混合动力客车大功率双向DC-DC变换器的研究

随着环境污染和能源危机的日益严重,混合动力客车作为城市绿色交通工具近年来受到了广泛关注。超级电容作为一种新型混合动力的储能器件,具有比功率大、充放电速度快、循环使用寿命长的特点,能够满足城市公交路况频繁起停时对电动大功率的需求和制动回馈时能量快速回收的要求。但工作时超级电容电压变化范围大成为混合动力客车电机驱动供电的不利影响因素,而双向DC-DC功率变换器是解决该问题的关键,它根据行车条件可以高效地进行能量转换,从而优化电机控制,以提高超级电容混合动力客车的动力性能和续驶能力。 本文通过比较几种双向DC-DC功率变换电路性能的优缺点,针对混合动力车的应用技术特性,选择了双向半桥式Buck/Boost变换拓扑实现整个动力系统的能量双向流动,并设计了主电路参数。 采用状态空间平均法,分析双向DC-DC变换器的两种功率流方向的工作模式,建立了其小信号控制模型,并选择合适的PID补偿网络以提高系统的稳定性和快速性。 在分析了IGBT驱动特性基础上,采用理论仿真方法研究IGBT并联动静态不均流的影响因素,总结了相关的有效改善措施,为设计双向DC-DC变换器的IGBT驱动和并联功率扩展提供了参考依据。并采用2ED300C17-S模块设计外围驱动电路,满足了大功率IGBT驱动和IGBT并联可靠驱动的要求。 根据超级电容供电的混合动力客车的运行特性,设计了两套独立的PID闭环控制器,分别对相应能量变换模式的逆变器母线电压进行控制,使之稳定且在有效工作电压范围内。使用单片机实现双向DC-DC电路工作状态监测和自动切换,并解决了电机驱动逆变器工作的欠压和过压保护的电气功能限制问题,从而能够快速进行能量转换。 研制完成的双向DC-DC功率变换器已通过模拟实际路况的台架测试,随着电机工作状态改变可实现高效驱动和快速能量回收,且控制时间短,回收效率高。上述工作为进一步研究混合动力系统的整车实验提供了技术储备。