用于混合动力汽车的双向DC/DC变换器控制设计*

石 俊，吴华杰

（九江学院电子工程学院，江西 九江 332005）

0 引言

近年来，随着资源短缺及人们环保意识的增强，世界各国都在环境保护和节约资源上做出巨大努力。在这种形势下，混合动力汽车开发和使用引起了人们的广泛关注。作为混合动力汽车能量管理系统的核心，双向DC-DC变换器可以在超级电容和蓄电池之间搭建双向能量可控的流动通道，是未来电动车发展的重要方向之一。因此，双向DC/DC变换器拓扑结构及其控制策略倍受专家和学者的关注［1-3］。文献［4］提出一种基于现场可编程逻辑器件（FPGA）的双向DC/DC变换器，改善了电流分布不均的问题，减少了损耗；文献［5］提出将比例-前馈（PFF）控制算法应用于推挽全桥双向DC/DC变换器中，有效防止升压启动时电感饱和的问题；文献［6］设计了一种两相并联交互式双向DC/DC变换器，并提出一种基于比例积分（PI）控制的恒频滑模变结构双闭环控制策略，实现了自动跟踪参考电压值的目的，提高了系统的稳定性；文献［7］采用级联式Buck/Boost拓扑结构作为双向DC/DC变换器，采用全数字电流型控制方法，提高了变换器的工作效率。

由以上文献可知，混合动力汽车要求变换器重量轻、体积小、工作效率高，动态性、稳定性和鲁棒性强。基于此，本文设计了一种两相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构，将模糊PID控制应用于此双向DC/DC变换器的控制系统中，并给出仿真和实验结果。

1 工作原理与主电路拓扑结构

加装超级电容的混合动力汽车的电路系统如图1所示，当混合动力汽车突然启动、加速时，双向DC/DC变换器处于Boost模式，由超级电容提供额外的所需功率；当混合动力汽车刹车制动时，双向DC/DC变换器处于Buck模式，将制动产生的能量迅速存储起来。

双向DC/DC变换器最简单的模式是通过两个单向DC/DC变换器并联来实现能量的双向流动，这种控制方法简单、易于实现，但系统的体积和重量庞大，并且两台单向DC/DC变换器实际上只有一台投入工作，工作效率低。

本文提出的两相交错并联双向DC/DC变换器，是将两个双向半桥DC/DC变换器并联后得到的拓扑结构，如图 2 所示。功率开关管 S1、S2开通，S3、S4关断，双向DC/DC变换器工作在Boost模式；功率开关管 S3、S4开通，S1、S2关断，变换器工作在 Buck 模式。采用两相交错并联技术，可以有效减小变换器开关管上的电压应力、加宽输出电压范围，提高变换器的工作效率。

根据本文设计要求，变换器的电路参数设置为：储能电感L1=L2=1 mH、输入、输出电容C1=C2=10 μF、功率开关器件选择IRFB4110型功率MOSFET。

2 系统建模及PI控制器设计

2.1 Boost模式下的模型建立

Boost模式下由超级电容提供额外功率，负载为蓄电池。为了简化计算，可以近似认为输入电压为V1，输出电压为V2，等效负载阻值为R。可求得Boost模式下变换器的小信号数学模型为：

由式（1）可建立变换器在Boost模式下的小信号模型，如图3所示。

2.2 Buck模式下的模型建立

Boost模式下由蓄电池供电，负载为超级电容。为了简化计算，可以近似认为输入端电压为V2，输出电压为V1，等效负载阻值为R。可求得Buck模式下变换器的小信号数学模型为：

由式（3）可建立变换器在Buck模式下的小信号模型，如图4所示。

2.3 PI控制器设计

本文设计的双向DC/DC变换器采用直流母线电压作为外环、电感电流作为内环的双闭环控制结构。考虑到模拟控制器离散化带来的延时会导致系统不稳定，这里采用PI控制器来改善系统性能。

由于Buck模式和Boost模式下PI控制器设计过程类似，本文就Boost模式下电压外环、电流内环PI控制器参数的计算作详细介绍。设定电流内环的穿越频率fci=1 kHz，转折频率fni=200 Hz。

由图5可知，未经PI控制器补偿的电流内环原始回路增益函数为：

设PI控制器传递函数为：

列出下面方程组：

代入相关数据可得：KPi=0.04，KIi=50。

对电压外环进行PI控制器设计时，可以将电流内环看作一个比例环节，比例系数Kvi=1/Ki（s）。设定电压外环的穿越频率fcv=100Hz，转折频率为fnv=10Hz。

由图6可知，对于未经PI控制器补偿的电压外环原始回路增益函数为：

电压外环PI控制器的传递函数为：

列出下面方程组：

代入相关数据可得：KPv=0.4，KIv=25。

3 模糊PID控制器的设计

混合动力汽车能量管理系统中的变换器要求具有较快的响应速度和较强的鲁棒性，传统的PI控制器能够满足稳态无静差的要求，但系统的响应速度过慢，不适用于混合动力汽车的储能系统。模糊控制器可以很好地消除系统内部参数变化及外部干扰对控制效果的影响，而且响应速度快、动态性能好。将模糊控制和PID控制两种控制算法结合起来应用于双向DC/DC变换器，可以有效提高变换器的响应速度、稳定性和鲁棒性。

模糊PID控制器由输入和输出变量、模糊控制器和PID控制器组成，系统的结构图如图7所示。模糊控制器是控制系统的核心，主要进行模糊化、模糊推理、解模糊3个过程。

本文设计的模糊控制器有两个输入变量，分别是采样电压与参考电压的偏差e和偏差变化率Δe，输出变量是 PID 控制器的 3 个参数：ΔKP、ΔKI、ΔKD。首先采用Mamdani提出的标准化设计方法对控制系统的论域进行模糊化，设定e和Δe的变化范围为 {-3，-2，-1，0，1，2，3}，PID 控制器 3 个参数的变化范围：ΔKP={-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，ΔKI={-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，ΔKD={-3，-2，-1，0，1，2，3}，系统模糊子集为［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，分别与［负大，负中，负小，零，正小，正中，正大］相对应。

模糊规则库的建立是模糊控制的重点，本文根据电压偏差e和偏差变化率Δe的变化情况，从而确定PID 3个参数的调整规律：

表1 PID 控制的 ΔKP、ΔKI、ΔKD模糊控制规则

PID控制器3个参数的模糊控制规则如表1所示，控制器在运行时不断查询设置好的控制规则，计算出相应的控制输出量 ΔKP、ΔKI、ΔKD。

根据双向DC/DC变换器在现实生活中的使用情况，系统采用三角形隶属函数形式进行分析，采用重心法对控制输出量解模糊后得到模糊PID控制器的控制参数为：

4 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK7.1环境中构建双向DC/DC变换器仿真模型，由于Buck模式和Boost模式结果基本一致，本文对Boost模式进行仿真结果分析。电路参数设置为：L1=L2=1 mH，C1=C2=10 μF，U1=12 V，U2=60 V，fs=10 kHz。

Boost模式下控制电压外环使用PI控制器、模糊PID控制器的输出电压波形如图8所示，从图中可以看出，相比于传统PI控制器，电压外环使用模糊PID控制器减小了输出电压纹波，加快了系统的响应速度，提高了系统的稳定性。

当双向DC/DC变换器满载启动时，在t=0.005 s时突然增大负载，用来模拟混合动力汽车突然启动、加速的情况，仿真结果如图9所示。

由图9可知，电压外环使用PI控制时，输出电压的幅值变化为15 V，需要0.004 s左右才能再次达到平衡；电压外环使用模糊PID控制时，输出电压幅值变化为7 V，恢复到原来的值只需要0.002 s。仿真结果表明模糊PID控制具有更强的稳定性，控制精度和动态响应速度都有很大提高。

5 实验验证

以TMS320F28035为控制核心建立一个小型功率变换器的实验平台，对文中设计的实验样机进行Boost模式时的动态实验。这里通过改变负载的大小来模拟混合动力汽车突然启动或加速时的情况，在2 s时增加负载的值，得到输出电压和输出电流波形如图10所示。

由图10可知，本文设计的变换器在10 ms内再次达到平衡状态，而且负载突然增加时输出电压的幅值变化较小，表明基于模糊PID控制的双向DC/DC变换器具有动态响应快、鲁棒性强的优点。

在实验过程中测出的变换器在Boost工作模式下的电压、电流、功率的数据如表2所示：

表2 实验数据

从表2中数据可知，本文设计的基于模糊PID控制的双向DC/DC变化器具有较高的工作效率，可以有效减小损耗、节约资源，具有较强的实用价值。

6 结论

根据混合动力汽车对变换器的要求，本文将两个双向半桥DC/DC变换器并联后得到一种两相交错并联双向DC/DC变换器，提出模糊控制与PID控制相结合的复合控制策略。模糊控制增强了系统的动态性能和鲁棒性，PID控制稳定性好、调整方便，两种控制方式结合在一起使系统的控制效果更好。

仿真和实验结果表明，本文设计的基于模糊PID控制的双向DC/DC变换器，具有良好的稳态性和鲁棒性，在混合动力汽车中有较强的实用价值。如何使变换器与混合动力汽车的能量管理系统相兼容，将是下一步研究探讨的方向。

参考文献：

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