周夢(mèng)淵

江蘇大學(xué)汽車學(xué)院 212013

DC-DC特性對(duì)能量回收影響研究

周夢(mèng)淵

江蘇大學(xué)汽車學(xué)院 212013

以饋能性半主動(dòng)懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究饋能電路中DC-DC變換器對(duì)饋能性半主動(dòng)懸架系統(tǒng)能量回收影響，搭建饋能性半主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型以及饋能電路模型，試驗(yàn)分析了DC-DC變換器開關(guān)頻率對(duì)懸架能量回收效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)著開關(guān)頻率的增加，超級(jí)電容能量回收先增大，后減小。

DC-DC；饋能；試驗(yàn)

一、前言

節(jié)能減排是目前世界最為關(guān)注的主題之一，也是國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)車輛饋能研究主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收，制動(dòng)能量回收和振動(dòng)能量回收，其中懸架饋能作為振動(dòng)能量回收的一個(gè)研究方向收到國(guó)內(nèi)外學(xué)的重點(diǎn)關(guān)注。

在饋能懸架能量回收系統(tǒng)研究過(guò)程中，DC/DC變換器作為回收電路重要組成部分受了更多學(xué)者的關(guān)注，且其開關(guān)信號(hào)頻率的大小及占空比、超級(jí)電容初始端電壓等對(duì)饋能回路的效率有重要的影響。因此對(duì)DC/DC變換器工作特性的研究，有助于提高饋能回路的效率，最終達(dá)到降低車輛油耗的目的。本文基于DC/DC特性，分析其開關(guān)頻率對(duì)懸架饋能效率的影響。

二、DC/DC變換器特性的理論研究

本文以Boost工作模式為對(duì)象進(jìn)行介紹，其簡(jiǎn)化模型如圖1所示。其中，R為電機(jī)繞組的等效內(nèi)阻，UM為整流器整流后的電機(jī)輸出端電壓。

圖1 Boost電路簡(jiǎn)化模型

假設(shè)變換器在CCM模式下工作，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的占空比為D，則電流平均值為：

當(dāng)VF閉合時(shí)，形成閉合回路I如圖2所示。

圖2 閉合回路I

電感匝數(shù):

式中：Ae為鐵心的截面積；B為鐵心中的磁通密度；I為一個(gè)周期內(nèi)電感中的平均電流；f為開關(guān)頻率；Ae和B為常數(shù)。

AW為磁芯繞組窗口面積；Ku為磁芯窗口填充系數(shù)；ρ為導(dǎo)線的電阻率；l為線圈每匝的長(zhǎng)度。

三、試驗(yàn)研究

基于Boost型直流升壓變換器，分別對(duì)恒定直流（12.923V）進(jìn)行了試驗(yàn)研究。電阻R的值為10.4Ω，MOS管的型號(hào)為IRFP260N。超級(jí)電容端電壓及驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)能量回收試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)電壓由信號(hào)發(fā)生器提供。選用12個(gè)單體電壓為2.7V，100F的超級(jí)電容串聯(lián)的電容組。超級(jí)電容模式切換控制單元硬件基于dSPACE,軟件ControlDesk實(shí)現(xiàn)與simulink的無(wú)縫銜接，將simulink控制模型直接導(dǎo)入dSPACE實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的模式切換控制

對(duì)占空比為30%、50%和70%三種開關(guān)信號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了能量回收效率隨開關(guān)頻率增加的變化規(guī)律，為理想開關(guān)頻率的選取提供了依據(jù)。直流時(shí)，超級(jí)電容的初始端電壓在12.97～12.98V之間選取，不同頻率點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10s。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖1 能量回收與開關(guān)頻率關(guān)系

隨著開關(guān)頻率的增加，超級(jí)電容回收能量的大小逐漸增大，在2kHz～80kHz之間保持相對(duì)穩(wěn)定，80kHz后漸近線斜率小于-1，超級(jí)電容回收的能量急劇下降?？紤]開關(guān)頻率對(duì)電感體積的影響，以及頻率在10Hz～9kHz范圍內(nèi)MOS管的工作噪聲較大，開關(guān)頻率選擇20kHz。

四、結(jié)論

振動(dòng)能量回收效率隨開關(guān)信號(hào)頻率的增大而先增大后減小，其中，最優(yōu)開關(guān)頻率為20kHz，該研究為懸架振動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)

[1]Zhu Songye, Shen Wen-ai, Xu You-lin． Linear electromagnetic devices for vibration damping and energy harvesting: Modeling and testing[J]． Engineering Structures, 2011, 34 (34): 198–212．

[2]吳紅飛,古俊銀,張君君．高效率高增益Boost-Flyback 直流變換器[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(24):0-45．