第43卷第5期2018年10月　广西大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi University(Nat Sci Ed)Vol.43No.5Oct.2018  收稿日期:2018⁃01⁃22；修订日期:2018⁃04⁃17  基金项目：国家自然科学基金资助项目(61361011)；广西自然科学基金资助项目(2017GXNSFAA198363)  通讯作者：宋树祥(1970-)，男，湖南双峰人，广西师范大学教授，博士;E⁃mail:u.edu㊂
  引文格式：张勇敢，宋树祥，廖志贤，等.电动汽车新型光伏充电桩DC⁃DC 变换器的研究与设计[J].广西大学学报(自然科学版),2018,43(5):1765⁃1776.doi:10.13624/jki.issn.1001⁃7445.2018.1765电动汽车新型光伏充电桩DC⁃DC
变换器的研究与设计
张勇敢，宋树祥，廖志贤，于丽华
(广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004)
摘要：为了改善传统电动汽车光伏充电桩Buck⁃Boost㊁Boost 变换器电路存在的升压比低㊁纹波扰动成分大的缺点，设计了两种新型DC⁃DC 变换器电路拓扑结构㊂其中一种为嵌入LC 谐振电路的新型Buck⁃Boost 变换器电路，此电路结构可实现电路的宽增益；另一种为嵌入开关电感的新型Boost 变换器电路，此电路结构可有效提高电路的升压比，其在电路中结合串并联滤波电容可有效减小Boost 电路输
出端的扰动成分㊂同时，利用MAT⁃LAB /Simulink 仿真工具完成新型电路结构的建模，并在开环模式下完成电路的仿真㊂实验结果表明，所设计的Buck⁃Boost 变换器电路无论是工作在升压或降压模式下都具有较好的负载动态特性和增益；新型Boost 变换器电路无论是工作在连续模式或断续模式都具有较高的升压能力，其输出端电压纹波扰动较小，工作理想情况下其效率最高可达96.8%㊂设计的新型DC⁃DC 变换器电路具有高升压比㊁扰动纹波小的特点，较好地解决了传统Buck⁃Boost 和Boost 电路结构存在的缺点，具有较好的应用价值㊂关键词：电动汽车；光伏充电;DC⁃DC 变换器电路；高升压比
广西汽车网中图分类号:TM919  　文献标识码:A  　文章编号:1001⁃7445(2018)05⁃1765⁃12
Research and design of new photovoltaic DC⁃DC converter for electric vehicles
ZHANG Yong⁃gan,SONG Shu⁃xiang,LIAO Zhi⁃xian,YU Li⁃hua (College of Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin 541004,China)
Abstract :In order to overcome the disadvantages of low voltage boost ratio and large ripple disturbance components in traditional electric⁃vehicle photovoltaic charging pile Buck⁃Boost and Boost converter circuits,two new DC⁃DC converter circuit topologies are proposed.One is a novel Buck⁃Boost converter circuit embedded with an LC resonant circuit and can achieves a wide gain of t
he circuit.The other is a novel Boost converter circuit embedded with a switching inductor and can effectively improve the step⁃up ratio of the circuit and effectively reduces the disturbance component of the output and of the Boost circuit by combining the series⁃parallel filter capacitor in the circuit.At
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广西大学学报(自然科学版)第43卷the same time,the new circuit structure model is built by using MATLAB/Simulink simulation tools. The circuit simulation in open⁃loop mode is completed.The experimental results show that the proposed Buck⁃Boost converter circuit has better load dynamic characteristics and wider gain regardless operating in step⁃up or step⁃down mode.And the new Boost converter circuit has higher voltage boost capability and less output voltage ripple while its efficiency is up to96.8%under ideal conditions regardless continuous mode or intermittent mode.So the new DC⁃DC converter circuit was designed to solve the problems of the traditional Buck⁃Boost circuit and Boost circuit,and has high application value.
Key words:electric car;photovoltaic charging;DC⁃DC converter circuit;high boost ratio
0　引　言
燃油汽车的尾气排放是造成空气污染和温室效应的主要原因之一，给人们赖以生存的环境带来较大的压力，人类要实现友好型可持续发展，就要解决电动汽车燃料能源转型问题㊂相比传统的燃油汽车，电动汽车具有零排放㊁零污染㊁清洁高效的优点，但如果没有良好的充电设施作为保障，电动汽车的规模化发展就会受到很大的阻碍，因此，与之配套的电动汽车充电桩相关技术研发具有更深刻的意义㊂目前大部分文献主要集中在对家用型电动汽车交流充电和大型直流充电站的研究㊂文献[1⁃2]主要是针对传统的交流充电方式对充电接口控制等效电路进行研究，所设计的交流充电桩控制引导电路可提高交流充电桩系统的安全性和稳定性；文献[3]提出的一种新型电动汽车直流充电桩ZCS⁃PWM Superbuck变换器具有较低的电压电流应力，能提高充电的效率；文献[4]针对电动汽车直流充电桩能效计量开展研究，结合充电桩物理模型分析了直流充电对电网的谐波影响，计算了充电损耗，并证明了能量计量方案的可行性；文献[5]以改进型Boost升压变换器电路作为主电路，结合最大光伏输出功率跟踪控制策略，使光伏电池最大工作效率可达到85%，很好地为电动汽车蓄电池组提供充电；文献[6]提出一种新型Buck⁃Boost变换器电路拓扑，并通过了样机测试，结果表明，相比较传统的电路结构，它具有更大范围的升降压能力㊂本研究在以上研究成果的基础上设计了一种改进型Buck⁃Boost变换器电路结构，并完成该电路在电流连续工作模式下的仿真㊂通过理论计算完成电路参数的设置，并充分考虑光伏太阳能输出端动态特性，以实现改进型变换器电路的控制方案㊂借助Matlab/Simulink平台进行仿真，验证了该电路的可行性㊂同时，针对电动汽车直流快速充电的需求，设计了一种新型高升压比Boost变换器电路拓扑结构，实现大功率220V直流电压输出，且纹波小㊁效率高，以适用于高电压
等级直流用电场合㊂同时，利用光伏发电技术和直流变换器技术，对电动汽车光伏直流充电桩DC⁃DC变换器进行研究，并详细分析其工作原理及特性，旨为电动汽车光伏充电基础设施的建设和应用提供参考㊂
1　光伏发电模组
1.1　光伏太阳能发电最大效率点P m
我国太阳能光伏电池组生产能力位居世界首位，目前已成为全球最大的太阳能发电市场，通过太阳能电池发电获取的新能源发电量占全球总量的28%㊂由于太阳能电池能量输出与吸收光子能量有关，光伏电池以直流的形式输出呈非线性变化，太阳能电池的输出功率也会随输出电压的变化而变化，其输出动态特性曲线如图1所示㊂此外，太阳能电池的电压 电流输出特性曲线还会受环境温度等因素的影响㊂因此，太阳能电池最大功率点P m对应的输出电压还会因外界环境的变化有所偏移㊂为使光伏太阳能电池能够以最大功率工作，就需要通过最大功率点[7]跟踪(MPPT)控制来选取最佳的太阳能输出电压㊂
第5期张勇敢等：电动汽车新型光伏充电桩DC⁃DC
变换器的研究与设计图1　太阳能电池的输出动态特性曲线
Fig.1　Solar cell output dynamic characteristics
  目前，在太阳能光伏发电领域最大功率点跟踪(MPPT)的控制方法有很多，典型的有扰动观察法㊁电导增量法和电压跟踪法㊂虽然这些方法各有特点，但其主体思想都是通过改变太阳能电池板的输出电压来控制输出功率的变化，当输出功率最大时确定太阳能电池的输出电压㊂一般情况，以低压太阳能模组单板为例，其在工作时输出电压在18~50V，当光伏太阳模组在光照不理想的情况下，电压仅为正常转化效率的33%左右，输出电压只有6~8.3V㊂为此，本研究利用DC⁃DC 升降压变换技术设计了一种Buck⁃Boost 变换器电路，结合最大功率点跟踪(MPPT)控制技术来完成最大功率电能输出，并将能量存储于蓄电池组中，同时设计了新型一种高升压比的Boost 变换器电路，并应用于电动汽车光伏充电桩领域，旨在方便地向电动汽车用户提供相应的充电服务㊂
1.2　电动汽车光伏充电桩组成
本研究中所设计的光伏硬件平台采用扬州富能太阳电池，单板输出额定电压18.5V，最佳工作电流4.57A，最大功率点功率100W，采用串并联两种连接方式进行输出电压测试㊂储能蓄电池组使用风帆股份提供的N200L 型端子蓄电池组㊂新型Buck⁃Boost 变换器电路输入端接太阳能电池，输出端接蓄电池组以进行能量存储，由储能电池端输出经新型Boost 变换器电路高升压比转换为220V 直流输出㊂基于讯为公司提供的itop4412开发平台，设计充电桩管理系统，以实现光伏充电系统的实例化㊂该开发平台主要包括Cortex⁃A9四核处理器，配备1GB 处理内存㊁4GB EMMC 存储并具有外设扩展功能㊂使用7寸电容屏触摸操作充电管理界面，完成整个光伏充电桩系统的运行㊂该设计整体结构如图2所示㊂
2　新型DC⁃DC 变换器设计与仿真2.1　Buck⁃Boost 变换器电路设计
近年来，基本的Buck⁃Boost 电路结构由于自身的固性其输出电压变化范围较小，一般情况下只能是输入电压的0~10倍[8]，因此，在低电压输入高电压输出的场合，如太阳能光伏发电系统，传统的Buck⁃Boost 变换器就不再适用㊂考虑到光伏发电的特殊条件，本研究设计了一种宽增益的Buck⁃Boost 电路拓扑结构，该变换器电路具有输入电压范围宽㊁输出纹波小和宽增益的特点㊂Buck⁃Boost 电路结构通常是由把Buck 电路看作是Boost 电路的电源，把Boost 电路当作是Buck 电路的负载变换得到㊂图3所示为所设计的新型DC⁃DC 变换器拓扑结构原理图㊂当开关管T 导通时，中间储能电容C 1与输入电源U d 同时给第二功率电感L 2充电，中间储能电容C 2与输入电源U d 同时给第一功率电感L 1充电，电源U d 和储能电容C 2同时与储能电感L 充电，续流二极管D㊁D 1被反向截止㊂负载R 由储能电容C 供电㊂此电路结构可获得高的输出电压增益㊂新型拓扑结构导通工作7
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广西大学学报(自然科学版)第43卷模式如图4所示㊂由变换器电路的导通模式(图4)可得:
U L2=U d +U C1,
(1)U L1=U d +
U C22,(2)U L =U d +U C22
㊂
(3)图2　光伏直流充电桩整体结构
Fig.2　Photovoltaic DC charging pile overall
structure
图3　新型Buck⁃Boost 拓扑结构原理图
Fig.3　New Buck⁃Boost topology schematic
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第5期张勇敢等：电动汽车新型光伏充电桩DC⁃DC
变换器的研究与设计图4　新型Buck⁃Boost 拓扑开关管T 导通状态
Fig.4　New Buck⁃Boost topology switch T on state
  当开关管T 截止时，第一功率电感L 1经二极管D 1向中间储能电容C 1进行充电，中间储能电容C 1用于储存电能，第二功率电感L 2经二极管D 1对储能电容C 2进行充电，同时向负载R 供电㊂储能电感L 经续流二极
管D 形成闭合回路，向滤波电容C 充电㊁同时也向负载R 供电㊂电路工作的截止模式如图5所示㊂由变换器电路的导通模式(图5)可得:
U′L2=U o -U C1,
(4)U′L1=U C1+U o ,(5)U′L =U o ㊂
(6)图5　新型Buck⁃Boost 拓扑开关管T 截止状态
Fig.5　New Bbuck⁃Boost topology switch T off state
  设开关管T 的工作周期为T s ,D 1为开关管T 的PWM 方波占空比，那么，导通时间t on =D 1T s ，截止时间为:t off =(1-D 1)T s ㊂根据变换器电路中电感值伏秒积相等的原则，可得:U L1D 1T s =U′L1(1-D 1)T s ,(7)U L2D 1T s =U L2′(1-D 1)T s ,
(8)U L D 1T s =U′L (1-D 1)T s ,(9)联立方程式(1)~(9)可得:
U d +U C2æèçöø÷2D 1=(U C1+U o )(1-D 1),(10)
U C1=U o -U o D 1-U d D 1,(11)
U C2=2U o (1-D 1)-2U d D 1D 1
,(12)
U o =D 122D 1-1U d ,(13)那么，该新型Buck⁃Boost 电路拓扑结构的电压增益为:9
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