车载充电机PFC AC/DC变换器的非线性功率控制

曹灵灵，李红梅

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

车载充电机PFC AC/DC变换器的非线性功率控制

曹灵灵，李红梅

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

在电动汽车车载充电机系统中，前级PFC AC/DC变换器多使用电解电容作为输出电容，但电解电容的故障率高且寿命低，直接影响车载充电机的安全可靠运行。采用增大输出电容电压纹波的方法减小电容容量，以便于使用薄膜电容取代电解电容；同时为了降低低频电压纹波对PFC AC/DC变换器动静态性能的影响，提出基于微分平坦理论的非线性功率控制方案，并针对2 kW PFC AC/DC变换器完成系统建模与仿真，通过与传统设计方案的对比证明新型非线性功率控制方案的技术优势。

车载充电机；PFC AC/DC变换器；薄膜电容；微分平坦；非线性功率控制

当代高新技术迅猛发展，但能源日趋紧张，环境问题也日益突出，电动汽车凭借其节能和环保特性，已经成为汽车研究和发展的热点之一［1］。车载充电机提供了电网与电动汽车动力电池直接联系的接口，为了满足相应标准，该充电机必须具有功率因数校正（power factor correction，PFC）功能。在两级结构车载充电机中，前端PFC AC/DC变换器将电网的交流电转换成直流电，并确保车载充电机接入电网后不会对电网侧的电能质量产生负面影响［2］。前级PFC AC/DC变换器多采用Boost电路拓扑及电流内环和电压外环相结合的经典双闭环控制策略，其输出电容多采用体积小、容量大的电解电容［3］，但电解电容的寿命较短，直接影响车载充电机的安全可靠性。

与电解电容相比，薄膜电容具有更高的耐压、耐流能力及可靠性，然而，相同容量和耐压等级薄膜电容的体积是电解电容的3倍左右，如要保证引入长寿命的薄膜电容不致引起变换器体积过大，则必须减小薄膜电容的容量［4］。电容容量的减小会导致PFC AC/DC变换器输出电压纹波增大，引起其输入电流的畸变及功率因数的下降。为了抑制输出电压纹波对系统的影响，变换器电压外环带宽通常小于10 Hz，鉴于车载充电机工作于较大的负载变化范围，低带宽电压外环将导致系统动态响应迟缓。

近年来提出的基于微分平坦理论的PFC AC/DC变换器功率控制方法，通过控制输入功率跟踪参考值，间接实现功率因数校正，其系统输入功率控制轨迹的生成不依赖于系统输出电压，因此无需考虑纹波电压过大引起的输入电流畸变问题，可实现系统动态性能的有效提升并且实现AC/DC变换器的输出电压可以自适应跟随负载功率的瞬时变化而变化［5］。

为此，首先采用增大输出电容电压纹波的方法完成薄膜电容的选型，进而提出基于微分平坦理论和负载需求相结合的PFC AC/DC变换器非线性功率控制策略，旨在实现车载充电机安全可靠运行的同时，兼顾PFC AC/DC变换器动态性能提升。

1　电解电容和薄膜电容选型

1.1电解电容选型

经典双环控制的PFC AC/DC变换器为了抑制输出电压纹波对输入电流和电网的谐波干扰，电解电容选型时必须考虑它的吸收电压纹波能力。针对额定输出功率Po为2 kW的车载充电机，设计PFCAC/DC变换器输出电压Vo为385 V，输出电压纹波ΔV取2.3%Vo，则电解电容Co的计算公式为

式中：fL为电网频率。

电解电容耐压值的确定由其承受的最大电压决定，其表达式为

选择额定电压为450 V、容量为990 μF的电解电容，采用3只容量为330 μF/450 V的EPCOS B41252电解电容并联，单个电解电容在10 kHz时ESR为20 mΩ，105℃时寿命不高于2 000 h，直径为30 mm，高为50 mm。

1.2薄膜电容选型

若使用薄膜电容代替电解电容，选型依据与电解电容相同，根据厦门法拉电子公司提供的薄膜电容参数表，采用3只380 μF/450 V的C3A电容并联使用，单个薄膜电容在10 kHz时ESR为0.8mΩ，105℃时寿命高于10000h，直径为84.5mm，高65 mm。

采用增大输出电容电压纹波的方法减小电容容量时，鉴于薄膜电容的耐峰值电压能力为额定耐压值UN的2倍，仍选用UN为450 V的薄膜电容，则变换器的最大允许输出纹波电压为

按照式（1），电容容量最小值可选为127 μF，实际选择容量为170 μF、额定电压为450 V的C3A薄膜电容，其ESR为0.5 mΩ，105℃下寿命大于6 000 h，直径为84.5 mm，高为41 mm，与电解电容的体积相比具有一定的优势。

2　PFC AC/DC变换器非线性功率控制

基于微分平坦理论的PFC AC/DC变换器输入功率控制的主要思想是：假定系统稳定运行时输入功率因数为1，供给负载直流功率为Po，则系统瞬时输入功率可表示为

式中：vin,Pin分别为变换器输入交流电压和瞬时输入功率；Vin为变换器输入交流电压幅值。

假设根据电池的典型充电特性［5］计算出来的系统输出功率参考值为Pref，则系统输入功率参考值yd可表示为

按照式（5）生成PFC AC/DC变换器的输入功率参考值，控制系统输入功率跟踪yd，即可实现单位功率因数校正［6］。

考虑到PFC AC/DC变换器运行时存在损耗，为此，论文提出基于微分平坦理论和负载功率需求相结合的PFC AC/DC变换器的非线性功率控制策略，系统控制结构图如图1所示。

图1　PFC AC/DC变换器的非线性功率控制结构图Fig.1　Nonlinear power control structure diagram of PFC AC/DC converter

系统主电路为传统的Boost变换器，文献［5］已证明其为微分平坦系统，理想状态下，其输入电流的表达式为

式中：L为Boost主电路电感值；D为占空比；iin为PFCAC/DC变换器瞬态输入电流。

微分平坦系统的前馈控制量为

考虑输入干扰、模型误差和参数不确定性，引入误差及误差的积分作为系统的反馈补偿，则有

根据李雅普诺夫函数和Barbalat引理在非自治系统稳定性分析中的应用［8］，可获得占空比的表达式为

为了实现自适应实时负载功率需求的车载充电机PFC AC/DC变换器的非线性功率控制，设计了系统输入功率参考值生成模块，如图1所示。该模块由系统实际输出功率计算和输入功率参考值生成两部分组成。输出功率计算由误差比较器、PI调节器和加法器3部分组成，误差比较器输出系统实际输出功率与输出功率参考值 Pref之间的误差，经PI调节器输出再和Pref相加，获得系统输出功率参考值 yo，其表达式为

结合式（5）可获得输入功率参考值表达式为

3　系统建模与仿真

利用Matlab/Simulink建立了非线性功率控制的PFC AC/DC变换器系统仿真模型，如图2所示，其主要参数如下：输入交流电压Vin为180～240 V，电网频率fL为47～65 Hz，输出直流电压Vo=385 V，输出额定功率Po=2 kW，开关频率fs= 133 kHz，效率η＞93%，升压电感L=0.5 mH，薄膜电容Co=170 μF。由于充电机主要工作在恒流状态，用纯阻性负载模仿电池恒流充电。

图2　仿真模型Fig.2　The model of simulation

为了证实所提出的PFC AC/DC变换器非线性功率控制的优越性，将其与基于经典双闭环控制的PFC AC/DC变换器进行性能对比研究，经典双闭环控制的PFC AC/DC变换器主要参数见文献［3］。

图3和图4为输出功率分别为2 kW和1.7 kW时，不同控制策略下的变换器输入电压和电流波形，系统仿真结果表明：基于微分平坦理论和负载功率需求相结合的非线性功率控制的PFC AC/DC变换器，可以获得更高的功率因数，能够满足车载充电机PFCAC/DC变换器设计要求。

图3　2 kW时输入电压和电流波形Fig.3　Input voltage and current waveforms of 2 kW

图5为不同控制策略下变换器输出电压动态，初始负载功率为1.7 kW，0.2 s时负载突加到2 kW，可以看出，所提出的PFC AC/DC变换器非线性功率控制策略具有较快的启动和动态性能，且由于变换器是根据输出功率控制的，恒流充电时其输出电压是随着输出功率的要求而变化，而传统双环控制方法中，低带宽的电压外环使得系统调节时间较长。

图4　1.7 kW时输入电压和电流波形Fig.4　Input voltage and current waveforms of 1.7 kW

图5　不同控制策略下PFC AC/DC变换器的输出电压动态Fig.5　Output voltage dynamic of PFC AC/DC converter at different control strategies

4　结论

采用增大输出电容电压纹波的方法降低输出电容容量，完成薄膜电容取代电解电容的选型工作，并在此基础上提出了基于微分平坦理论和负载功率需求相结合的PFC AC/DC变换器非线性功率控制策略。系统仿真结果表明：所提出的PFC AC/DC变换器整体设计方案，不仅实现了在同等功率密度下变换器可靠性的提高，而且具有更高的功率因数和更好的动态响应特性。此外，鉴于PFC AC/DC变换器输出电压可自适应于负载功率的变化，有利于解决后级DC/DC变换器在轻载运行时因占空比过小而引起的环流损耗增大问题。

［1］朱光欢.电动汽车车载充电机及其相关技术研究［D］.广州：华南理工大学，2011.

［2］马暖.开关电源的APFC电路的设计与研究［D］.兰州：兰州大学，2012.

［3］王源卿，李红梅.电动汽车车载充电机PFC AC/DC变换器设计［J］.电子技术应用，2015，41（2）：152-155.

［4］潘启军，黄垂兵，邓晨，等.电解电容与薄膜电容的对比分析［J］.海军工程大学学报，2014，26（2）：5-9.

［5］Akira T，Hiroshi T，Kazuhiro S，et al.AC/DC Converter Based on Instantaneous PowerBalance ControlforReducing DC-link Capacitance［C］//The 2014 International Power Electronics Conference，2014.

［6］Majid P，Pritam D，Josef D，et al.A New Control Approach Based on the Differential Flatness Theory for an AC/DC Converter Used in Electric Vehicles［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（4）：2085-2103.

［7］蒲天骄，张昭，于汀，等.微分平坦理论及其在自动发电控制中的应用［J］.电力系统及其自动化学报，2014，26（12）：21-27.

［8］闵颖颖，刘允刚.Barbalat引理及其在系统稳定性分析中的应用［J］.山东大学学报，2007，37（1）：51-55.

Nonlinear Power Control of PFC AC/DC Converter in On-board Charger

CAO Lingling，LI Hongmei
（School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China）

In the On-board charger system of an electric vehicle，electrolytic capacitors are used on the output side of front-end PFC AC/DC converter.Since electrolytic capacitors are of high failure rate and life-limited，they directly affect the safe and reliable operation of on-board charger.Therefore，the voltage ripple of output capacitor was increased to reduce the capacitance so that the film capacitors could be used，moreover，a novel nonlinear power control scheme based on the differential flatness theory was proposed to reduce the effect of low-frequency voltage ripple on the dynamic and steady-state performance of PFC AC/DC converter.The whole system modeling was finished and simulation results from a 2kW AC/DC converter were presented，the superiority of the proposed nonlinear power control scheme is proved though comparing with the conventional controlled PFC AC/DC converter.

on-boardcharger；PFCAC/DCconverter；filmcapacitors；differentialflatness；nonlinearpowercontrol

TU 411.01

A

2015-08-04

修改稿日期：2016-04-21

曹灵灵（1990-），女，研究生，Email：1076606109@qq.com