摘 要 针对电动轮自卸车的应用需求，设计了一种适合于电动轮自卸车超级电容充放电特性的700kW等级的双向DC/DC变换器，进行了功率电路和控制系统的设计，利用试验样机进行超级电容充放电试验，验证了产品设计的正确性。

关键词 双向DC/DC变换器;Buck-Boost变换器;超级电容

前言

近年來，由于超级电容等新储能元件的应用，将车辆再生制动的电能进行存储利用已成为电动轮领域研究当前的重要课题。本双向DC/DC变换器安装在超级电容供电的纯电动轮自卸车上，用于连接超级电容与牵引逆变器。牵引时，变换器将能量由超级电容传送给牵引逆变器;制动时，变换器将牵引逆变器再生制动能量传送给超级电容，实现制动能量回收。DC/DC变换器通过能量的双向控制，维持牵引逆变器侧的电压稳定。

1变换器的设计

1.1 主要设计说明

（1）为了减小变换器噪声、体积和重量，主电路拟采用三电平方案，开关频率为15kHz。

（2）为了提高系统可靠性，采用两单元模块结构，其中一单元故障时，切除故障单元，不影响车辆的运行。

1.2 系统主电路结构

系统主电路如图1所示。将蓄能超级电容和DC/DC变换器分为1#和2#两个完全相同的单元，输出并联给牵引逆变器供电。每个单元有独立的断路器、主接触器和充电接触器，输出经滤波电后经带熔断器的开关向牵引逆变器供电。每个单元内部由两个并联的三电平双向DC模块构成，每个功模块输出电流400A。上述主电路方案形成如下特点：①采用三电平结构，开关频率为15kHz，电感及开关器件的噪声几乎听不到，滤波电感可减小4倍（对应相同开关频率的两电平）;②IGBT采用infineon型号为FF600R12ME4  EconoDUAL封装 1200V/600A IGBT模块，散热性能好，维护方便;③两个单元独立控制，一台出现故障后隔离后，车辆可降功率为原来一半运行;④两个单元载波信号相差180度，两重斩波运行，减小流入逆变器侧的纹波电流;⑤两个单元内各有两个功率模块，四个功率模块采用相同的结构，故障后维护更换方便。

1.3 控制系统

（1）控制功能。双向DC/DC控制目标是实现牵引逆变器直流侧电压稳定，保证牵引逆变器与超级电容间能量能双向流动，此外控制要求两个单元的输出电流应基本相等。控制器采用了电流下垂的电压电流双闭环控制，外环是逆变器直流侧电压环，内环是双向DC/DC的电流环，电流环输出与三角波比较生成触发脉冲。三电平上下两个半桥功率模块的触冲发生电路采用同一个三角波，调制信号反向。

控制器两个功能实现如下：①逆变器恒压控制。电压环的给定与反馈作为电流的参考指令。当因牵引逆变器输出功率增大输出电压降低时，电压PI输出增加，增加超级电容流出的电流，由超级电容侧流出的能量增多，维持直流电压稳定;当牵引逆变器制动时，牵引逆变器交流侧能量流向直流侧使直流侧电压上升，电压PI输出减小变为负号时，超级电容流出电流由正变为负，吸收能量，维持了逆变器直流侧电流不变。②双向DC/DC均流控制。图2中反馈电流经过一个系数K后加入到电压环反馈信号中，这样使得恒压环控制中具有下垂特性，即随着双向DC/DC输出电流的增加，逆变器直流侧电压略有下降。两个具有下垂特性的双向DC/DC并联运行时，可以无须通讯联系就可实现输出增均流控制。

（2）控制器结构。控制器由ARM+FPGA为内核的控制板外加数字和模拟电路构成。控制器对外接口有：控制电源输入、电器控制输出、电器状态输入、驱动脉冲输出、驱动状态输入、电压电流传感器输入、散热器温度传感输入。控制器根据输入传感器信号完成变换器的控制和保护功能[1]。

2样机试制及试验结果

2.1 样机试制

本文设计了700kW等级的双向Buck/Boost变换器样机，主要电气参数 ：

输入电压：950V～465V;

输入电流：785A～1602A;

输入额定功率：745kW;

输出额定电压：930V;

输出额定电流：762A;

输出额定功率：708kW;

输出电流纹波：小于20%;

额定效率：大于98%;

冷却方式：强风冷;

2.2 试验波形

采用双向Buck-Boost变换器的工程样机搭配超级电容组、牵引逆变器、牵引电机、高压电源进行循环充放电试验。

图中曲线1是储能元件超级电容的电压，曲线2是储能元件超级电容的输出电流，曲线3是变换器Boost端的输出电流，曲线4是变换器Boost端的输出电压[2]。

3结束语

双向Buck-Boost变换器具有拓扑简单、可靠性高、能够达到700kW以上功率等级的优点，适合应用在基于超级电容的电动轮车载能量管理系统中。变换器主电路采用了三电平方案，开关频率设置为12kHz，有效减小了变换器噪声、体积和重量;控制器采用了电流下垂的电压电流双闭环控制，有效实现了恒压控制和均流控制。但样机试验也指出，在大电流应用场景下，双向变换器的输出直流电流波形效果仍然较差，对环境可能存在一定的电磁干扰，后续产品开发设计工作的重点进一步采用多相交错并联输出的拓扑结构，改善电流波形质量。

参考文献

[1] 金科，杨孟雄，阮新波.三电平双向变换器[J].中国电机工程报， 2006，26（18）：41-46.

[2] 姜磊. Buck-Boost变换器在车载超级电容能量管理系统中的应用[D].大连：大连理工大学，2013.