葛雯

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710026）

PHEV車載蓄電池充電電路控制方法研究

葛雯

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710026）

車載充電器是給插電式混合動(dòng)力汽車電池包充電的設(shè)備。半橋LLC諧振變換器在頻率調(diào)制的方式下能夠?qū)崿F(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷，能夠降低開(kāi)關(guān)損耗。用調(diào)頻控制方法實(shí)現(xiàn)了PHEV車載蓄電池的恒流恒壓充電。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，用調(diào)頻控制半橋LLC諧振變換器的方法在PHEV車載充電電路中有很好的表現(xiàn)。

混合動(dòng)力汽車；半橋LLC諧振變換器；車載充電器

1 引言

當(dāng)今世界，石油資源過(guò)度消耗，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，這兩大問(wèn)題直接威脅著傳統(tǒng)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外各大汽車制造廠商都在致力于開(kāi)發(fā)新能源汽車。插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）因其節(jié)能環(huán)保、技術(shù)成熟、成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，已成為新能源汽車發(fā)展的主要方向［1、2］。充電器作為PHEV的能量補(bǔ)給設(shè)備，其與PHEV相生相伴，其性能的優(yōu)劣直接影響著PHEV的行駛里程和車載蓄電池的壽命長(zhǎng)短。因此，研究高效、便攜的充電器的主電路及其控制方法就具有十分重要的意義。電池充電是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在其多變量、非線性和離散性。影響磷酸鐵鋰電池充電特性的因素很多，如活性物質(zhì)的活度、電池初始的荷電狀態(tài)和溫度、電池使用歷史、電池極化情況及充電電流的大小等［3－5］。目前，磷酸鐵鋰電池常規(guī)的充電方式有恒壓充電和先恒流再恒壓充電兩種。恒壓充電對(duì)充電電壓有嚴(yán)格要求，電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致電池充不滿電，過(guò)高則會(huì)使初期充電電流過(guò)大。先恒流再恒壓充電方式，在初期以恒定的電流充電，當(dāng)端電壓達(dá)到一定值時(shí)，改為恒壓充電［18－20］。本文選用先恒流再恒壓充電法。一般情況下，磷酸鐵鋰電池在SOC＝0.2時(shí)開(kāi)始恒流充電，在SOC＝0.6時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電，在SOC＝0.8時(shí)停止充電。

2 電路拓?fù)?/h2>

半橋式LLC諧振變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。LLC諧振變換器結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，而且具有很好的電壓調(diào)節(jié)特性。主電路主要由方波發(fā)生器（由半橋逆變器構(gòu)成）、串聯(lián)電容Cr，串聯(lián)電感Lr與并聯(lián)電感Lm組成的諧振網(wǎng)絡(luò)、高頻變壓器、整流電路、濾波網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。

圖1 半橋LLC諧振變換器主電路結(jié)構(gòu)圖

3 變換器電壓增益特性分析

為簡(jiǎn)化分析半橋LLC諧振變換器的電路特性，本文利用基波分析法搭建半橋LLC諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型，并在該模型的基礎(chǔ)上對(duì)半橋LLC諧振變換器的各種特性進(jìn)行分析。如將電路中的各種器件均看作為理想器件，則從圖1可以看出變壓器的原邊電壓就是諧振輸出網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓，由于該電壓是方波，故可以得到它的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式如下：

U0為輸出側(cè)的直流電壓，ωs為開(kāi)關(guān)角頻率，ωs＝2πfs，uAB為變壓器的原邊電壓。將電路進(jìn)行等效后可得：

fs為開(kāi)關(guān)頻率，fr1為諧振頻率，m＝Lm／Ls，f＝fs／fr1。

圖2 諧振變換器的等效電路

由式（2）、式（3）可知，半橋LLC諧振變換器的直流電壓增益與m、Q、f三個(gè)參數(shù)有關(guān)。

用Matlab畫出變換器在不同Q值和不同m值下的直流電壓增益曲線，如圖3和圖4所示。

從這兩幅圖可以直觀地看出，各條增益曲線均在諧振頻率fr處相交，表明在諧振頻率處變換器的增益大小恒定，與Q值大小無(wú)關(guān)。每條曲線的增益大小都隨著變換器工作頻率的增大而先增大后減小。曲線存在一個(gè)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)處諧振回路的阻抗呈阻性。當(dāng)工作頻率小于拐點(diǎn)頻率時(shí)，諧振電路阻抗呈容性，反之，諧振回路阻抗呈感性。變換器只有工作在大于拐點(diǎn)處的頻率時(shí)，開(kāi)關(guān)管才能實(shí)現(xiàn)ZVS。

Q值的大小直接影響到LLC諧振變換器的電壓增益是否足夠大。Q值小時(shí)電壓增益大，Q值大時(shí)電壓增益小。

圖3 m＝4時(shí)電路直流電壓增益曲線

圖4 Q＝0.5時(shí)電路直流電壓增益曲線

由于品質(zhì)因數(shù)Q的值與負(fù)載有關(guān)，因此由上述曲線就可以明顯地看出，Q值越大代表負(fù)載越輕，在此情況下諧振變換器要想得到與以前一樣的電壓增益值，就要降低諧振變換器的工作頻率。所以，負(fù)載越輕時(shí)諧振變換器的工作頻率越低。

在品質(zhì)因數(shù)Q相同時(shí)，當(dāng)m值越大時(shí)，諧振變換器的電壓增益就會(huì)越小。這表明當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，LLC諧振變換器也許就不能得到想要輸出的電壓值，因此，若要獲得與以前相等的電壓增益值，諧振變換器就要增大它的工作頻率的范圍。反之，如果m值太小，因而使勵(lì)磁電感值變小，從而使勵(lì)磁電流值增大，進(jìn)而使變換器的損耗增加。

4 變換器電流增益特性分析

上述增益曲線是在m不變的情況下、不同Q值下的電壓增益曲線和在Q值不變的情況下、不同m值下的電壓增益曲線，這對(duì)于充電器的恒壓設(shè)計(jì)而言非常方便。然而，對(duì)于恒流情況下的充電設(shè)計(jì)而言，上述曲線無(wú)法表示固定電流的曲線。針對(duì)恒定輸出電流改變輸出電壓的充電特性，能夠用輸出負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的充電過(guò)程來(lái)近似等效為充電過(guò)程。為了分析此種工作狀態(tài)下的輸出電流特性，可用的輸出電流的傳輸函數(shù)如下：

當(dāng)固定諧振參數(shù)僅改變負(fù)載的大小時(shí)，即僅品質(zhì)因數(shù)Q值發(fā)生改變時(shí)，其電流傳輸增益曲線如圖5所示（取n＝0.305，Lr＝0.46uH，Cr＝22.1uF，m＝4）。

由圖5可知，當(dāng)確定諧振參數(shù)后，負(fù)載的改變會(huì)引起品質(zhì)因數(shù)Q值的改變，Q值越大，其最大增益越大。通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，可以使不同負(fù)載的輸出電流增益相同。

圖5 Q值變化時(shí)直流電流傳輸特性曲線

5 仿真分析

本文利用PSIM仿真軟件對(duì)半橋LLC諧振電路進(jìn)行仿真。輸出側(cè)的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋電路反饋到原邊，通過(guò)PI的調(diào)節(jié)改變變換器的工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)變換器的閉環(huán)仿真。

在SOC＝0.2到SOC＝0.6期間，對(duì)蓄電池采用恒流充電，充電電流為8.67A。這期間蓄電池的內(nèi)阻變化為3.12Ω－2.98Ω。圖6是蓄電池恒流充電時(shí)，充電電流和負(fù)載電壓的波形圖。

從圖6中可以看出，隨著充電的進(jìn)行，蓄電池內(nèi)阻逐漸減小，充電器輸出的充電電流發(fā)生了明顯的變化。

變換器不能同時(shí)工作在恒壓特性和恒流特性下。當(dāng)工作在恒流特性下時(shí)，輸入阻抗呈容性，此時(shí)逆變器上的開(kāi)關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，會(huì)造成開(kāi)關(guān)損耗；當(dāng)工作在恒壓特性下時(shí)，輸入阻抗呈感性，此時(shí)逆變器上的開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。因此，在恒流階段不宜將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為恒流特性下的開(kāi)關(guān)頻率，在恒流階段應(yīng)使用調(diào)頻控制，以使充電電流達(dá)到穩(wěn)定。

圖6 恒流充電時(shí)充電電流和負(fù)載電壓波形圖

對(duì)半橋LLC諧振變換器進(jìn)行電流閉環(huán)PI調(diào)頻控制，得到SOC變化時(shí)充電電流和頻率調(diào)節(jié)的波形圖如圖7所示，充電電壓和頻率調(diào)節(jié)的波形圖如圖8所示。

圖7 SOC從0.2變化到0.6過(guò)程中充電電流與開(kāi)關(guān)頻率波形

圖8 SOC從0.6變化到0.8過(guò)程中充電電壓與開(kāi)關(guān)頻率輸出電壓波形

在圖7中可以看出，當(dāng)對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電時(shí)，充電電流為8.6721A，在0.5s時(shí)，蓄電池的內(nèi)阻發(fā)生變化，充電電流發(fā)生變化，由于諧振變換器采用了頻率調(diào)制的控制方法，頻率從24kHz變化到37kHz，經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)節(jié)，在0.7s時(shí)，充電電流恢復(fù)為8.6723A。

在圖8中可以看出，當(dāng)對(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓充電時(shí)，充電電壓為566.12V，在0.5s時(shí)，蓄電池內(nèi)阻發(fā)生變化，充電電壓發(fā)生微小變化，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的諧振參數(shù)使得電路自身的恒壓特性很好，只需微調(diào)開(kāi)關(guān)頻率就可以實(shí)現(xiàn)充電電壓的恒定。

6 實(shí)驗(yàn)分析

利用TMS320F2812的DSP芯片開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建PHEV車載蓄電池充電器的實(shí)驗(yàn)電路。分別用22Ω、17Ω、15.3Ω、12Ω的電阻模擬SOC＝0.2、SOC＝0.6、SOC＝0.8和SOC＞0.8時(shí)電池組的內(nèi)阻。其中，輸入電壓為67V，諧振頻率為30kHz，恒流充電時(shí)的充電電流為2.3A，恒壓充電時(shí)的浮充電壓為36V。

圖9 恒流充電時(shí)的充電電流和輸出電壓波形

如圖9所示為開(kāi)環(huán)情況下（開(kāi)關(guān)頻率固定為19.39kHz）充電電流和輸出電壓波形圖，當(dāng)SOC＝0.2到SOC＝0.6時(shí)，為恒流充電階段。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池的內(nèi)阻發(fā)生變化，此時(shí)的電流由2.22A變化到2.76A。在負(fù)載電阻變化了5Ω后電流變化了0.54A，還需要調(diào)頻控制電路合理控制蓄電池的充電電流。

如圖10所示為調(diào)頻控制下的充電電流、輸出電壓和開(kāi)關(guān)頻率的波形圖。從圖中可以看出，隨著充電的進(jìn)行，電池的內(nèi)阻發(fā)生變化，此時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的頻率從18.08kHz變化到20.43kHz，可以保持2.32A的充電電流不發(fā)生變化，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的PHEV車載蓄電池充電器在恒流充電階段能很好地起到恒流充電的效果。

圖10 調(diào)頻控制下的充電電流和開(kāi)關(guān)頻率波形圖

如圖11所示為調(diào)頻控制下的充電電壓、輸出電流和開(kāi)關(guān)頻率的波形圖。從圖中可以看出，隨著充電的進(jìn)行，電池的內(nèi)阻發(fā)生變化，此時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率從20.43kHz變化到20.54kHz，充電電壓可以保持36V不發(fā)生變化，由于LLC諧振拓?fù)浔旧砭哂泻芎玫暮銐禾匦?，只需要?duì)工作頻率進(jìn)行很小的微調(diào)就可以保持充電電壓的恒定，所以，在圖6－4中隨著蓄電池內(nèi)阻的變化，其充電電壓微調(diào)處的波形變化并不明顯。以上情況表明，所設(shè)計(jì)的PHEV車載蓄電池充電器在恒壓充電階段能夠起到很好的恒壓充電效果。

圖11 調(diào)頻控制下的充電電壓和開(kāi)關(guān)頻率波形

7 結(jié)束語(yǔ)

半橋LLC諧振變換器在頻率調(diào)制的方式下能夠?qū)崿F(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷，能夠有效降低開(kāi)關(guān)的損耗。本文將半橋LLC諧振變換器用于PHEV車載蓄電池充電電路，并通過(guò)理論研究、仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了半橋LLC諧振變換器具有很好的恒壓和恒流特性。對(duì)半橋LLC諧振變換器進(jìn)行調(diào)頻控制就可以達(dá)到PHEV車載蓄電池恒流恒壓充電的目的。

［1］陳清泉，孫迎春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社.2002.1－4.

［2］Daniels J.Millennium.Electric＆Hybrid Vehicle Technology International［M］.2000.6－10.

［3］陳昌元.動(dòng)力磷酸鐵鋰電池充電電源的研制［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2014，（11）.

［4］Deepak S Gautam.An automotive on board 3.3kW battery chargerforPHEVapplication［J］.IEEETransactions，2012.

［5］胡信國(guó)，王殿龍，戴長(zhǎng)松，等.動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

Research on control method of PHEV vehicle battery charging circuit

GE Wen
（Xi＇an Railway Vocational＆Technical Institute，Xi＇an 710026，China）

The vehicle battery charger is a device for charging the battery pack in a plug－in hybrid electric vehicle（PHEV）.The half－bridge LLC resonant converter can realize the ZVS of switching and the ZCS of rectifier diode under frequency modulation mode，which also can reduce the switching loss.The frequency modulation control method is used to implement the PHEV constant－current and constant－voltage charging for the battery pack.The simulation and experimental results show that the half－bridge LLC resonant converter under frequency modulation control mode has good performance in PHEV vehicle charging circuit.

PHEV；half－bridge LLC resonant converter；vehicle charger

TP13

：A

1005—7277（2017）01—0015—04

2016－08－05