電力電子與智能控制融合的充電技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0007-03

Research on Charging Technology Integrating Power Electronicsand Intelligent Control

Xie Zhijun，Wei Xiangwei

（Sichuan Technology and Business University，Chengdu ，China）

【Abstract】The popularization of electric vehicles requires more eficient and intellgent charging technologies for support.However，the existing charging systemsstillhave deficiencies inimproving charging speed，protectingbatery life，andadapting tothedemandsof thepower grid.Thisarticlefocusesontheintegrationof power electronichardware andintelligentcontrol，explores theapplicationofSiC/GaNdevices inhigh-frequencyAC/DCconverters，etc.，aswel astheintelligent modulationstrategiesofLLCresonant topologies，etc.Meanwhile，thehardwareimplementationof the intelligentchargingalgorithmisstudied，including technologies suchastheadjustmentof theswitching frequencyof widebandgapdevices，andtheintelligentintegrationschemeof\"vehicle-pile-cloud\"collaborationisanalyzed. Eventually，amulti-dimensionalcolaborativeoptimizationpath isconstructedto break through the limitationsof traditionalripplesuppresion，providingastandardizedsolutionfortheultra-fastcharging and energystoragescenarios of new energy vehicles，and promoting the eficient and intellgent development of charging technology.

【Keywords】 charging system；electronic technology；intelligent charging

0 引言

充電技術(shù)是電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。目前大部分充電設(shè)備受限于硬件效率和固定控制模式，在面對(duì)電池類型多樣、電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)等復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)，難以快速響應(yīng)并維持最佳運(yùn)行狀態(tài)。充電時(shí)電流不穩(wěn)定將縮短電池壽命，而電網(wǎng)與車輛之間的能量雙向交互需求也對(duì)設(shè)備兼容性提出了更高要求。因此，本文聚焦電力電子硬件創(chuàng)新與智能控制策略的深度融合，推動(dòng)充電技術(shù)在效率、經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性上的綜合發(fā)展。

1電力電子器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1.1 SiC/GaN高頻變換器與調(diào)制

SiC（碳化硅）/GaN（氮化鎵）器件的應(yīng)用聚焦于LLC諧振變換器或主動(dòng)鉗位反激式拓?fù)洌浜诵氖峭ㄟ^(guò)高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低損耗。LLC諧振拓?fù)渫ㄟ^(guò)諧振腔（電感-電容-電感）與高頻變壓器結(jié)合，利用SiC/GaN開(kāi)關(guān)管的快速開(kāi)關(guān)特性，在零電壓切換（ZeroVoltageSwitching，ZVS）或零電流切換（ZeroCurrentSwitching，ZCS）條件下工作，從而消除傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)的電壓電流尖峰和諧振損耗。例如，AC輸人經(jīng)整流濾波后進(jìn)人LLC諧振腔，高頻變壓器隔離輸出至直流側(cè)，最終通過(guò)同步整流驅(qū)動(dòng)電池負(fù)載，具體見(jiàn)圖1。其智能調(diào)制策略分為3個(gè)模塊： ① 電網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)采樣電網(wǎng)電壓、頻率及諧波含量； ② 電池信息反饋模塊，獲取電池荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）、溫度及內(nèi)阻參數(shù)； ③ 動(dòng)態(tài)頻率調(diào)制單元，基于上述參數(shù)，利用模型預(yù)測(cè)控制（ModelPredictiveControl，MPC）或深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DeepReinforcementLearning，DRL）算法，實(shí)時(shí)調(diào)整LLC諧振頻率和開(kāi)關(guān)占空比，確保最小化開(kāi)關(guān)損耗與電磁干擾。

1.2多電平變換器動(dòng)態(tài)電壓匹配

多電平拓?fù)涑２捎肨型三電平結(jié)構(gòu)或模塊化多電平堆疊（ModularMultilevelConverter，MMC），通過(guò)多組開(kāi)關(guān)器件組合輸出階梯狀電壓，具體架構(gòu)如圖2所示。例如，T型三電平將高壓電池組的充電需求分解為高、中、低3檔，由主控芯片根據(jù)電池的荷電狀態(tài)SOC動(dòng)態(tài)選擇電平檔位，并通過(guò)滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)平滑切換。而智能切換控制邏輯主要包括：① 電池電壓預(yù)判，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（ExtendedKalmanFilter，EKF）實(shí)時(shí)估算電池SOC，預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)秒內(nèi)的電壓趨勢(shì)； ② 電平序列規(guī)劃，根據(jù)電壓需求生成最優(yōu)開(kāi)關(guān)序列（如 100Hz 級(jí)更新），避免短時(shí)多次切換； ③ 容錯(cuò)機(jī)制，當(dāng)某級(jí)開(kāi)關(guān)故障時(shí)，自動(dòng)重構(gòu)余下電平組合，維持系統(tǒng)連續(xù)性。

1.3 雙向拓?fù)銿2G自適應(yīng)重構(gòu)

雙向充放電依賴于雙有源橋（DualActiveBridge，DAB）拓?fù)浠騂橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)2。以DAB為例，其通過(guò)4組全控型開(kāi)關(guān)器件，如絕緣柵雙極型晶體管（Insulat-edGateBipolarTransistor，IGBT）或SiC-MOSFET，構(gòu)建雙向能量通道，直流側(cè)接入電池，交流側(cè)連接電網(wǎng)或負(fù)載，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器兩側(cè)的相位差控制功率流向和大小，具體如圖3所示。自適應(yīng)重構(gòu)流程分為：一是電網(wǎng)需求分析，監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率偏差、電壓跌落等信號(hào)，判斷需調(diào)用V2G功能的緊急程度（如頻率 lt;49.5Hz 觸發(fā)放電）；二是模式切換邏輯，在充放電切換時(shí)，先關(guān)閉原工作模式的脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）驅(qū)動(dòng)信號(hào)，插人死區(qū)時(shí)間后開(kāi)啟新模式驅(qū)動(dòng)，避免短路風(fēng)險(xiǎn)；三是動(dòng)態(tài)功率協(xié)調(diào)，在放電模式下，采用下垂控制策略，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載率自動(dòng)調(diào)整輸出功率，防止局部過(guò)載。

2智能充電算法硬件實(shí)現(xiàn)

2.1寬禁帶器件頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整

基于寬禁帶半導(dǎo)體（碳化硅/氮化鎵）的開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)，可通過(guò)多參數(shù)協(xié)同反饋實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。其技術(shù)核心包括： ① 變損耗模型，以器件導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、結(jié)溫為變量構(gòu)建實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)損耗模型； ② 高速采樣與決策，通過(guò)電流互感器、電壓分壓器及溫度傳感器組成的三維感知網(wǎng)絡(luò)，每微秒采集1次關(guān)鍵參數(shù)； ③ 頻率梯度控制，以低延時(shí)FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)基于泰勒展開(kāi)的損耗梯度搜索算法，快速鎖定最優(yōu)開(kāi)關(guān)頻率； ④ 電磁干擾抑制，集成基于開(kāi)關(guān)軌跡預(yù)測(cè)的斜坡補(bǔ)償電路，采用漸變頻率切換策略取代跳頻模式。在硬件架構(gòu)中，采用多級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)浣档蛦温冯娏鲬?yīng)力，主控芯片將動(dòng)態(tài)頻率指令通過(guò)光纖隔離驅(qū)動(dòng)模塊傳輸至功率器件，拓?fù)渲械拇偶杉夹g(shù)將高頻變壓器的漏感能量復(fù)用至諧振網(wǎng)絡(luò)，減少額外吸收電路需求[3]。

2.2 電池健康感知紋波抑制

深度融合電池電化學(xué)特性與電力電子調(diào)制技術(shù)，核心技術(shù)包括：多相動(dòng)態(tài)均流，采用4相并聯(lián)Boost-Buck電路，結(jié)合載波移相PWM與隨機(jī)脈寬分散技術(shù)，將紋波頻譜擴(kuò)散至非敏感頻段；內(nèi)阻在線辨識(shí)，在充電間隙注人1kHz以下的小幅交流擾動(dòng)信號(hào)，通過(guò)電壓響應(yīng)擬合電池微分阻抗譜；數(shù)字紋波抵消，基于自適應(yīng)LMS算法生成同頻反向紋波分量，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換注入電流反饋環(huán)路；熱應(yīng)力均衡，通過(guò)紅外成像模組監(jiān)測(cè)電池表面溫度分布，動(dòng)態(tài)調(diào)整各相電流占比抑制局部過(guò)熱。電力電子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比如表1所示。硬件實(shí)現(xiàn)中，紋波采樣采用 0.1% 精度 Δ- ∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，ADC），電流環(huán)控制帶寬拓展至 50kHz ；磁芯材料選用鐵基納米晶合金，配合3D打印散熱結(jié)構(gòu)，在同等體積下紋波衰減能力提升3倍。該技術(shù)已應(yīng)用于儲(chǔ)能電站梯次利用電池系統(tǒng)，有效降低老化率4。

2.3無(wú)線充電負(fù)載阻抗匹配

通過(guò)動(dòng)態(tài)參數(shù)整定突破空間能量傳輸瓶頸，有4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)： ① 雙向諧振頻率追蹤，發(fā)射端配置可調(diào)LCL網(wǎng)絡(luò)，接收端部署閉環(huán)式磁耦合系數(shù)觀測(cè)器； ② 數(shù)字可變電容矩陣，由64個(gè)GaN開(kāi)關(guān)控制的二進(jìn)制加權(quán)電容陣列，實(shí)現(xiàn) 0.1pF 級(jí)電容調(diào)節(jié)分辨率； ③ 無(wú)線參數(shù)回饋架構(gòu)，通過(guò)負(fù)載調(diào)制方式逆向傳輸阻抗信息，免除外置通信模塊； ④ 非線性抗偏移算法，基于橢球面磁場(chǎng)重構(gòu)模型的補(bǔ)償控制，30mm 偏移范圍內(nèi)效率下降低于 5% 。

硬件設(shè)計(jì)采用平面盤式雙D型線圈，配合鐵氧體屏蔽層將漏磁降低至 50μT 以下。阻抗匹配控制芯片集成快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）計(jì)算核，可在 200μs 內(nèi)完成全頻段諧振點(diǎn)掃描。此方案已通過(guò)QiV2.0標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，在金屬異物介入工況下實(shí)現(xiàn) 99.7% 的誤觸發(fā)抑制率。

3車-樁-云協(xié)同智能化集成

3.1數(shù)字孿生健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)建立充電模塊的數(shù)字孿生模型，可將物理設(shè)備的電氣參數(shù)（如IGBT導(dǎo)通壓降、電容等效串聯(lián)電阻）與熱力學(xué)參數(shù)（散熱片溫度、環(huán)境濕度）全維度映射到虛擬空間中。該模型以分鐘級(jí)頻度同步實(shí)際硬件狀態(tài)，通過(guò)高速控制器局域網(wǎng)CAN總線或光纖通信實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至云端。例如，針對(duì)車載充電機(jī)的功率模塊，孿生模型可捕捉冷卻液流量變化對(duì)器件結(jié)溫的影響趨勢(shì)，預(yù)測(cè)局部過(guò)溫風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在數(shù)字孿生平臺(tái)上構(gòu)建故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)，采用模式匹配而非機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將實(shí)時(shí)采集的電壓抖動(dòng)、高頻諧波畸變率等信號(hào)與歷史故障模板（如電解電容干涸、磁性元件飽和）進(jìn)行比對(duì)。硬件上集成寬頻帶電流傳感器與頻譜分析模塊，在 2MHz 帶寬內(nèi)捕捉細(xì)微異常特征，直接驅(qū)動(dòng)云端生成維護(hù)預(yù)警指令，無(wú)需依賴數(shù)據(jù)訓(xùn)練過(guò)程。

3.2 多充電樁并聯(lián)均流諧波抑制

采用主控-從控分層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流：主控按總負(fù)載分配目標(biāo)電流，從控依本地反饋調(diào)節(jié)PWM占空比。核心硬件含高線性度霍爾傳感器與低延時(shí)RS-485總線，指令延遲 lt;50μs 。負(fù)載突變時(shí)，用斜率補(bǔ)償與滯環(huán)控制抑制電流振蕩，如充電樁接觸電阻增大致電流跌落，主控提升其他模塊權(quán)重穩(wěn)總電流。并聯(lián)系統(tǒng)部署諧波檢測(cè)與反向注入單元，通過(guò)傅里葉分解提取中線諧波，生成反相信號(hào)疊加PWM波形抵消3次、5次諧波。硬件用多通道DAC與高速比較器構(gòu)建諧波合成電路，支持20倍基頻內(nèi)諧波抑制，可利用電源模塊冗余開(kāi)關(guān)器件降低成本。

4結(jié)論

文章明確了電力電子系統(tǒng)中電流紋波主動(dòng)抑制技術(shù)的多維度協(xié)同優(yōu)化路徑，構(gòu)建了基于多相動(dòng)態(tài)均流、內(nèi)阻在線辨識(shí)、數(shù)字紋波抵消與熱應(yīng)力均衡的集成控制架構(gòu)，突破了傳統(tǒng)方案因靜態(tài)參數(shù)配置導(dǎo)致的紋波抑制能力受限問(wèn)題。因此，汽車充電研究應(yīng)圍繞高精度傳感與低延時(shí)控制的核心矛盾，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)多頻段紋波幅相特征自適應(yīng)辨識(shí)算法，并深度融合邊緣計(jì)算與云端協(xié)同優(yōu)化能力，降低硬件系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)成本，以期在新能源車超充系統(tǒng)與規(guī)模化儲(chǔ)能場(chǎng)景中形成標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，推動(dòng)電能轉(zhuǎn)換技術(shù)向高效化、智能化方向迭代。

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（編輯林子衿）