充電機(jī)充電效率分析與控制策略優(yōu)化

充電機(jī)充電效率分析與控制策略優(yōu)化

0評(píng)估函數(shù)的建立近年來(lái)，燃料汽車污染日益嚴(yán)重。所有國(guó)家都已經(jīng)實(shí)施了自己的電動(dòng)汽車開發(fā)計(jì)劃，直接和快速充電站是電動(dòng)汽車開發(fā)的必要基礎(chǔ)設(shè)施之一。針對(duì)寬電壓輸出范圍和LLC變換器轉(zhuǎn)換效率的矛盾，文中提出了一種三段式混合控制方式，根據(jù)不同的輸出電壓和功率，LLC變換器工作于常規(guī)的調(diào)頻模式、諧振工作模式和超諧振頻率諧振模式，達(dá)到以最少的耗能充滿電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的效果。論文首先以目前在電動(dòng)汽車中常用的一款鋰電池產(chǎn)品為例，分析了鋰電池充電能量隨著充電電壓變化的規(guī)律，提出了考慮充電機(jī)轉(zhuǎn)換效率動(dòng)態(tài)變換特性的充電機(jī)效率評(píng)估函數(shù)，用來(lái)對(duì)控制策略進(jìn)行選優(yōu)。針對(duì)鋰電池寬的電壓變換范圍，考慮LLC變換器在超諧振狀態(tài)工作時(shí)損耗特性和調(diào)節(jié)能力，結(jié)合前級(jí)PFC電路的電壓增益調(diào)節(jié)能力，在常規(guī)的調(diào)頻模式的基礎(chǔ)上增加了諧振工作模式和超諧振頻率工作模式，為了獲得高的等效充電效率，優(yōu)化控制策略，確定合適的3種工作模式對(duì)應(yīng)的工作區(qū)域，將諧振工作模式區(qū)域在輸出電壓范圍中逐步遞增，形成了六種控制方案，對(duì)這些方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和損耗分析，獲得了六種控制策略的評(píng)估效率，選取了最佳控制方案，并在搭建的10kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。1常規(guī)電源轉(zhuǎn)換效率評(píng)估充電機(jī)工作過(guò)程中其輸出電壓是充電時(shí)間的函數(shù)U(t)，目前市場(chǎng)上應(yīng)用較廣的一款18650型號(hào)的鋰電池的充電特性曲線見(jiàn)圖1。其單體額定容量2700mAh，最大容量為2900mAh，工作電壓范圍為2.5～4.2V，充電方式為在充電初期采用較大的恒流充電，在電池電量接近充滿時(shí)采用恒壓充電。在充電機(jī)充電過(guò)程中，隨著充電時(shí)間的增加，充電機(jī)的輸出電壓和充電功率不斷改變，而充電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率隨著輸出電壓的變化也隨之不同，常規(guī)電源的轉(zhuǎn)換效率評(píng)估以最高效率或額定情況下的效率，無(wú)法確保充電能量最低。為了分析不同的控制方案對(duì)動(dòng)力電池充電能量的影響，設(shè)圖1中充電電流與輸出電壓的關(guān)系為：i選取e2全橋lc拓?fù)湮闹醒芯康闹绷鞒潆姍C(jī)的拓?fù)湟?jiàn)圖2。前級(jí)是三相PFC電路，后級(jí)是全橋LLC拓?fù)洹３潆姍C(jī)的最低輸出電壓ULLC諧振變換器常規(guī)控制見(jiàn)圖3(a)，在整個(gè)工作過(guò)程中，前級(jí)PFC輸出電壓穩(wěn)定為750V,LLC變換器開關(guān)頻率f一直低于諧振頻率f3不同控制方案的確定三段式控制方案的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是選擇合適的B點(diǎn)和C點(diǎn)的位置，由于中間母線電壓的受到前級(jí)PFC變換器拓?fù)浜涂晒┻x擇的功率半導(dǎo)體器件電壓容量的限制，選擇700～840V，確定C點(diǎn)的位置，則B點(diǎn)的位置也被確定。為了找出三段式控制方案的最佳方案，分別按照C點(diǎn)的位置分別在200、230、260、290、320、350V進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4，并進(jìn)行效率估算。由于LLC變換器設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇具有強(qiáng)的復(fù)雜多樣性，為了有效比較圖4中所示的6種方案的等效效率，該6種方案設(shè)計(jì)前提是采用的電感和變壓器的磁芯相同，工作頻率范圍相近，由于C點(diǎn)位置的不一樣，會(huì)導(dǎo)致變壓器的匝比的改變，諧振腔的參數(shù)會(huì)相應(yīng)改變。針對(duì)變壓器勵(lì)磁電感、諧振參數(shù)的選取按照下列原則：1)以其中一個(gè)方案為例，根據(jù)LLC電路的可以算出LLC諧振變換器開關(guān)管損耗與勵(lì)磁電感L2)考慮諧振參數(shù)k與LLC變換器峰值增益之間的關(guān)系，在寬電壓范圍輸出的充電機(jī)中需要選取較大的k值，但隨著k值的增加，通態(tài)損耗隨之增加。因此，k值的選擇按照在滿足峰值增益的條件下選擇較小的k值，從而獲得寬電壓輸出的調(diào)節(jié)能力的同時(shí)，減小導(dǎo)通損耗。根據(jù)上述原則，6種控制方案的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。原邊開關(guān)器件采用C2M0040120D，副邊整流二極管采用RURG3060CC。為了研究不同的控制方案對(duì)效率的影響，對(duì)6種方案的損耗進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)表1的設(shè)計(jì)參數(shù)和器件的選型，可以計(jì)算出應(yīng)用上述6種控制方案的LLC變換器效率。不同方案下LLC變換器在不同輸出電壓下的原邊開關(guān)管關(guān)斷電流會(huì)隨著輸出電壓的變化曲線見(jiàn)圖6。LLC變換器中的開關(guān)管均工作于軟開通模式，沒(méi)有開通損耗，變換器最主要損耗之一的開關(guān)管損耗只包含導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗，由圖6可以看出，LLC工作于諧振狀態(tài)時(shí)關(guān)斷電流最小，開關(guān)的損耗最小，在超諧振頻率工作模式下，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓越高，在低壓輸出時(shí)頻率越偏離諧振頻率，關(guān)斷電流越大，關(guān)斷損耗也越大，在工作頻率低于諧振頻率的區(qū)域，隨著C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓越高，關(guān)斷電流減小，開關(guān)管的關(guān)斷損耗和平臺(tái)區(qū)導(dǎo)通損耗逐漸減小。在不同控制方案下LLC變換器的理論計(jì)算轉(zhuǎn)換效率曲線見(jiàn)圖7。隨著輸出電壓變化的曲線，將效率曲線數(shù)據(jù)代入式(1)中，求得各控制策略下的評(píng)估函數(shù)值即可對(duì)各控制策略進(jìn)行能耗比較。以100節(jié)單體串聯(lián)的電池組為例分析，則充電電壓工作區(qū)域?yàn)?40～400V，將圖7中的效率曲線和圖1中的電壓、電流曲線代入式(1)，求得評(píng)估函數(shù)e4恒壓電氣流控制實(shí)現(xiàn)充電機(jī)三段式控制策略的控制框圖見(jiàn)圖8。外環(huán)是電池電壓反饋，在電池電壓未達(dá)到額定電壓前為恒充電電流控制，在在電池電壓達(dá)到額定電壓后改為恒壓充電。具體調(diào)節(jié)規(guī)律為：1)當(dāng)U2)U3)U4)當(dāng)U5u3000測(cè)試結(jié)果根據(jù)表1功率電路參數(shù)，為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，選擇了其中3個(gè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，分別為方案1、3、5進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，為方案3在不同輸出電壓下的電壓和電流波形，在整個(gè)工作電壓區(qū)域變換器均工作于軟開關(guān)狀態(tài)見(jiàn)圖9。輸出電壓U3種方案的實(shí)驗(yàn)效率見(jiàn)圖11。對(duì)比圖11和圖7數(shù)據(jù)可以看出，3種方案的理論和實(shí)驗(yàn)效率雖然有些誤差，但趨勢(shì)一致，基本相符合。隨著輸出電壓的變化，方案3能在較寬范圍維持較高的效率。變換器在輸出電壓U6實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及效率分析文中基于鋰電池充電特性提出了充電機(jī)充電效率評(píng)估函數(shù)，并利用其對(duì)系列“三段式”控制方案進(jìn)行了能耗分析，選擇最佳控制方案，以較小的能耗充滿鋰電池。搭建了最大功率10kW輸出電壓200～450V寬范圍的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)得推薦的控制方案3最高效率為97.9%，在輸出260V以上大部分負(fù)載情況下均能達(dá)到97.80%左右的效率，三段式控制方案的實(shí)驗(yàn)效率變化規(guī)律