基于Z源可串并聯(lián)輸出的直流充電裝置

劉 帥 ， 黃 浩 ，2， 李 瑫 ，2， 張福家 ，2， 謝建國 ，2

（1.湖南紅太陽新能源科技有限公司，長沙410111，中國；2.中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所，長沙410111，中國）

1 前言

隨著電動汽車的發(fā)展，對直流充電裝置的需求越來越多，對充電裝置的輸入要求也多樣化，然而大部分的充電裝置只能針對專門的交直流輸入輸出進(jìn)行充電，無法滿足負(fù)載對充電電壓、電流、功率的需求。針對輸入多樣化的一般性解決方法是輸入側(cè)增加逆變或整流單元，將不同的電源統(tǒng)一成交流或直流，增加的中間環(huán)節(jié)影響系統(tǒng)整體效率和可靠性；針對負(fù)載需求的多樣化，現(xiàn)有的解決方案是提高充電設(shè)備的輸出功率和輸出電壓等級，采取大功率兼容小功率、高電壓兼容低電壓的方法，但此種方法在充電裝置給小負(fù)載充電時(shí)，存在充電調(diào)節(jié)精度不足、效率下降、充電容量不能充分利用等缺點(diǎn)［1］。

為了改善現(xiàn)有充電裝置的以上缺點(diǎn)，本文提出一種直流充電裝置解決方案，解決了多種輸入電源兼容性和功率需求多樣化問題；該方案在直流輸入側(cè)采用 Z 源網(wǎng)絡(luò)［1］［2］，拓展輸入電源的種類和范圍，在輸出側(cè)采用隔離型雙有源橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［7］，使得輸出單元隔離可控；由于Z源網(wǎng)絡(luò)的存在使得電路拓?fù)淠軌蚣嫒輼虮燮骷蓖ü收?，提高系統(tǒng)的可靠性［1］［5］；針對輸入電源的多樣化，分別預(yù)留了交流輸入端和直流輸入端，不用在裝置外部進(jìn)行整流或逆變成統(tǒng)一的電源，裝置通過設(shè)定輸入電源的種類、改變Z源的直通零矢量占比便可實(shí)現(xiàn)輸入直流的升降壓控制，可兼容多種交直流電源輸入；直流充電裝置可以采用任意串并聯(lián)組合輸出，采用通訊控制各裝置進(jìn)行主動均流均壓，使得較小容量的充電裝置通過組合能夠匹配各種電壓、功率的充電負(fù)載，能夠滿足各種不同負(fù)荷的需求，能夠提高充電的調(diào)節(jié)精度、提高工作效率，充分利用現(xiàn)有的充電裝置容量等優(yōu)點(diǎn)。

2 工作原理

2.1 Z源逆變器原理

Z源逆變器是由浙江大學(xué)彭方正教授于2002年提出的一種新型逆變器，其利用獨(dú)特的無源網(wǎng)絡(luò)，允許在同一橋臂上下開關(guān)管直通從而實(shí)現(xiàn)升降壓變換的功能為電源、主電路和負(fù)載提供巨大靈活性［1］［2］。

Z源逆變器原理圖如圖1所示，C1、C2、L1和L2構(gòu)成X型Z源網(wǎng)絡(luò)，A1～A4構(gòu)成有源橋，Z源逆變器有三種工作狀態(tài):正常導(dǎo)通逆變矢量狀態(tài)，即開關(guān)A1、A4導(dǎo)通，A2、A3 截止（或 A2、A3 導(dǎo)通，A1、A4截止），此時(shí)輸入電源V_in和充電后的L1、L2均工作在放電狀態(tài)，共同向負(fù)載提供電能；傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)，即開關(guān)A1～A4均截止，逆變器工作在傳統(tǒng)傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)，不對外輸出電流，電源和L1、L2共同向阻抗網(wǎng)絡(luò)C1和C2充電；直通零矢量狀態(tài)，開關(guān)器件A1～A4全部導(dǎo)通，逆變器工作在直通零矢量狀態(tài)，不對外輸出電流，二極管D5工作于截止?fàn)顟B(tài)，電容 C1、C2 共同對電感 L1 和 L2 充電［2-6］。

圖1 Z源原理圖

如圖1所示，Z源網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)C1和C2具有相同的電容值C，電感L1和L2具有相同的電感值L，則可知Z源網(wǎng)絡(luò)2個(gè)容電壓相同，兩個(gè)電感電壓相同，即:

設(shè)定在一個(gè)開關(guān)周期T中，有源橋工作于直通狀態(tài)（A1～A4均導(dǎo)通）的時(shí)間為T0，T0時(shí)間內(nèi)從圖1電路原理圖可知:

式中VD為二極管D5壓降，V_dc為直流母線電壓。

假設(shè)有源橋工作于非直通的時(shí)間為T1，其中T1＝T-T0，T1時(shí)間內(nèi)由圖 1 可知:

在一個(gè)開關(guān)周期T中，Z源電感兩端的平均電壓在穩(wěn)態(tài)下為 0，由式（2）和式（3）可得:

經(jīng)變換后可得

將式（3）代入可得:

由式（6）可知，通過增加插入直通零矢量的時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)Z源網(wǎng)絡(luò)的直流母線電壓升壓。

2.2 雙有源橋移相原理

雙有源橋式DC-DC變換器是典型的隔離式DC-DC變換器，一般由2組全橋變換單元、電感、高頻變壓器組成，該變換器結(jié)構(gòu)對稱，可以采用移相控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的軟開關(guān)，一般適用于中大功率場合［8］。

圖2 雙有源橋DC-DC電路拓?fù)鋱D

圖2為典型的雙有源橋DC-DC電路拓?fù)鋱D，控制開關(guān)器件A1和A4同時(shí)導(dǎo)通（A2和A3截止），產(chǎn)生V_ac1的正向電壓，A2和A3同時(shí)導(dǎo)通（A1和A4截止）產(chǎn)生V_ac1的負(fù)向電壓，控制A1～A4同時(shí)導(dǎo)通（上節(jié)直通零矢量或同時(shí)截止降壓）產(chǎn)生V_ac1的零電壓；同理控制開關(guān)器件A5和A8導(dǎo)通產(chǎn)生V_ac2的正向電壓，控制開關(guān)器件A6和A7導(dǎo)通產(chǎn)生V_ac2的負(fù)向電壓，且正負(fù)電壓占滿整個(gè)PWM周期；定義V_ac1的占空比為D_ac1，變壓器原邊副邊電壓這算到原邊后的電壓比為k，定義V_ac1和V_ac2之間的移相角為Dφ，其中移相角的范圍限制為0＜Dφ＜0.5（1-D_ac1），高頻隔離變壓器等效電感為L，分析其等效電路可計(jì)算出其平均輸出功率為［7］［8］:

由上式可知，在雙有源橋DC-DC變換器移相控制中，只需控制雙有源橋原副邊的移相角Dφ，就可實(shí)現(xiàn)變換器輸出功率的控制。

3 裝置設(shè)計(jì)

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的直流充電裝置的系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示，輸入側(cè)的整流橋允許交流電源輸入，同時(shí)在整流橋的直流母線處引出直流輸入端子，兼容交直流輸入，輸入直流電壓為 V_in；C1、C2、L1、L2 組成X型的Z源網(wǎng)絡(luò)，與A1～A4四個(gè)開關(guān)器件配合能組成Z源逆變器，在傳統(tǒng)零矢量矢量中插入直通零矢量實(shí)現(xiàn)Z源升壓，Z源逆變器對變壓器T1輸出方波交流電源；同時(shí)，A1～A4、T1 和 A5～A4 組成雙有源橋式電路，通過PWM移相實(shí)現(xiàn)全橋隔離DC-DC變換，從而實(shí)現(xiàn)輸出隔離獨(dú)立可控；從而可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)采用不同輸入電源的充電裝置進(jìn)行串并聯(lián)輸出。

圖3 直流充電裝置系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.2 運(yùn)行控制策略

上文章節(jié)分析了Z源逆變器原理和雙有源橋移相控制原理，本文設(shè)計(jì)了直流充電裝置的控制策略如圖4所示，采用電壓、電流獨(dú)立雙閉環(huán)控制:直流母線電壓閉環(huán)控制，通過采集直流母線電壓V_dc，與直流母線電壓參考值Vdc_ref比較，直流母線電壓偏差V_err經(jīng)過電壓控制器調(diào)節(jié)，輸出pwm11～pwm14控制有源橋原邊開關(guān)器件，通過調(diào)節(jié)插入直通零矢量的時(shí)間來調(diào)節(jié)升壓電壓（當(dāng)直流母線工作于降壓模式時(shí)，可通過調(diào)節(jié)插入傳統(tǒng)零矢量的時(shí)間來調(diào)節(jié)降壓電壓）；輸出電流閉環(huán)控制，輸出電流參考值Iout_ref與實(shí)際輸出電流V_out比較，電流輸出偏差I(lǐng)_err經(jīng)電流控制器調(diào)節(jié)副邊有源橋移相角度輸出pwm21～pwm24，控制裝置的功率、電流輸出。

結(jié)合上文公式（6）和公式（7），可推導(dǎo)出充電裝置的傳輸功率傳遞函數(shù):

其中，D_short為插入的直通零矢量的占空比，且小于0.5；Dφ為有源橋副邊移相角度，角度應(yīng)小于 0＜Dφ＜0.5D_short； 采 用單獨(dú)的電壓和電流雙閉環(huán)控制，分別控制插入直通零矢量占空比和副邊有源橋移相角度，從而實(shí)現(xiàn)充電裝置的解耦控制輸出。

圖4 控制策略框圖

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的裝置及其控制方法的可行性和性能，基于Matlab/Simulink軟件對本裝置進(jìn)行建模仿真，以圖1所示的主電路拓?fù)浜蛨D4所示的控制策略進(jìn)行建模，對輸入母線直流升壓和輸出電流分別進(jìn)行控制，控制器均采用帶PI控制器。

輸入電源采用120VAC交流電源，輸入直流升壓等效直流電壓（采用一階濾波器濾波得到）目標(biāo)值設(shè)置為200VDC，開關(guān)器件開關(guān)頻率采用10kHz，高頻變壓器變比為1，Z源電容C1、C2選用100uF，Z源電感L1、L2選用5mH，輸出負(fù)載選用10Ω。

圖5為單個(gè)裝置的帶負(fù)載啟動運(yùn)行仿真，采用120VAC交流電源輸入，負(fù)載為10Ω電阻，輸入直流升壓等效電壓為200VDC，輸出電流初始目標(biāo)值為8A，在0.3s時(shí)輸出電流目標(biāo)值突變?yōu)?2A。從圖中可以看出，在升壓啟動階段，插入較多的直通零矢量，雙有源橋采用較大的移相角度進(jìn)行控制，約0.04s后啟動升壓完成，經(jīng)過0.1s運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定；0.3s時(shí)輸出給定突變，移相角增大，實(shí)際輸出電流經(jīng)過0.02s后達(dá)到穩(wěn)定的12A。

圖5 單機(jī)運(yùn)行仿真

對四個(gè)直流充放電裝置進(jìn)行串并聯(lián)仿真，如圖6所示，采用2個(gè)10Ω電阻并聯(lián)負(fù)載，各裝置輸入電源為120VAC交流電源，給定各單個(gè)裝置初始目標(biāo)總輸出電流為16A（單裝置輸出電流8A），0.3s調(diào)整目標(biāo)總輸出電流為24A（單裝置輸出電流12A），監(jiān)測總輸出電壓、電流，單個(gè)裝置的輸出電壓、電流。

圖7所示為串并聯(lián)總輸出電壓電流，約0.05s裝置完成啟動達(dá)到設(shè)定總輸出電流16A，總輸出電壓達(dá)到 170VDC，約 0.1s處輸出達(dá)到穩(wěn)定；0.3s處調(diào)整控制總輸出電流升至24A，輸出電壓升至240VDC，在 0.31s處達(dá)到穩(wěn)定。

圖8為串并聯(lián)輸出時(shí)單個(gè)裝置的運(yùn)行情況，由圖可知單個(gè)裝置的電流、電壓約為總輸出電流電壓的一半，電流電壓的變化與總輸出電流電壓較為一致。

綜上仿真分析，本文的直流充電裝置具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)調(diào)整控制性能，同時(shí)能夠進(jìn)行任意的串并聯(lián)組合，共同給大負(fù)載充電，且各裝置間能夠?qū)崿F(xiàn)較好的電壓電流均衡輸出。

圖6 串并聯(lián)仿真建模

圖7 串并聯(lián)總輸出電壓電流

圖8 串并聯(lián)單個(gè)裝置運(yùn)行情況

5 結(jié)論

本文提出一種基于Z源可串并聯(lián)輸出的直流充電裝置，并給出其運(yùn)行控制策略，對其進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證，得出結(jié)論如下:

（1）本文提出充電裝置分別預(yù)留了交流輸入端和直流輸入端，不用在裝置外部進(jìn)行整流成統(tǒng)一的電壓，兼容多種交直流輸入電源。

（2）本文提出的充電裝置在輸入側(cè)采用Z源網(wǎng)絡(luò)，能夠大范圍的實(shí)現(xiàn)輸入電源的升降壓，同時(shí)由于Z源網(wǎng)絡(luò)的存在允許橋臂開關(guān)器件進(jìn)行直通，提高了充電裝置的可靠性。

（3）本文采用雙有源橋隔離DC-DC變換器輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出的任意串并聯(lián)輸出，使得較小容量的充電裝置能夠通過組合匹配各種電壓、功率的負(fù)載，滿足各種不同負(fù)荷的需求。

（4）本文提出的直流充電裝置采用輸入直流升壓、輸出電流（功率）雙獨(dú)立閉環(huán)控制，通過Z源直通零矢量、雙有源橋移相控制來實(shí)現(xiàn)輸入直流升壓和輸出功率控制，該裝置在串并聯(lián)輸出運(yùn)行時(shí)對各裝置的進(jìn)行獨(dú)立控制，較為容易實(shí)現(xiàn)電壓電流均衡輸出。

本文從理論上驗(yàn)證了提出的充電裝置的可行性和優(yōu)越性，為多電源供電、便攜式組合電源提供多種可能性，使得多種輸入電源的小容量充電裝置能夠組合工作滿足大負(fù)載充電需求，同時(shí)也提高充電裝置的調(diào)節(jié)精度、工作效率、可靠性，可廣泛應(yīng)用于大型電動汽車充電站、軍用便攜式組合電源、多混合電源直流充電系統(tǒng)等場景。