、第二开关与第一滤波电容的另一端、电感的一端连接；电感的另一端、第一开关管的源极、第二开关管的漏极、第一反向二极管的正极及第二反向二极管的负极连接；第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端及高压端的正极连接。第二开关可以与电阻R串联后再与第一开关并联在低压端的正极和电感的一端之间；第一开关和电感的一端之间还可以设有在电流过大时进行保护的保险器件。第一开关管和第一反向二极管形成该电路的上桥臂，第二开关管和第二反向二极管构成该电路的下桥臂。高压端连接电机逆变器直流母线，高压端电压即直流母线电压。低压端连接蓄电池组，低压端电压即蓄电池组电压。

电路在启动时，首先打开第二开关，由电阻R和第一滤波电容组成RC充电电路，该RC充电电路用以减小电路启动时刻第一滤波电容的瞬态电流，预充电完成后，关闭第二开关，打开第一开关。电路在正向工作时控制第一开关管的通断，第二开关管的通断控制与其互补，组成同步Buck降压模式。

本实施方式中，采用互补PWM控制方式，使第一、二开关管以互补形式交替导通，并留有一定死区时间来防止上、下桥臂同时导通。

本实施方式中，采取了双闭环控制方法，即采用电压环作外环、电流环作内环，从而既增强了系统稳定性，也提高了系统的响应性能。电压环是采样高压端电压，即采样直流母线电压。电流环是采样通过电感的电流。

在同一个采样周期中，同时采样电机直流母线电压和电感电流，经过A/D转换成数字信号，经过数字滤波，并减去相应的预设偏置量得到相对应的数字信号量，即最终得到的电压采样值和电流采样值均是数字信号量。高压端电压给定指令由上层命令HCU(HCU，混合动力控制器)给出，并与电压采样值比较得到电压误差信号，输出值经过PID调节器得到电流给定信号，电流给定信号与电流采样值比较得到电流误差信号，输出值经过PID调节器输出数字信号控制PWM寄存器值，从而达到控制高压端输出电压和控制低压端电流的目的。

如图3所示，其为双向DC-DC变换器的另一种具体实施方式。该双向DC-DC变换器的拓扑结构包括低压端Va、高压端Vb、第一滤波电容C1、电感L、第二滤波电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一反向二极管D1及第二反向二极管D2。低压端的负极、第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端及高压端的负极连接；低压端的正极、第一滤波电容的另一端、电感的一端连接；电感的另一端、第一开关管的源极、第二开关管的漏极、第一反向二极管的正极及第二反向二极管的负极连接；第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端及高压端的正极连接。高压端连接电机逆变器直流母线，高压端电压即直流母线电压。低压端连接蓄电池组，低压端电压即蓄电池组电压。电阻Rc1、RL、Rc2是对应的第一滤波电容、电感、第二滤波电容的寄生电阻，在分析时，为了简化模型，可以忽略该等寄生电阻。另外，在正向升压模式时，直流母线相当于负载，Ra即相当于直流母线的内阻；在反向降压模式下，蓄电池组相当于负载，Rb相当于蓄电池组的内阻。

根据第一开关管、第二开关管及反并联二极管的导通与关断状态，可将BDC的整个开关过程分为四个等效状态，分别是：a)第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，且第一反向二极管和第二反向二极管均关闭；b)第一开关管、第二开关管均关断，第一反向二极管续流导通，第二反向二极管关断；c)第二开关管关断，第一开关管导通，第一反向二极管和第二反向二极管均关断；d)第一开关管、第二开关管均关断，第一反向二极管关断，第二反向二极管续流导通。

本实施方式中，采样高压端一侧的直流母线电压和低压端一侧的电感电流，且电流环作为内环，电压环作为外环，并构成双闭环控制系统。

本发明双向DC-DC变换器采用Buck-Boost拓扑结构，其采用互补PWM控制模式，即两个开关管同时动作并互补输出，该模式使其实现软开关控制，且不需要使用状态逻辑信号即可实现双向状态间的平稳切换，能量流动更为平滑，系统能够实现快速切换。该拓扑结构能以一端作为反馈电压控制端，可以设置死区以防止上、下桥臂同时导通。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种双向DC-DC变换器电路控制系统，其特征在于，包括双向DC-DC变换器、驱动电路、采样电路及数字信号控制器；所述双向DC-DC变换器与驱动电路、采样电路均信号连接，所述驱动电路和采样电路均与所述数字信号控制器信号连接；所述双向DC-DC变换器的拓扑结构包括高压端、低压端及位于所述高、低压端之间的第一开关管和第二开关管，所述采样电路采样所述高压端的电压和/或电流值及低压端的电流和/或电压值，所述数字信号控制器处理采样值并通过所述驱动电路对所述双向DC-DC变换器进行PWM控制，且使所述第一开关管和第二开关管以互补形式交替导通。

2.如权利要求1所述的电路控制系统，其特征在于，还包括光耦隔离电路，所述数字信号控制器通过所述光耦隔离电路控制所述驱动电路。

3.如权利要求2所述的电路控制系统，其特征在于，还包括保护电路，所述保护电路与驱动电路、采样电路均连接，所述保护电路通过所述驱动电路对所述双向DC-DC变换器进行PWM控制来实现保护。

4.如权利要求3所述的电路控制系统，其特征在于，所述数字信号控制器包括DsPIC30F6010A芯片，所述第一开关管和第二开关管为IGBT管，所述驱动电路是基于2ED300C17-S的驱动电路。

5.如权利要求1所述的电路控制系统，其特征在于，还包括CAN收发器，所述CAN收发器与所述数字信号控制器信号连接，所述CAN收发器连接CAN总线。

6.如权利要求1所述的电路控制系统，其特征在于，所述双向DC-DC变换器的拓扑结构还包括电感、第一反向二极管及第二反向二极管，所述低压端的负极与第一滤波电容的一端、第二开关管的源极、第二反向二极管的正极、第二滤波电容的一端、高压端的负极均连接；所述低压端的正极与电感的一端、第一滤波电容的另一端均连接；所述电感的另一端与所述第一开关管的源极、第一反向二极管的正极、第二开关管的漏极、第二反向二极管的负极均连接；所述高压端的正极与所述第一开关管的漏极、第一反向二极管的负极、第二滤波电容的另一端均连接。

7.如权利要求6所述的电路控制系统，其特征在于，所述低压端的正极和所述电感的一端之间通过并联的第一开关和第二开关连接。

8.一种混合动力机动车，包括直流母线和蓄电池组，其特征在于，还包括权利要求1-7中任意一项所述的双向DC-DC变换器电路控制系统，所述双向DC-DC变换器的高压端连接所述直流母线，所述变换器的低压端连接所述蓄电池组。

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