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双向DC/DC变换器是混合动力汽车中的关键技术之一，它主要的功能是使得电动机和储能元件之间的能量双向流动，实现汽车在行驶过程中对能量的回收。首先分析了混合动力汽车双向DC/DC变换器的作用及其基本工作原理，然后，在不同工作模式下，通过分析确立了相应的控制目标，并分别建立了不同工作模式下的数学模型，进行双向DC/DC变换器控制器的研究与设计，最后，对提出的控制方案，通过仿真进行验证。 标签：双向DC/DC变换器 混合动力汽车 控制
0 引 言
本文选择混合动力汽车中常用的双向Buck/Boost变换器作为研究对象，分析了其拓扑结构和工作原理，阐述了双向Buck/Boost变换器的数学建模及控制器的设计，重点分析了其启动模式、驱动/再生制动模式、充电模式的数学建模及控制器的设计。
最后对不同模式下的双向Buck/Boost变换器控制器的设计进行仿真验证。
1 双向Buck/Boost变换器的拓扑结构和工作原理
1.1 拓扑结构
图1表示了双向Buck/Boost变换器的拓扑结构。输入侧为动力电池，输出侧用来驱动电机，当工作在Boost模式时，动力电池向负载提供能量；当工作在Buck模式时，负载向动力电池提供能量，从而实现能量的双向流动。
1.2 工作原理
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混合动力汽车的运行模式主要可以分为四种，启动模式，驱动模式，再生制动模式和充电模式。
当混合动力汽车启动瞬间，内燃机不工作，动力电池放电来启动汽车，此时，双向Buck/Boost电路的负载是启动电阻R；当混合动力汽车处于加速爬坡或重载的情况时，工作于驱动模式，动力电池经过双向Buck/Boost电路输出能量，驱动内燃机工作；当混合动力汽车处于减速制动的情况时，属于再生制动模式，此时能量经过Buck/Boost电路被动力电池回收；当混合动力汽车的电池能量不足，需要充电时，将工作于充电模式，负载经过Buck/Boost电路向动力电池充电。再生制动模式与充电模式均工作在Buck模式，但控制方案不同，充电模式需要根据蓄电池的充电特性，先进行恒流充电，再进行恒压充电。
2 双向Buck/Boost变换器的数学建模和控制器设计
2.1 启动模式货款结算方式
混合动力汽车启动瞬间，电路工作于Boost模式，母线侧为空载，此时负载是和母线侧并联的启动电阻R。而在启动瞬间，输入侧电池内阻r和电池电容C1可以忽略，将输入侧等效为恒压源。
2.1.2 控制器设计
双向DC/DC变换器的控制策略主要有两种，一种是电压型控制，另一种是电流型控制。在混合动力汽车中，对稳定性和动态性能要求较高，采用电流型控制。图2表示了双向Buck/Boost变换器在启动模式下的电流型控制框图，即电感电流内环和输出电压外环的双环控制。
图2启动模式控制框图
其中， 和 是数学建模中求出的传递函数。GPWM（s）是PWM调制器的传递函数，将控
制量变换成占空比大小与控制量成正比的脉冲序列，然后再去驱动开关管S1的开通或者关断，而开关管S2则与S1互补导通。调制器由锯齿波发生器和比较器组成，锯齿波发生器发出固定幅值、固定频率的锯齿波，它的峰值为VM。设计中VM取2500，则GPWM（s）的表达式为1/2500。
2.2 驱动/再生制动模式
混合动力汽车在加速或者爬坡的过程中，处于驱动模式，此时双向Buck/Boost变换器工作在Boost模式，采用电感电流内环，母线电压外环的控制策略；混合动力汽车在减速或者制动的过程中，处于再生制动模式，此时双向Buck/Boost变换器工作在Buck模式，动力电池回收能量，当再生制动能量过多，母线电压可能会大幅上升以至于损坏双向Buck/Boost变换器，所以再生制动模式对母线电压也要进行控制，同样采用电感电流内环，母线电压外环的控制策略.
2.2.1 数学建模
2.2.2 控制器设计
2.3 充电模式
当混合动力汽车的动力电池需要充电时，进入充电模式，双向Buck/Boost变换器电路此时工作于Buck模式，根据蓄电池的特性，经过深度放电后，端电压一般较低，首先采用恒流充电，随着充电的进行，端电压逐渐上升，当端电压达到某一值（称为浮充电压）时，进入恒压充电模式
2.3.1 数学建模
2.3.2 控制器设计
3 仿真验证
3.1 启动模式
在启动瞬间，电感电流的尖峰很大，所以采用预充电加软启动的方法，首先对母线电容C2预充电至电池电压，而软启动的具体的做法是让电压参考值Vref线性增大，直至达到设定值。3.2 驱动/再生制动模式
3.3 充电模式紫花针茅
河南机电高等专科学校校园网3.4 驱动/再生制动模式切换
本文所设计的双向Buck/Boost变换器，其两个开关管是互补导通的，使得驱动模式和再生制动模式之间可以进行顺利切换
可以看到，驱动模式切换到再生制动模式，母线电压的超调量小，调整时间短，可以快速恢复到600V，电感电流平滑地改变方向，控制器的性能良好。
4 结 论
双向Buck/Boost变换器在混合动力汽车中应用广泛，通过分析其工作原理，建立了启动模式、驱动/再生制动模式和充电模式的数学模型，并设计了电流内环、电压外环的双环PI控制器，最后通过仿真验证了控制方案的有效性和可行性。
参考文献
时间散
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[2] 史金仙. 双向DC/DC变换器在混合动力汽车中的应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2010，4.
[3] 陶钧炳.混合动力汽车DC/DC变流器研究[D].杭州：浙江大学，2010，2.
[4] 张方华.双向DC/DC变换器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2004，6.
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