Н.В. Клиначев

Моделирование 1000-амперного DC/DC преобразователя зарядного устройства электрохимического конденсатора для системы электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания

Рабочие файлы: [Электростартерный пуск ДВС]

1000-амперный DC/DC преобразователь предназначен для заряда промежуточного накопителя энергии (ионистора) в системе электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания, для согласования нагрузки с аккумулятором (по максимуму преобразуемой в единицу времени энергии) и для защиты последнего от тока короткого замыкания.

Паспорт DC/DC преобразователя

              Параметры аккумулятора

Тип аккумуляторной батареи          стартерная
Номинальное напряжение              24 В
Ток согласованного режима           200 .. 1000 А

         Параметры DC/DC преобразователя

Замещение для аккумулятора          потребитель тока
Потребляемый от АКБ ток             < 1000 А
Режим потребления энергии           согласованный
Замещение для нагрузки              источник тока
Напряжение на нагрузке              5 .. 40 В
Ёмкость ионистора                   0.1 .. 500 Ф
Минимальный ток нагрузки            0 А
Схема преобразователя               реверсивный мост
Количество фаз                      4..7 шт.
Силовые ключи / диоды               IPLU300N04S4
                                    IRL7472L1

Пуск с промежуточным накопителем энергии

При низких температурах у любого аккумулятора увеличивается внутреннее сопротивление. Поэтому для устойчивого запуска применяют ионисторы (суперконденсаторы). Ниже по тексту представлена модель системы электростартерного пуска с суперконденсатором и необратимым повышающим DC/DC преобразователем для его заряда (первый блок ET на чертеже). Обратим внимание на тот факт, что стартер, будучи подключенным к АКБ непосредственно, не может на всем протяжении пуска работать в согласованном режиме, а DC/DC преобразователь – может. В результате большее количество энергии можно преобразовать в механическое вращение. Согласованный режим должен быть организован для низкой температуры электролита. Впрочем, система управления может поддерживать этот режим для любых температур. Если стартер подключен к АКБ непосредственно, то в начале запуска он закорачивает аккумулятор (разрушает его). DC/DC преобразователь – является более щадящей нагрузкой. Величина ёмкости ионистора должна быть достаточной для преодоления газового момента двух первых тактов без аккумулятора. Далее DC/DC преобразователь и стартер крутит и ионистор заряжает. И чем меньше будет его емкость, тем больше возрастет скорость прокручивания ДВС. Силовой мост с ШИМ-драйвером представлены в модели обратимым DC/DC преобразователем энергии (второй блок ET на чертеже) с программируемым коэффициентом передачи, контролируемым ПИ-регулятором контура тока стартера.

Система пуска ДВС с суперконденсатором (-30°C)

Можно убедиться в том, что падение напряжения на аккумуляторе составляет половину его ЭДС. А накопитель с преобразователем обеспечивают большее напряжение для питания стартера во временном интервале пуска. Обе осциллограммы доступны внутри модели DC/DC преобразователя. Сравнить длительность временных интервалов преодоления газового момента и разряда накопителя (по ограничению тока в цепи стартера) можно на осциллограмме скрытой в модели ДВС (представленной комплексным механическим сопротивлением).

Дополнительный ряд задач возникает после запуска, если стартер должен перейти в генераторный режим. Напряжение на силовом мосте возрастает более чем в 10 раз. Ионистор не выдержит – его необходимо отключить. Но на его месте должен остаться конденсатор. Ёмкость которого должна определить постоянную времени фильтра в четыре раза большую, чем электромагнитная постоянная времени обмотки стартера (для структурной устойчивости синхронно-векторного выпрямителя). А DC/DC преобразователь, в этом случае, должен быть обратимым.

Для выбранного железа стартер-генератора целесообразно решить задачу оптимизации диаметра провода обмотки (константы противо-ЭДС), так чтобы использовать силовые транзисторы не только по току (в режиме стартера), но и по напряжению (в режиме синхронно-векторного выпрямителя).

Электрическая принципиальная схема силовых цепей системы электростартерного пуска ДВС (1 МВт) с промежуточным накопителем энергии (суперконденсатором) и DC/DC преобразователем для вольтодобавки

Рис. Силовые цепи системы электростартерного пуска ДВС (1 МВт, -40°C)

Электрическая принципиальная схема силовых цепей системы электростартерного пуска ДВС представлена на рисунке. Первый этап функционирования активирует оператор после подключения аккумулятора. В результате управляющий микроконтроллер включает 100-амперный понижающий DC/DC преобразователь, который заряжает ионистор до половины напряжения АКБ, со скоростью 10 В за 30 сек. Далее микроконтроллер меняет алгоритм управления полупроводниковыми ключами. Синхронно со 100-амперным начинает коммутировать 900-амперный ключ. В результате DC/DC преобразователь становиться повышающим. Через 35 сек напряжения на аккумуляторе и на ионисторе выравниваются (с соблюдаемой разницей -2 В). Микроконтроллер деактивирует процесс заряда и замыкает килоамперный механический ключ, имеющий лишь главные контакты из мягкого недугостойкого металла. Точка стягивания линий тока в контакт-детали прогревается, её площадь увеличивается, сопротивление – падает.

Второй этап функционирования так же инициирует оператор, когда необходимо запустить ДВС. Управляющий микроконтроллер включает 900-амперный повышающий DC/DC преобразователь и, через 3 секунды, когда напряжение на ионисторе увеличится до 32..36 В, активирует коммутатор стартера (силовой трехфазный мост).

Третий этап активируется автоматически, если ДВС запуститься. Стартер переходит в генераторный режим. У транзисторов коммутатора открываются обратные диоды. Сварочный диод запирается. Напряжение на конденсаторе фильтра увеличивается в 5..10 раз. Что и отслеживает микроконтроллер, переводя коммутатор в режим синхронно-векторного выпрямителя (с коррекцией коэффициента мощности). Который обеспечивает постоянство выпрямленного напряжения (250 В) при изменении электрической нагрузки и частоты вращения вала ДВС.

Заметим, что описанная схема заряда ионистора является лишь учебной. Биполярные транзисторы с затвором на низкие напряжения не выпускают. И это неединственная причина, по которой следует использовать полевые транзисторы с изолированным затвором (в соответствующем количестве). Быстродействующие диоды, на такие токи, так же не выпускают (велики потери). Вместо них используют те же полевые транзисторы с изолированным затвором в режиме синхронного выпрямления (обратный диод коммутирует ток, а канал обеспечивает низкое падение напряжения). Самые мощные MOSFET-ы коммутируют лишь 300 ампер. Поэтому зарядное устройство реализуют в виде многофазного DC/DC преобразователя (от 4-х до 7-ми фаз).

Система управления мостового реверсивного DC/DC преобразователя

Рабочие файлы: [Настройки регуляторов]

Движение координат импульсного DC/DC преобразователя контролирует система автоматического регулирования (САР) падения напряжения на электрохимическом конденсаторе (на ионисторе) с подчиненным контуром регулирования тока дросселя. Контур регулирования напряжения для всех фаз преобразователя общий. Подчиненные контуры регулирования тока – индивидуальные. Кроме своей основной функции, ШИМ-драйвер распределяет во времени потребляемый фазами ток (импульсного характера) через равные интервалы периода модуляции. В силу особенности назначения, преобразователь оборудован САР предела ограничения задания для контура тока. Задача которой – удерживать согласованный режим работы аккумулятора и преобразователя при температурах ниже заданной или при разряде аккумулятора.

Схема преобразователя – реверсивная. Она обеспечивает передачу энергии и в прямом направлении (от АКБ к ионистору), и в обратном. Отсутствие в схеме однонаправленных ключей (диодного типа) сохраняет за этой импульсной системой линейные свойства. Для частотного анализа и выбора параметров регуляторов на чертеже 2 представлена линейная непрерывная динамическая модель преобразователя. К расчету коэффициентов регуляторов рекомендуются формулы:

$K_{рт}=K_{кт}R_{др}/K_{дт}$,     $T_{рт}=T_{др}$,

$K_{рн}=K_{кн}K_{дт}/R_{др}/K_{дн}$,     $T_{рн}=(4..\,\!6 T_{др}) .. T_{хк}$,

где: $K_{рт}$ – коэффициент усиления пропорционального канала регулятора тока, $T_{рт}$ – постоянная времени интегрирующего канала регулятора тока, $K_{дт}$ – коэффициент передачи датчика тока, $R_{др}$ – активное сопротивление дросселя, $L_{др}$ – индуктивность дросселя, $T_{др}=L_{др}/R_{др}$ – постоянная времени дросселя, $K_{кт}=1·(1..\,\!3)$ – коэффициент усиления контура тока, $K_{рн}$ – коэффициент усиления пропорционального канала регулятора напряжения, $T_{рн}$ – постоянная времени интегрирующего канала регулятора напряжения, $K_{дн}$ – коэффициент передачи датчика напряжения, $T_{хк}=R_{др}C_{хк}$ – постоянная времени заряда электрохимического конденсатора, $C_{хк}$ – емкость конденсатора, $K_{кн}=T_{хк}/(2..\,\!3 T_{др})$ – коэффициент усиления контура напряжения.

Вычисляя значения коэффициентов регуляторов (1) и (2), следует принять во внимание ряд особенностей. Во-первых, коэффициент преобразования ШИ-модулятора $K_{шим}$ редко равен 1. В формуле (1) он является мультипликативной частью коэффициента усиления пропорционального канала регулятора тока $K_{рт}$. Если вынести его в отдельное звено, то $K_{рт}$ необходимо уменьшить в $K_{шим}$ раз. Во-вторых, в силу конструктивных особенностей мощных DC/DC преобразователей составными частями активного сопротивления дросселя $R_{др}$ являются: внутренне сопротивление АКБ, внутренне сопротивление ионистора, сопротивления каналов MOSFET-ов. Что следует учесть при вычислении постоянной времени дросселя: $T_{др}=L_{др}/(R_{АКБ}+2·R_{DS\,on}+R_{др})$ – для временного интервала накопления энергии и $T_{др}=L_{др}/(2·R_{DS\,on}+R_{др}+R_{хк})$ – для интервала сброса. В системах с подчинённым регулированием координат, в каждом из контуров (первого порядка), можно легко обеспечить большой запас устойчивости по фазе (от 60 до 90-градусов). Поэтому 2-х или 3-х кратная девиация параметра не является критичной. В регулятор необходимо установить усреднённую величину постоянной времени и предусмотреть процедуру подстройки.

Можно отметить тот факт, что схема замещения составного (мостового) реверсивного импульсного преобразователя совпадает со схемой замещения подчиненной системы регулирования скорости вала машины постоянного тока c конструктивным коэффициентом ($KΦ$) равным единице. В связи с чем, можно пользоваться "Мастером настройки PI-регуляторов электропривода", ссылка на который приведена выше. В форме ввода параметров вместо момента инерции следует вводить ёмкость ионистора, передаточное число редуктора $q$ принять равным единице.

Линейная непрерывная динамическая модель для настройки
двухконтурной системы управления составного реверсивного
импульсного преобразователя (Buck-Boost DC/DC converter)

Выполните два вычислительных эксперимента (модель представлена на чертеже 2) и убедитесь в том, что, настраивая систему, постоянную времени интегрирующего канала регулятора напряжения $T_{рн}$ следует выбирать в последнюю очередь. Поскольку наличие или отсутствие интегрирующего канала в регуляторе контура напряжения преобразователя не меняет форму траекторий движения координат (можно не заметить, но меняется их масштаб по амплитуде, т.е. интегрирующий канал устраняет статическую ошибку при наличии соответствующего возмущения).

Удалите регулятор напряжения и подайте на подчиненный контур тока выходной сигнал реле, которое будет реверсировать направление передачи энергии между аккумулятором и ионистором. Последний будет периодически заряжаться и разряжаться. Реле – это примитивный элемент и не имеет параметров, которые влияют на качество функционирования подчиненного контура. Подобный режим работы модели позволяет настроить контур регулирования тока при условии, когда из четырех параметров требующих подбора необходимо варьировать лишь два $K_{рт}$ и $T_{рт}$.

Верните модель к исходному состоянию (обновите html-документ). Обратите внимание – ёмкость ионистора существенно меньше заявленной в паспорте. Увеличьте время моделирования и ёмкость в 50 раз. Уменьшите частоту пилообразного сигнала в задатчике в 50 раз. Ознакомьтесь с осциллограммами. Если в исходном варианте постоянная времени заряда ионистора в 4..6 раз превышала постоянную времени дросселя, то дальнейшее увеличение ёмкости влияет лишь на коэффициент усиления пропорционального канала регулятора напряжения $K_{рн}$. Добавьте к сигналу ошибки контура напряжения источник шума с нормальным распределением и действующей величиной 20 мВ, и станет понятно, что дальнейшее увеличение $K_{рн}$ нецелесообразно.

Верните модель к исходному состоянию. Изучите возможность контроля максимальной величины прокачиваемого через дроссель тока. Уменьшите в 5 раз предельные значения задающего сигнала для контура регулирования тока (два параметра блока limit) и частоту пилообразного сигнала в задатчике. Увеличьте в 5 раз время моделирования. Запустите вычислительный процесс. Ознакомьтесь с результатом.

Верните модель к исходному состоянию. Отключите задающий сигнал для контура регулирования тока. Запустите вычислительный процесс (чтобы математическое ядро построило расчётный код модели). Перейдите в блок, предусмотренный для построения частотных характеристик (ЧХ). Постройте ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутого контура регулирования тока. Уменьшите шаг симуляции в пять раз, и выполните построение ЧХ повторно. Переподключите датчики библиотеки анализа к модели согласно своему усмотрению. Снимите ЧХ: объекта регулирования, разомкнутого контура регулирования тока, замкнутого контура регулирования тока, разомкнутого контура регулирования напряжения и замкнутого контура регулирования напряжения.

Импульсная динамическая модель фазы мостового реверсивного DC/DC преобразователя

Импульсная динамическая модель фазы мостового реверсивного DC/DC преобразователя представлена на чертеже 3. Здесь модели полупроводниковых ключей с обратным диодом (MOSFET-ы) инкапсулированы в иерархических подуровнях чертежа закрепленных за условными графическими обозначениями активного сопротивления с программируемым номиналом. ШИ-модулятор управляет диагоналями силового моста в противофазе. За исключением пределов ограничения выходных сигналов регулятора тока и дискретного квазианалога интегратора в нём, система управления, с точностью до значений параметров, совпадает с описанной выше. У регистров задержки, установленных в цепях обратных связей, активирован параметр, заставляющий математическое ядро обновлять их не на каждом шаге симуляции, а через фиксированный интервал времени, равный периоду ШИ-модулятора. В результате они выполняют функцию устройства выборки хранения (УВХ) замораживая и задерживая сигнал на период дискретизации управляющего микроконтроллера. Шаг симуляции в 50 раз меньше. Для модели – 50 дискрет ШИ-модулятора – достаточно. И скорость выполнения вычислительного эксперимента приемлемая и амплитуда наблюдаемых субгармонических колебаний, которые хорошо видны на годографе изображающей точки в плоскости внешней характеристики (ВХ), несущественна. А ШИМ-драйвер микроконтроллера предоставит большую разрешающую способность.

Фаза DC/DC преобразователя для заряда ионистора (7 x 250 A)

Запустите вычислительный процесс для модели, представленной на чертеже 3. Убедитесь в качественном совпадении осциллограмм характерных координат линейной модели и импульсной. Но обратите внимание, что при равной уставке максимального тока дросселя эти две модели потребляют разный ток от первичного источника. В иерархическом подуровне чертежа соответствующего MOSFET-а установлен фильтр скользящего среднего и осциллограф. Ознакомьтесь с осциллограммой тока, оцените какое количество фаз потребуется источнику способному потребить от аккумулятора 1000 А.

Перейдите в иерархический подуровень чертежа ШИ-модулятора. Отключите управление и переведите в высокоимпедансное (высокоомное) состояние MOSFET-ы диагонали моста, по которой накопленная в дросселе энергия сбрасывается в ионистор. Обратные диоды MOSFET-ов диагонали обеспечат цепь для сброса энергии. Схема будет работоспособной. Но в целом преобразователь будет нереверсивным. Ознакомьтесь с осциллограммами. Можно продолжить эксперименты с целью изучения однотактных режимов. Но главный вывод в том, что двухтактные реверсивные импульсные преобразователи на MOSFET-ах вытесняют однотактные схемы, как по причине полной управляемости, так и по показателю КПД.

Литература

  1. Smart Battery Switch Demonstrator / [Presentations], Rev.: 2014-10-22 // Infineon web site. – URL: http://www.infineon.com/dgdl?fileId=db3a3043422231a90142229e0e550298. Дата обращения: 17.03.2015.
  2. IPLU300N04S4 / [Data Sheet], Rev.: 2014-07-25 // Infineon web site. – URL: http://www.infineon.com/dgdl?fileId=5546d4614755559a01476cd7a7417b72. Дата обращения: 17.03.2015.
  3. IRL7472L1 / [Data Sheet], Rev.: 2015-02-25 // International Rectifier web site. – URL: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irl7472l1pbf.pdf. Дата обращения: 17.03.2015.
  4. 38DN06 / [Data Sheet], Rev.: 2011-12-22 // Infineon web site. – URL: http://www.infineon.com/dgdl?fileId=db3a304412b407950112b4302ee04f82. Дата обращения: 17.03.2015.
  5. Наступило время российских IGBT! / [Рекламный проспект от martin@moris.ru с улицы Пролетарской], Rev.: 2013-05-06 // Web-сайт ОАО Электровыпрямитель. – URL: http://www.elvpr.ru/poluprovodnikprib/IGBT_CFRD/Russ_IGBT.pdf. Дата обращения: 17.03.2015.
  6. Асимметричные электрохимические конденсаторы "Элтон" // Web-сайт ЗАО "Элтон". – URL: http://elton-cap.ru. Дата обращения: 17.03.2015.
  7. Marwa Gouda. Холодный пуск ДВС "TITAN Engine Start". Модули со встроенным повышающим преобразователем напряжения / [Presentations], Rev.: 2014-08-05 // Web-сайт ООО "Тайтэн Пауэр Солюшн". – URL: http://www.titanps.ru/files/titan-start-xolodnyj-puskdcdc.pdf. Дата обращения: 17.03.2015.

17.03.2015