CN108988620B - Dc/dc变换器输出纹波的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种DC/DC变换器输出纹波的控制方法及装置，在采集DC/DC变换器的输入电压并获取输入电压扰动后，通过获取电压环中消除了输入电压扰动对输出电压的影响的第一输出值，以及获取电流环中消除了输入电压扰动对输出电流的影响的第二输出值，从而消除了输入电压扰动对输出信号(包括输出电压和输出电流)的影响。在不增加硬件的前提下，消除输入电压扰动对输出信号的影响，降低了成本。进一步的，输出所述第一输出值和第二输出值中的较小者以驱动功率器件的开通与关断，使系统在小负载时工作在电压环，当负载增大到一定程度时再切换到电流环，提高了效率，进一步的降低了成本。

Description

DC/DC变换器输出纹波的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其是一种DC/DC变换器输出纹波的控制方法及装置。

背景技术

近年来，随着以插电式混合动力为代表的新能源汽车的发展，汽车电力驱动技术正受到越来越多的关注。DC/DC变换器作为新能源汽车的核心零部件之一，其输出纹波是其输出特性的重要指标之一

如图1所示，图1为一车载电力驱动系统的示意图，所述系统包括高低压蓄电池、逆变器、电机以及DC/DC变换器，其中逆变器和DC/DC变换器并联运行，逆变器驱动电机旋转，DC/DC变换器将直流高压转换成车内低压供电网络。当逆变器以一定的开关频率驱动电机旋转时，高压蓄电池侧不可避免产生该频率的纹波，从而影响基于理想直流电压设计的DC/DC变换器的正常运行，导致其输出电压含有该频率的纹波，造成噪声增大、效率降低、低压用电设备寿命减少等后果。该频率的纹波与DC/DC变换器的拓扑结构、闭环增益、占空比和输出电容的容量等密切相关。以电压环控制为例，仅考虑了占空比对输出电压的扰动，而忽略了输入电压本身对输出电压的影响，输入电压扰动在音频衰减率作用下被缩小一定比率叠加到输出电压上，造成输出电压的波动。针对新能源汽车DC/DC变换器的输出纹波问题，虽然在输入电压采样环节可以屏蔽输入扰动，但会带来系统响应变慢、成本增加等问题；此外选用大电感大电容降低输出电压滤波器的截止频率，可以实现输出纹波抑制，这种方式在产品开发阶段并无不妥，但当量产后必然带来高成本等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种DC/DC变换器输出纹波的控制方法及装置，以降低解决当前输入电压扰动造成的输出扰动的问题的成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种DC/DC变换器输出纹波的控制方法，包括：

采集DC/DC变换器的输入电压并获取输入电压扰动；

获取电压环中消除了所述输入电压扰动对输出电压的影响的第一输出值；

获取电流环中消除了所述输入电压扰动对输出电流的影响的第二输出值；

比较所述第一输出值和第二输出值，取二者中的较小者输出以驱动功率器件的开通与关断。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，获取电压环中消除了所述输入电压扰动对输出电压的影响的第一输出值的步骤包括：

获取电压环控制器输出的占空比；

获取电压环引入输入电压扰动的占空比；

根据所述电压环控制器输出的占空比和电压环引入输入电压扰动的占空比获取所述第一输出值。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，所述第一输出值由以下公式获得：

d₃＝d₁+d₂＝d₁+y(t)*G_f1，

其中，d₃为第一输出值，d₁为电压环控制器输出的占空比，d₂为电压环引入输入电压扰动的占空比，y(t)为t时刻的输入电压扰动，G_f1为电压环中输入电压扰动前馈系数。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，所述电压环中输入电压扰动前馈系数G_f1由以下公式获得：

其中，G_vd为输出电压对占空比的传递函数，G_vv为输出电压对输入电压的传递函数。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，获取电流环中消除了所述输入电压扰动对输出电流的影响的第二输出值的步骤包括：

获取电流环控制器输出的占空比；

获取电流环引入输入电压扰动的占空比；

根据所述电流环控制器输出的占空比和电流环引入输入电压扰动的占空比获取所述第二输出值。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，所述第二输出值由以下公式获得：

d₆＝d₄+d₅＝d₄+y(t)*G_f2，

其中，d₆为第二输出值，d₄为电流环控制器输出的占空比，d₅为电流环引入输入电压扰动的占空比，y(t)为t时刻的输入电压扰动，G_f2为电流环中输入电压扰动前馈系数。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，所述电流环中输入电压扰动前馈系数G_f2由以下公式获得：

其中，G_id为输出电流对占空比的传递函数，G_iv为输出电流对输入电压的传递函数。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，采集输入电压并获取输入电压扰动的步骤包括：

对所述输入电压进行滤波，获取所述输入电压的直流分量；

根据所述输入电压及其直流分量获取所述输入电压扰动。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，所述输入电压扰动由以下公式获得：

y＝u_g-u₁；

其中，u_g为输入电压，u₁为输入电压的直流分量。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，在获取所述输入电压扰动之后，还需获取所述输入电压扰动的预测值，以消除DC/DC变换器控制系统中的延时。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，所述输入电压扰动在t时刻的预测值由以下公式获得：

其中，A为信号幅值，f为输入电压扰动的频率，T_sam为信号采样周期或控制中断周期，t₁为当前采样时刻，y为当前采样时刻的信号值，y₁为前一个采样时刻的信号值，y₂为前两个采样时刻的信号值。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法中，所述输入电压扰动在t时刻的预测值由以下公式获得：

其中，f为输入电压扰动的频率，T_sam为信号采样周期或控制中断周期，y 为当前采样时刻的信号值，y₁为前一个采样时刻的信号值。

本发明还提供了一种DC/DC变换器输出纹波的控制装置，包括：

采集单元，用于采集输入电压；

输入扰动获取单元，用于根据所述输入电压获取输入电压扰动；

电压环路控制单元，用于获取消除了输入电压扰动对输出电压的影响后的第一输出值；

电流环路控制单元，用于获取消除了输入电压扰动对输出电流的影响后的第二输出值；

输出单元，用于比较第一输出值和第二输出值的大小，取其小者输出以驱动功率器件的开通与关断。

优选的，在上述的DC/DC变换器输出纹波的控制装置中，还包括：采样预测单元，用于获取所述输入电压扰动的预测值，以消除DC/DC变换器控制系统中的延时。

本发明还提供了一种DC/DC变换器，包括：如上所述的控制装置。

在本发明提供的DC/DC变换器输出纹波的控制方法及装置中，在采集DC/DC变换器的输入电压并获取输入电压扰动后，获取电压环中消除了输入电压扰动对输出电压的影响的第一输出值，以及获取电流环中消除了输入电压扰动对输出电流的影响的第二输出值，从而消除了输入电压扰动对输出信号(包括输出电压和输出电流)的影响。在不增加硬件的前提下，消除输入电压扰动对输出信号的影响，降低了成本。进一步的，输出所述第一输出值和第二输出值中的较小者以驱动功率器件的开通与关断，使系统在小负载时工作在电压环，当负载增大到一定程度时再切换到电流环，提高了效率，进一步的降低了成本。

附图说明

图1为一车载电力驱动系统的示意图；

图2为一实施例中DC/DC变换器的控制策略的示意图；

图3为本发明一实施例中DC/DC变换器输出电压纹波的控制方法的示意图；

图4为本发明一实施例中采样预测原理示意图；

图5为本发明又一实施例中DC/DC变换器输出电流纹波的控制方法的示意图；

图6为本发明又一实施例中DC/DC变换器输出纹波的控制方法的示意图；

图7为本发明一实施例中DC/DC变换器输出纹波的控制方法的流程图；

图8为本发明一实施例中DC/DC变换器输出纹波的控制装置。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

DC/DC变换器输出纹波包括输出电压纹波和输出电流纹波，以电压环控制为例，一种DC/DC变换器的控制策略的示意图如图2所示，其中，u_ref为DC/DC 变换器的输出电压的指令值，G_c1为电压环路控制器，G_vd为输出电压对占空比的传递函数，G_vv为输出电压对输入电压的传递函数。由图2中的控制环路可知，将输出电压u_o反馈至环路控制器的输入，从而可以消除占空比d的扰动

对输出电压u_o的影响，并没有考虑到输入电压u_g的扰动

对输出电压u_o的影响。

本发明实施例提供了一种DC/DC变换器输出纹波的控制方法，具体的， DC/DC变换器输出纹波包括输出电压纹波和输出电流纹波，在本发明的一实施例中，以电压环控制为例，即以输出电压纹波为例，DC/DC变换器输出电压不仅与其指令值u_ref有关，还与输入电压的扰动

有关，其控制示意图如图3所示，图3为本发明一实施例中DC/DC变换器输出电压纹波的控制方法的示意图。图3中，u_ref为DC/DC变换器的输出电压的指令值，G_c1为电压环路控制器，G_vd为输出电压对占空比的传递函数，G_vv为输出电压对输入电压的传递函数，G_f1为电压环中输入电压扰动前馈系数。

此时，输出电压u_o由以下公式获得：

只要满足以下条件即可实现控制目标，即消除输入电压的扰动对输出电压u_o的影响：

在本发明的一实施例中，DC/DC变换器输出电压的指令值u_ref的取值范围为6V～16V，较优的，指令值u_ref的取值范围为9V～16V，在本发明的一实施例中指令值u_ref的取值可以为14V，当然，在本发明的其他实施例中，指令值u_ref的取值还可以为其他值，本发明并不以此为限。

但是在实际应用过程中，在采用数字控制的过程中，需要对输入电压进行采样，在采样过程中会引入计算延时和PWM((Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)延时，因此，对输入电压扰动的前馈控制还要解决延时问题即实现进入图3中闭环运算的输入电压要超前当前时刻采样值一定的相位。只要能准确预测输入电压扰动在未来某个时刻的值，理论上可以实现对其完全抑制，从而解决延时问题。

具体的，可以通过图4所示的采样预测原理来实现对输入电压扰动的准确预测。图4为本发明一实施例中采样预测原理示意图。在本实施例中，通过三点采样(y、y₁以及y₂)来预测未来某时刻(t时刻)的值。图4中，A为信号幅值，f为输入信号的频率，T_sam为信号采样周期或控制中断周期，t₁为当前采样时刻，y为当前采样时刻的信号值，y₁为前一个采样时刻的信号值，y₂为前两个采样时刻的信号值，则y、y₁以及y₂可分别表示为：

y＝Asin(2πft₁)；(式3)

y₁＝Asin[2πf(t₁-T_sam)]；(式4)

y₂＝Asin[2πf(t₁-2T_sam)]；(式5)

根据上述(式4)和(式5)确定在未来t时刻的输入信号的预测值可以表示为：

上述(式6)中，y、y₁以及y₂可以通过采样直接获得，t可以任意值，在本发明的一实施例中，t的值等于电压检测延时、采样延时以及PWM延时的总和，频率f可以是已知的输入电压的纹波频率，也可以是通过CAN总线获取的逆变器的开关频率。

在本发明的又一实施例中，还可以通过两点采样(y和y₁)来预测未来某个时刻的值。具体的，根据上述(式4)可得：

根据上述(式7)可以获得：

再根据上述(式3)和(式8)即可获得t时刻的输入信号的预测值：

其中，f为输入电压扰动的频率，T_sam为信号采样周期或控制中断周期，y 为当前采样时刻的信号值，y₁为前一个采样时刻的信号值。同上述(式6)中一样，y以及y₁可以通过采样直接获得，t可以任意值，在本发明的一实施例中， t的值等于电压检测延时、采样延时以及PWM延时的总和，频率f可以是已知的输入电压的纹波频率，也可以是通过CAN总线获取的逆变器的开关频率。

在本发明的又一实施例中，以电流环控制为例，即以输出电流纹波为例， DC/DC变换器输出电流不仅与其指令值i_ref有关，还与输入电压的扰动

有关，其控制示意图如图5所示，图5为本发明又一实施例中DC/DC变换器输出电流纹波的控制方法的示意图。图5中，i_ref为DC/DC变换器的输出电流的指令值， G_c2为电流环路控制器，G_id为输出电流对占空比的传递函数，G_iv为输出电流对输入电压的传递函数，G_f2为输入电流扰动前馈系数。

此时，输出电流i_o由以下公式获得：

只要满足以下条件即可实现控制目标，即消除输入电压的扰动对输出电流i_o的影响：

同样，也可以根据上述(式6)来获得电流环路中的输入电压的扰动预测值。

在本发明的一实施例中，DC/DC变换器输出电流的指令值i_ref的值的取值范围为2A～180A，较优的，指令值i_ref的取值范围为150A～180A，在本发明的一实施例中。指令值i_ref的取值可以为180A，当然，在本发明的其他实施例中，指令值i_ref的取值还可以为其他值，本发明并不以此为限。

在本发明的又一实施例中，DC/DC变换器输出纹波的控制方法的示意图如图6所示，具体的，首先，采集输入电压u_g，如图7中的步骤S1，图7为本发明一实施例中DC/DC变换器输出纹波的控制方法的流程图。

在采集到输入电压u_g之后，将其进行低通滤波处理，如图6中的低通滤波器对输入电压u_g进行滤波，该低通滤波器的传递函数为

其中，ω_c为滤波器截止频率，s为频域中的基本变量，从而得到输入电压直流分量u₁，进而获得输入电压扰动y＝u_g-u₁。

接下来，根据图4所示的采样预测方法获取输入电压扰动y的预测值y(t)，如图7中的步骤S2，以及图6中的采样预测，经过图6中的采样预测，即可获得所述输入电压扰动y的预测值y(t)。

具体的，在每个控制中断内分别记录当前采样时刻输入电压扰动值y、前一个采样时刻输入电压扰动值y₁以及前两个采样时刻输入电压扰动值y₂。再根据上述(式6)即可获得输入电压扰动的预测值y(t)，其中，纹波频率f既可以根据已知纹波信号来预设相应频率值，也可以根据CAN总线实时获得与DC/DC 变换器并联的逆变器的开关频率，此时T_sam为DC/DC变换器的控制中断周期， t为预测时间，其值等于输入电压u_g检测延时、采样延时以及PWM延时的总和。

结合图7中的步骤S3和图6，获取电压环中第一输出值，该第一输出值d₃由以下公式获得：

d₃＝d₁+d₂＝d₁+y(t)*G_f1；(式12)

其中，d₁为电压环控制器输出的占空比，d₂为电压环引入输入电压扰动的占空比，其中，d₂＝y(t)*G_f1，G_f1为电压环中输入电压扰动前馈系数。

步骤S4：获取电流环中第二输出值，该第二输出值d₆由以下公式获得：

d₆＝d₄+d₅＝d₄+y(t)*G_f2；(式13)

其中，d₄为电流环控制器输出的占空比，d₅为电流环引入输入电压扰动的占空比，其中，d₆＝y(t)*G_f2，G_f2为电流环中输入电压扰动前馈系数。

步骤S5：比较d₃和d₆，取较小值进入PWM环节，以驱动功率器件的开通与关断。

具体的，比较d₃和d₆，当d₃＜d₆时，执行步骤S6，即d₃进入PWM环节，以生成开关信号驱动功率器件的开通与关断，使系统工作在电压环。

当d₃＞d₆时，执行步骤S7，即d₆进入PWM环节，以生成开关信号驱动功率器件的开通与关断，使系统工作在电流环。

通过比较d₃和d₆，取较小值进入PWM环节，以驱动功率器件的开通与关断，可以使系统在小负载时工作在电压环，当负载增大到一定程度时再切换到电流环，提高了效率，降低了成本。

在本发明实施例中，G_vd为输出电压对占空比的传递函数，G_id为输出电流对占空比的传递函数，G_vv是输出电压对输入电压的传递函数，G_iv是输出电流对输入电压的传递函数。

具体的，在本发明的一实施例中，输出电压对占空比的传递函数G_vd由以下公式获得：

输出电流对占空比的传递函数G_id由以下公式获得：

G_id＝G_vd/R；(式15)

输出电压对输入电压的传递函数G_vv由以下公式获得：

输出电流对输入电压的传递函数G_iv由以下公式获得：

G_iv＝G_vv/R；(式17)

在上述公式(14)至(17)中，n为DC/DC变换器中变压器的匝比，L和 C分别为DC/DC变换器中LC滤波器的电感值和电容值，R为DC/DC变换器的输出电阻，与其所接的负载相关，s为频域中的基本变量。

本发明一实施例还提供了一种DC/DC变换器输出纹波的控制装置，如图8 所示，图8为本发明一实施例中DC/DC变换器输出纹波的控制装置。具体的，所述装置包括：采集单元、输入扰动获取单元、采样预测单元、电压环路控制单元、电流环路控制单元以及输出单元。

其中，所述采集单元用于采集输入电压u_g，在本发明的一实施例中，所述输入电压u_g为一数字信号。所述输入扰动获取单元包括一低通滤波器，所述低通滤波器用于对所述采集单元采集到的输入电压进行低通滤波处理，从而得到输入电压u_g的直流分量u₁，进而获得输入电压扰动y＝u_g-u₁。所述采样预测单元用于采用预测方法获取t时刻输入电压扰动y的预测值y(t)。所述电压环路控制单元用于获取消除了输入电压扰动y对输出电压的影响后的第一输出值d₃，所述电流环路控制单元用于获取消除了输入电压扰动y对输出电流的影响后的第二输出值d₆。所述输出单元用于比较d₃和d₆的大小，取其小者输出以驱动功率器件开通与关断，使系统在小负载时工作在电压环，当负载增大到一定程度时再切换到电流环。

本发明又一实施例中还提供了一种包括如上所述的控制装置的DC/DC变换器，在不增加硬件的前提下，能够消除输入电压扰动对输出信号的影响，进而降低了成本。

综上，在本发明实施例提供的DC/DC变换器输出纹波的控制方法及装置中，在采集DC/DC变换器的输入电压并获取输入电压扰动后，获取电压环中消除了所述输入电压扰动对输出电压的影响的第一输出值，以及获取电流环中消除了所述输入电压扰动对输出电流的影响的第二输出值，从而消除了输入电压扰动对输出信号(包括输出电压和输出电流)的影响。在不增加硬件的前提下，消除输入电压扰动对输出信号的影响，降低了成本。进一步的，输出所述第一输出值和第二输出值中的较小者以驱动功率器件的开通与关断，使系统在小负载时工作在电压环，当负载增大到一定程度时再切换到电流环，提高了效率，进一步的降低了成本。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，包括：

采集DC/DC变换器输入电压并获取输入电压扰动；

获取电压环中消除了所述输入电压扰动对输出电压的影响的第一输出值，并获取电流环中消除了所述输入电压扰动对输出电流的影响的第二输出值；

比较所述第一输出值和第二输出值，取二者中的较小者输出以驱动功率器件的开通与关断；其中，获取电压环中消除了所述输入电压扰动对输出电压的影响的第一输出值的步骤包括：

获取电压环控制器输出的占空比；

获取电压环引入输入电压扰动的占空比；

根据所述电压环控制器输出的占空比和电压环引入输入电压扰动的占空比获取所述第一输出值；

所述第一输出值由以下公式获得：

d₃＝d₁+d₂＝d₁+y(t)*G_f1，

其中，d₃为第一输出值，d₁为电压环控制器输出的占空比，d₂为电压环引入输入电压扰动的占空比，y(t)为t时刻的输入电压扰动，G_f1为电压环中输入电压扰动前馈系数；

所述电压环中输入电压扰动前馈系数G_f1由以下公式获得：

其中，G_vd为输出电压对占空比的传递函数，G_vv为输出电压对输入电压的传递函数。

2.如权利要求1所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，获取电流环中消除了所述输入电压扰动对输出电流的影响的第二输出值的步骤包括：

获取电流环控制器输出的占空比；

获取电流环引入输入电压扰动的占空比；

根据所述电流环控制器输出的占空比和电流环引入输入电压扰动的占空比获取所述第二输出值。

3.如权利要求2所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，所述第二输出值由以下公式获得：

d₆＝d₄+d₅＝d₄+y(t)*G_f2，

其中，d₆为第二输出值，d₄为电流环控制器输出的占空比，d₅为电流环引入输入电压扰动的占空比，y(t)为t时刻的输入电压扰动，G_f2为电流环中输入电压扰动前馈系数。

4.如权利要求3所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，所述电流环中输入电压扰动前馈系数G_f2由以下公式获得：

其中，G_id为输出电流对占空比的传递函数，G_iv为输出电流对输入电压的传递函数。

5.如权利要求1所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，采集输入电压并获取输入电压扰动的步骤包括：

对所述输入电压进行滤波，获取所述输入电压的直流分量；

根据所述输入电压及其直流分量获取所述输入电压扰动。

6.如权利要求5所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，所述输入电压扰动由以下公式获得：

y＝u_g-u₁；

其中，u_g为输入电压，u₁为输入电压的直流分量。

7.如权利要求1所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，在获取所述输入电压扰动之后，还需获取所述输入电压扰动的预测值，以消除DC/DC变换器控制系统中的延时。

8.如权利要求7所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，所述输入电压扰动在t时刻的预测值由以下公式获得：

其中，A为信号幅值，f为输入电压扰动的频率，T_sam为信号采样周期或控制中断周期，t₁为当前采样时刻，y为当前采样时刻的信号值，y₁为前一个采样时刻的信号值，y₂为前两个采样时刻的信号值。

9.如权利要求7所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，所述输入电压扰动在t时刻的预测值由以下公式获得：

其中，f为输入电压扰动的频率，T_sam为信号采样周期或控制中断周期，y为当前采样时刻的信号值，y₁为前一个采样时刻的信号值。

10.一种DC/DC变换器输出纹波的控制装置，用于实现如权利要求1所述的DC/DC变换器输出纹波的控制方法，其特征在于，包括：

采集单元，用于采集输入电压；

输入扰动获取单元，用于根据所述输入电压获取输入电压扰动；

电压环路控制单元，用于获取消除了输入电压扰动对输出电压的影响后的第一输出值；

电流环路控制单元，用于获取消除了输入电压扰动对输出电流的影响后的第二输出值；

输出单元，用于比较第一输出值和第二输出值的大小，取其小者输出以驱动功率器件的开通与关断。

11.如权利要求10所述的DC/DC变换器输出纹波的控制装置，其特征在于，还包括：采样预测单元，用于获取所述输入电压扰动的预测值，以消除DC/DC变换器控制系统中的延时。

12.一种DC/DC变换器，其特征在于，包括：如权利要求10或11所述的控制装置。

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