PHEV車載蓄電池充電電路控制方法研究

葛雯

（西安鐵路職業技術學院，陜西西安710026）

PHEV車載蓄電池充電電路控制方法研究

葛雯

（西安鐵路職業技術學院，陜西西安710026）

車載充電器是給插電式混合動力汽車電池包充電的設備。半橋LLC諧振變換器在頻率調制的方式下能夠實現主開關管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關斷，能夠降低開關損耗。用調頻控制方法實現了PHEV車載蓄電池的恒流恒壓充電。仿真及實驗結果都表明，用調頻控制半橋LLC諧振變換器的方法在PHEV車載充電電路中有很好的表現。

混合動力汽車；半橋LLC諧振變換器；車載充電器

1 引言

當今世界，石油資源過度消耗，環境污染日益嚴重，這兩大問題直接威脅著傳統汽車工業的可持續發展，使得國內外各大汽車制造廠商都在致力于開發新能源汽車。插電式混合動力汽車（PHEV）因其節能環保、技術成熟、成本相對較低等特點，已成為新能源汽車發展的主要方向［1、2］。充電器作為PHEV的能量補給設備，其與PHEV相生相伴，其性能的優劣直接影響著PHEV的行駛里程和車載蓄電池的壽命長短。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。電池充電是一個非常復雜的過程，其復雜性主要表現在其多變量、非線性和離散性。影響磷酸鐵鋰電池充電特性的因素很多，如活性物質的活度、電池初始的荷電狀態和溫度、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。恒壓充電對充電電壓有嚴格要求，電壓過低會導致電池充不滿電，過高則會使初期充電電流過大。先恒流再恒壓充電方式，在初期以恒定的電流充電，當端電壓達到一定值時，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時開始恒流充電，在SOC＝0.6時轉為恒壓充電，在SOC＝0.8時停止充電。

2 電路拓撲

半橋式LLC諧振變換器的主電路結構如圖1所示。LLC諧振變換器結合了串聯和并聯諧振變換器的優點，可以在全負載范圍內實現ZVS，而且具有很好的電壓調節特性。主電路主要由方波發生器（由半橋逆變器構成）、串聯電容Cr，串聯電感Lr與并聯電感Lm組成的諧振網絡、高頻變壓器、整流電路、濾波網絡等構成。

圖1 半橋LLC諧振變換器主電路結構圖

3 變換器電壓增益特性分析

為簡化分析半橋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諧振變換器的穩態模型，并在該模型的基礎上對半橋LLC諧振變換器的各種特性進行分析。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絡的輸入電壓，由于該電壓是方波，故可以得到它的傅立葉級數表達式如下：

U0為輸出側的直流電壓，ωs為開關角頻率，ωs＝2πfs，uAB為變壓器的原邊電壓。將電路進行等效后可得：

fs為開關頻率，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三個參數有關。

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值大小無關。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。曲線存在一個拐點，在拐點處諧振回路的阻抗呈阻性。當工作頻率小于拐點頻率時，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處的頻率時，開關管才能實現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值小時電壓增益大，Q值大時電壓增益小。

圖3 m＝4時電路直流電壓增益曲線

圖4 Q＝0.5時電路直流電壓增益曲線

由于品質因數Q的值與負載有關，因此由上述曲線就可以明顯地看出，Q值越大代表負載越輕，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，負載越輕時諧振變換器的工作頻率越低。

在品質因數Q相同時，當m值越大時，諧振變換器的電壓增益就會越小。這表明當輸入電壓較低時，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，因而使勵磁電感值變小，從而使勵磁電流值增大，進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，這對于充電器的恒壓設計而言非常方便。然而，對于恒流情況下的充電設計而言，上述曲線無法表示固定電流的曲線。針對恒定輸出電流改變輸出電壓的充電特性，能夠用輸出負載動態變化的充電過程來近似等效為充電過程。為了分析此種工作狀態下的輸出電流特性，可用的輸出電流的傳輸函數如下：

當固定諧振參數僅改變負載的大小時，即僅品質因數Q值發生改變時，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，當確定諧振參數后，負載的改變會引起品質因數Q值的改變，Q值越大，其最大增益越大。通過調整開關頻率，可以使不同負載的輸出電流增益相同。

圖5 Q值變化時直流電流傳輸特性曲線

5 仿真分析

本文利用PSIM仿真軟件對半橋LLC諧振電路進行仿真。輸出側的電流信號經過反饋電路反饋到原邊，通過PI的調節改變變換器的工作頻率，從而實現變換器的閉環仿真。

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

從圖6中可以看出，隨著充電的進行，蓄電池內阻逐漸減小，充電器輸出的充電電流發生了明顯的變化。

變換器不能同時工作在恒壓特性和恒流特性下。當工作在恒流特性下時，輸入阻抗呈容性，此時逆變器上的開關管不能實現零電壓開通，會造成開關損耗；當工作在恒壓特性下時，輸入阻抗呈感性，此時逆變器上的開關管可以實現零電壓開通。因此，在恒流階段不宜將開關頻率設定為恒流特性下的開關頻率，在恒流階段應使用調頻控制，以使充電電流達到穩定。

圖6 恒流充電時充電電流和負載電壓波形圖

對半橋LLC諧振變換器進行電流閉環PI調頻控制，得到SOC變化時充電電流和頻率調節的波形圖如圖7所示，充電電壓和頻率調節的波形圖如圖8所示。

圖7 SOC從0.2變化到0.6過程中充電電流與開關頻率波形

圖8 SOC從0.6變化到0.8過程中充電電壓與開關頻率輸出電壓波形

在圖7中可以看出，當對蓄電池進行恒流充電時，充電電流為8.6721A，在0.5s時，蓄電池的內阻發生變化，充電電流發生變化，由于諧振變換器采用了頻率調制的控制方法，頻率從24kHz變化到37kHz，經過短暫的調節，在0.7s時，充電電流恢復為8.6723A。

在圖8中可以看出，當對蓄電池進行恒壓充電時，充電電壓為566.12V，在0.5s時，蓄電池內阻發生變化，充電電壓發生微小變化，說明所設計的諧振參數使得電路自身的恒壓特性很好，只需微調開關頻率就可以實現充電電壓的恒定。

6 實驗分析

利用TMS320F2812的DSP芯片開發平臺搭建PHEV車載蓄電池充電器的實驗電路。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時電池組的內阻。其中，輸入電壓為67V，諧振頻率為30kHz，恒流充電時的充電電流為2.3A，恒壓充電時的浮充電壓為36V。

圖9 恒流充電時的充電電流和輸出電壓波形

如圖9所示為開環情況下（開關頻率固定為19.39kHz）充電電流和輸出電壓波形圖，當SOC＝0.2到SOC＝0.6時，為恒流充電階段。隨著充電的進行，蓄電池的內阻發生變化，此時的電流由2.22A變化到2.76A。在負載電阻變化了5Ω后電流變化了0.54A，還需要調頻控制電路合理控制蓄電池的充電電流。

如圖10所示為調頻控制下的充電電流、輸出電壓和開關頻率的波形圖。從圖中可以看出，隨著充電的進行，電池的內阻發生變化，此時調節開關管的頻率從18.08kHz變化到20.43kHz，可以保持2.32A的充電電流不發生變化，說明所設計的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 調頻控制下的充電電流和開關頻率波形圖

如圖11所示為調頻控制下的充電電壓、輸出電流和開關頻率的波形圖。從圖中可以看出，隨著充電的進行，電池的內阻發生變化，此時調節開關管的開關頻率從20.43kHz變化到20.54kHz，充電電壓可以保持36V不發生變化，由于LLC諧振拓撲本身具有很好的恒壓特性，只需要對工作頻率進行很小的微調就可以保持充電電壓的恒定，所以，在圖6－4中隨著蓄電池內阻的變化，其充電電壓微調處的波形變化并不明顯。以上情況表明，所設計的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 調頻控制下的充電電壓和開關頻率波形

7 結束語

半橋LLC諧振變換器在頻率調制的方式下能夠實現主開關管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關斷，能夠有效降低開關的損耗。本文將半橋LLC諧振變換器用于PHEV車載蓄電池充電電路，并通過理論研究、仿真及實驗驗證了半橋LLC諧振變換器具有很好的恒壓和恒流特性。對半橋LLC諧振變換器進行調頻控制就可以達到PHEV車載蓄電池恒流恒壓充電的目的。

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［5］胡信國，王殿龍，戴長松，等.動力電池技術與應用［M］.北京：化學工業出版社，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