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基于新能源汽车续航和动力性提升的双向DC-DC设计

基于新能源汽车续航和动力性提升的双向DC-DC设计

作者/杭孟荀,沙文瀚,李庆国(奇瑞新能源汽车技术有限公司,安徽 芜湖 241002)

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  摘要:本文介绍了一种新能源汽车驱动系统用升压双向DC-DC,该DC-DC采用交错并联双向BOOST/BUCK拓扑电路,通过数字DSP芯片实现电源能量的双向传递及输出电压的优化控制。传统新能源汽车在一些工况下因驱动系统母线电压波动会严重影响驱动系统的输出性能,双向DC-DC可以提供给驱动系统稳定的电压供应,另外根据驱动系统工作特性优化驱动系统的电压供应,从而提高了驱动系统的工作效率、扭矩和功率输出能力并且降低PMSM电机高速下弱磁程度,从而有效提升了整车的续航里程、整车动力性及可靠性。

  关键词:双向DC-DC;交错并联;续航里程;整车动力性;驱动系统

  0 引言

  近年新能源汽车的产销量得到迅速增长,尤其我国的产销量已经成为世界第一,人们对新能源汽车的接受程度也越来越高,国内新能源汽车产品性能也得到了极大提升,不过整车能耗这一指标跟国外比较还有一定的差距,整车能耗高将极大影响整车的续航里程,也不利于新能源汽车的进一步普及。为此国家出台了一些政策引导整车企业关注整车能耗,鼓励加强技术能力提升并开发出能耗更小的整车。

  驱动系统作为整车使用能量比例最大的零部件,其工作效率的提升对整车降能耗贡献最大,根据整车对驱动系统的应用场景可以将驱动系统的外特性分为三个工作区,如图1所示。城市工况作为常用工况,其对驱动系统的要求是小扭矩区长时间工作,对应图1中的效率区,该区域也是NEDC工况最常用区域,通常此区域的驱动系统效率偏低。再者图1中A为扭矩拐点,其值较小或对应转速偏低将影响整车的爬坡性能和加速性能,A点之后电机将进入恒功率弱磁区,因弱磁电流的作用也会导致驱动系统的效率降低并且在弱磁电流作用下电机输出扭矩下降,这样也会导致整车在高速行驶时的动力性下降问题。

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  目前电机的发展趋势之一是高转速,高转速带来的益处是电机可以小型化,不过在动力电池电压范围没有变化的情况下,更高转速区的效率偏低,影响了整车高速行驶里程。另外常规新能源汽车动力电池电直接供电机控制器和电机使用,在猛踩油门时会出现母线电压因瞬间大电流在母线寄生电感作用下较大电压跌落的现象,这种情况下会影响整车驱动系统输出性能。

  针对以上问题,本文采用非隔离升降压双向DC-DC给驱动系统提供稳定且电压可调的电源供应,以驱动系统高效运行和输出扭矩更大为目标,调整DC-DC的输出电压值,从而实现整个系统的工作性能优化,提高了整车的续航里程和动力性能,另外升压后电机高速运行区域弱磁程度降低,降低了电机转子磁钢长期运行退磁的风险。

  1 不同电压对驱动系统性能影响

  通过电机台架实测同一款电机分别在不同电压下的输出外特性图,从中挑出有代表性的340 V、540 V和750 V三个电压下的驱动系统输出外特性图,如图2所示,驱动系统输入电压升高则驱动系统的高效区面积占比增大尤其高速弱磁区效率会明细改善,不过输入直流电压偏低时则在小扭矩效率区的驱动系统效率会有所改善。提取相同扭矩和转速下不同电压驱动系统的最高效率合并为一个系统外特性图,可以见其高效区占比面积由340 V下的89.9649%提升到95.6227%,又因非隔离双向DC-DC效率很高,整合后的效率区可以满足整车不同工况下整车的续航里程的提升。

  从图2还可以看出随着电压升高驱动系统的高速区扭矩更大且输出功率更大,这样有利于提升整车高速行驶的加速性能和最高车速。

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  2 双向DC-DC主电路设计

  本文双向DC-DC采用交错并联电路,可以实现动力电池升压后供驱动系统使用,也可以实现驱动系统能量回馈电压降压后给动力电池充电,其拓扑图如图3所示。交错并联电路将主功率电路分为两路,其优点一为纹波电压、电流更小且纹波频率更高,则输入和输出侧的电容容值、体积更小,其优点二为电流分为两路使上功率电路上的损耗和电感上的交流损耗更低。

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  本文设计一款交错并联双向DC-DC变换器,其详细技术参数如下:

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