充电机充电效率分析与控制策略优化

充电机充电效率分析与控制策略优化

0评估函数的建立近年来，燃料汽车污染日益严重。所有国家都已经实施了自己的电动汽车开发计划，直接和快速充电站是电动汽车开发的必要基础设施之一。针对宽电压输出范围和LLC变换器转换效率的矛盾，文中提出了一种三段式混合控制方式，根据不同的输出电压和功率，LLC变换器工作于常规的调频模式、谐振工作模式和超谐振频率谐振模式，达到以最少的耗能充满电动汽车动力电池的效果。论文首先以目前在电动汽车中常用的一款锂电池产品为例，分析了锂电池充电能量随着充电电压变化的规律，提出了考虑充电机转换效率动态变换特性的充电机效率评估函数，用来对控制策略进行选优。针对锂电池宽的电压变换范围，考虑LLC变换器在超谐振状态工作时损耗特性和调节能力，结合前级PFC电路的电压增益调节能力，在常规的调频模式的基础上增加了谐振工作模式和超谐振频率工作模式，为了获得高的等效充电效率，优化控制策略，确定合适的3种工作模式对应的工作区域，将谐振工作模式区域在输出电压范围中逐步递增，形成了六种控制方案，对这些方案进行了设计和损耗分析，获得了六种控制策略的评估效率，选取了最佳控制方案，并在搭建的10kW实验样机上进行实现和测试。1常规电源转换效率评估充电机工作过程中其输出电压是充电时间的函数U(t)，目前市场上应用较广的一款18650型号的锂电池的充电特性曲线见图1。其单体额定容量2700mAh，最大容量为2900mAh，工作电压范围为2.5～4.2V，充电方式为在充电初期采用较大的恒流充电，在电池电量接近充满时采用恒压充电。在充电机充电过程中，随着充电时间的增加，充电机的输出电压和充电功率不断改变，而充电机的转换效率随着输出电压的变化也随之不同，常规电源的转换效率评估以最高效率或额定情况下的效率，无法确保充电能量最低。为了分析不同的控制方案对动力电池充电能量的影响，设图1中充电电流与输出电压的关系为：i选取e2全桥lc拓扑文中研究的直流充电机的拓扑见图2。前级是三相PFC电路，后级是全桥LLC拓扑。充电机的最低输出电压ULLC谐振变换器常规控制见图3(a)，在整个工作过程中，前级PFC输出电压稳定为750V,LLC变换器开关频率f一直低于谐振频率f3不同控制方案的确定三段式控制方案的设计关键是选择合适的B点和C点的位置，由于中间母线电压的受到前级PFC变换器拓扑和可供选择的功率半导体器件电压容量的限制，选择700～840V，确定C点的位置，则B点的位置也被确定。为了找出三段式控制方案的最佳方案，分别按照C点的位置分别在200、230、260、290、320、350V进行设计，见图4，并进行效率估算。由于LLC变换器设计参数的选择具有强的复杂多样性，为了有效比较图4中所示的6种方案的等效效率，该6种方案设计前提是采用的电感和变压器的磁芯相同，工作频率范围相近，由于C点位置的不一样，会导致变压器的匝比的改变，谐振腔的参数会相应改变。针对变压器励磁电感、谐振参数的选取按照下列原则：1)以其中一个方案为例，根据LLC电路的可以算出LLC谐振变换器开关管损耗与励磁电感L2)考虑谐振参数k与LLC变换器峰值增益之间的关系，在宽电压范围输出的充电机中需要选取较大的k值，但随着k值的增加，通态损耗随之增加。因此，k值的选择按照在满足峰值增益的条件下选择较小的k值，从而获得宽电压输出的调节能力的同时，减小导通损耗。根据上述原则，6种控制方案的设计参数见表1。原边开关器件采用C2M0040120D，副边整流二极管采用RURG3060CC。为了研究不同的控制方案对效率的影响，对6种方案的损耗进行计算。根据表1的设计参数和器件的选型，可以计算出应用上述6种控制方案的LLC变换器效率。不同方案下LLC变换器在不同输出电压下的原边开关管关断电流会随着输出电压的变化曲线见图6。LLC变换器中的开关管均工作于软开通模式，没有开通损耗，变换器最主要损耗之一的开关管损耗只包含导通损耗和关断损耗，由图6可以看出，LLC工作于谐振状态时关断电流最小，开关的损耗最小，在超谐振频率工作模式下，C点对应的输出电压越高，在低压输出时频率越偏离谐振频率，关断电流越大，关断损耗也越大，在工作频率低于谐振频率的区域，随着C点对应的输出电压越高，关断电流减小，开关管的关断损耗和平台区导通损耗逐渐减小。在不同控制方案下LLC变换器的理论计算转换效率曲线见图7。随着输出电压变化的曲线，将效率曲线数据代入式(1)中，求得各控制策略下的评估函数值即可对各控制策略进行能耗比较。以100节单体串联的电池组为例分析，则充电电压工作区域为240～400V，将图7中的效率曲线和图1中的电压、电流曲线代入式(1)，求得评估函数e4恒压电气流控制实现充电机三段式控制策略的控制框图见图8。外环是电池电压反馈，在电池电压未达到额定电压前为恒充电电流控制，在在电池电压达到额定电压后改为恒压充电。具体调节规律为：1)当U2)U3)U4)当U5u3000测试结果根据表1功率电路参数，为了验证优化设计方法，选择了其中3个方案进行了设计并搭建实验样机，分别为方案1、3、5进行了实验，为方案3在不同输出电压下的电压和电流波形，在整个工作电压区域变换器均工作于软开关状态见图9。输出电压U3种方案的实验效率见图11。对比图11和图7数据可以看出，3种方案的理论和实验效率虽然有些误差，但趋势一致，基本相符合。随着输出电压的变化，方案3能在较宽范围维持较高的效率。变换器在输出电压U6实验验证及效率分析文中基于锂电池充电特性提出了充电机充电效率评估函数，并利用其对系列“三段式”控制方案进行了能耗分析，选择最佳控制方案，以较小的能耗充满锂电池。搭建了最大功率10kW输出电压200～450V宽范围的实验样机并进行了实验验证。测得推荐的控制方案3最高效率为97.9%，在输出260V以上大部分负载情况下均能达到97.80%左右的效率，三段式控制方案的实验效率变化规律