PHEV车载蓄电池充电电路控制方法研究

葛雯

（西安铁路职业技术学院，陕西西安710026）

PHEV车载蓄电池充电电路控制方法研究

葛雯

（西安铁路职业技术学院，陕西西安710026）

车载充电器是给插电式混合动力汽车电池包充电的设备。半桥LLC谐振变换器在频率调制的方式下能够实现主开关管的零电压开通和副边整流二极管的零电流关断，能够降低开关损耗。用调频控制方法实现了PHEV车载蓄电池的恒流恒压充电。仿真及实验结果都表明，用调频控制半桥LLC谐振变换器的方法在PHEV车载充电电路中有很好的表现。

混合动力汽车；半桥LLC谐振变换器；车载充电器

1 引言

当今世界，石油资源过度消耗，环境污染日益严重，这两大问题直接威胁着传统汽车工业的可持续发展，使得国内外各大汽车制造厂商都在致力于开发新能源汽车。插电式混合动力汽车（PHEV）因其节能环保、技术成熟、成本相对较低等特点，已成为新能源汽车发展的主要方向［1、2］。充电器作为PHEV的能量补给设备，其与PHEV相生相伴，其性能的优劣直接影响着PHEV的行驶里程和车载蓄电池的寿命长短。因此，研究高效、便携的充电器的主电路及其控制方法就具有十分重要的意义。电池充电是一个非常复杂的过程，其复杂性主要表现在其多变量、非线性和离散性。影响磷酸铁锂电池充电特性的因素很多，如活性物质的活度、电池初始的荷电状态和温度、电池使用历史、电池极化情况及充电电流的大小等［3－5］。目前，磷酸铁锂电池常规的充电方式有恒压充电和先恒流再恒压充电两种。恒压充电对充电电压有严格要求，电压过低会导致电池充不满电，过高则会使初期充电电流过大。先恒流再恒压充电方式，在初期以恒定的电流充电，当端电压达到一定值时，改为恒压充电［18－20］。本文选用先恒流再恒压充电法。一般情况下，磷酸铁锂电池在SOC＝0.2时开始恒流充电，在SOC＝0.6时转为恒压充电，在SOC＝0.8时停止充电。

2 电路拓扑

半桥式LLC谐振变换器的主电路结构如图1所示。LLC谐振变换器结合了串联和并联谐振变换器的优点，可以在全负载范围内实现ZVS，而且具有很好的电压调节特性。主电路主要由方波发生器（由半桥逆变器构成）、串联电容Cr，串联电感Lr与并联电感Lm组成的谐振网络、高频变压器、整流电路、滤波网络等构成。

图1 半桥LLC谐振变换器主电路结构图

3 变换器电压增益特性分析

为简化分析半桥LLC谐振变换器的电路特性，本文利用基波分析法搭建半桥LLC谐振变换器的稳态模型，并在该模型的基础上对半桥LLC谐振变换器的各种特性进行分析。如将电路中的各种器件均看作为理想器件，则从图1可以看出变压器的原边电压就是谐振输出网络的输入电压，由于该电压是方波，故可以得到它的傅立叶级数表达式如下：

U0为输出侧的直流电压，ωs为开关角频率，ωs＝2πfs，uAB为变压器的原边电压。将电路进行等效后可得：

fs为开关频率，fr1为谐振频率，m＝Lm／Ls，f＝fs／fr1。

图2 谐振变换器的等效电路

由式（2）、式（3）可知，半桥LLC谐振变换器的直流电压增益与m、Q、f三个参数有关。

用Matlab画出变换器在不同Q值和不同m值下的直流电压增益曲线，如图3和图4所示。

从这两幅图可以直观地看出，各条增益曲线均在谐振频率fr处相交，表明在谐振频率处变换器的增益大小恒定，与Q值大小无关。每条曲线的增益大小都随着变换器工作频率的增大而先增大后减小。曲线存在一个拐点，在拐点处谐振回路的阻抗呈阻性。当工作频率小于拐点频率时，谐振电路阻抗呈容性，反之，谐振回路阻抗呈感性。变换器只有工作在大于拐点处的频率时，开关管才能实现ZVS。

Q值的大小直接影响到LLC谐振变换器的电压增益是否足够大。Q值小时电压增益大，Q值大时电压增益小。

图3 m＝4时电路直流电压增益曲线

图4 Q＝0.5时电路直流电压增益曲线

由于品质因数Q的值与负载有关，因此由上述曲线就可以明显地看出，Q值越大代表负载越轻，在此情况下谐振变换器要想得到与以前一样的电压增益值，就要降低谐振变换器的工作频率。所以，负载越轻时谐振变换器的工作频率越低。

在品质因数Q相同时，当m值越大时，谐振变换器的电压增益就会越小。这表明当输入电压较低时，LLC谐振变换器也许就不能得到想要输出的电压值，因此，若要获得与以前相等的电压增益值，谐振变换器就要增大它的工作频率的范围。反之，如果m值太小，因而使励磁电感值变小，从而使励磁电流值增大，进而使变换器的损耗增加。

4 变换器电流增益特性分析

上述增益曲线是在m不变的情况下、不同Q值下的电压增益曲线和在Q值不变的情况下、不同m值下的电压增益曲线，这对于充电器的恒压设计而言非常方便。然而，对于恒流情况下的充电设计而言，上述曲线无法表示固定电流的曲线。针对恒定输出电流改变输出电压的充电特性，能够用输出负载动态变化的充电过程来近似等效为充电过程。为了分析此种工作状态下的输出电流特性，可用的输出电流的传输函数如下：

当固定谐振参数仅改变负载的大小时，即仅品质因数Q值发生改变时，其电流传输增益曲线如图5所示（取n＝0.305，Lr＝0.46uH，Cr＝22.1uF，m＝4）。

由图5可知，当确定谐振参数后，负载的改变会引起品质因数Q值的改变，Q值越大，其最大增益越大。通过调整开关频率，可以使不同负载的输出电流增益相同。

图5 Q值变化时直流电流传输特性曲线

5 仿真分析

本文利用PSIM仿真软件对半桥LLC谐振电路进行仿真。输出侧的电流信号经过反馈电路反馈到原边，通过PI的调节改变变换器的工作频率，从而实现变换器的闭环仿真。

在SOC＝0.2到SOC＝0.6期间，对蓄电池采用恒流充电，充电电流为8.67A。这期间蓄电池的内阻变化为3.12Ω－2.98Ω。图6是蓄电池恒流充电时，充电电流和负载电压的波形图。

从图6中可以看出，随着充电的进行，蓄电池内阻逐渐减小，充电器输出的充电电流发生了明显的变化。

变换器不能同时工作在恒压特性和恒流特性下。当工作在恒流特性下时，输入阻抗呈容性，此时逆变器上的开关管不能实现零电压开通，会造成开关损耗；当工作在恒压特性下时，输入阻抗呈感性，此时逆变器上的开关管可以实现零电压开通。因此，在恒流阶段不宜将开关频率设定为恒流特性下的开关频率，在恒流阶段应使用调频控制，以使充电电流达到稳定。

图6 恒流充电时充电电流和负载电压波形图

对半桥LLC谐振变换器进行电流闭环PI调频控制，得到SOC变化时充电电流和频率调节的波形图如图7所示，充电电压和频率调节的波形图如图8所示。

图7 SOC从0.2变化到0.6过程中充电电流与开关频率波形

图8 SOC从0.6变化到0.8过程中充电电压与开关频率输出电压波形

在图7中可以看出，当对蓄电池进行恒流充电时，充电电流为8.6721A，在0.5s时，蓄电池的内阻发生变化，充电电流发生变化，由于谐振变换器采用了频率调制的控制方法，频率从24kHz变化到37kHz，经过短暂的调节，在0.7s时，充电电流恢复为8.6723A。

在图8中可以看出，当对蓄电池进行恒压充电时，充电电压为566.12V，在0.5s时，蓄电池内阻发生变化，充电电压发生微小变化，说明所设计的谐振参数使得电路自身的恒压特性很好，只需微调开关频率就可以实现充电电压的恒定。

6 实验分析

利用TMS320F2812的DSP芯片开发平台搭建PHEV车载蓄电池充电器的实验电路。分别用22Ω、17Ω、15.3Ω、12Ω的电阻模拟SOC＝0.2、SOC＝0.6、SOC＝0.8和SOC＞0.8时电池组的内阻。其中，输入电压为67V，谐振频率为30kHz，恒流充电时的充电电流为2.3A，恒压充电时的浮充电压为36V。

图9 恒流充电时的充电电流和输出电压波形

如图9所示为开环情况下（开关频率固定为19.39kHz）充电电流和输出电压波形图，当SOC＝0.2到SOC＝0.6时，为恒流充电阶段。随着充电的进行，蓄电池的内阻发生变化，此时的电流由2.22A变化到2.76A。在负载电阻变化了5Ω后电流变化了0.54A，还需要调频控制电路合理控制蓄电池的充电电流。

如图10所示为调频控制下的充电电流、输出电压和开关频率的波形图。从图中可以看出，随着充电的进行，电池的内阻发生变化，此时调节开关管的频率从18.08kHz变化到20.43kHz，可以保持2.32A的充电电流不发生变化，说明所设计的PHEV车载蓄电池充电器在恒流充电阶段能很好地起到恒流充电的效果。

图10 调频控制下的充电电流和开关频率波形图

如图11所示为调频控制下的充电电压、输出电流和开关频率的波形图。从图中可以看出，随着充电的进行，电池的内阻发生变化，此时调节开关管的开关频率从20.43kHz变化到20.54kHz，充电电压可以保持36V不发生变化，由于LLC谐振拓扑本身具有很好的恒压特性，只需要对工作频率进行很小的微调就可以保持充电电压的恒定，所以，在图6－4中随着蓄电池内阻的变化，其充电电压微调处的波形变化并不明显。以上情况表明，所设计的PHEV车载蓄电池充电器在恒压充电阶段能够起到很好的恒压充电效果。

图11 调频控制下的充电电压和开关频率波形

7 结束语

半桥LLC谐振变换器在频率调制的方式下能够实现主开关管的零电压开通和副边整流二极管的零电流关断，能够有效降低开关的损耗。本文将半桥LLC谐振变换器用于PHEV车载蓄电池充电电路，并通过理论研究、仿真及实验验证了半桥LLC谐振变换器具有很好的恒压和恒流特性。对半桥LLC谐振变换器进行调频控制就可以达到PHEV车载蓄电池恒流恒压充电的目的。

［1］陈清泉，孙迎春，祝嘉光.现代电动汽车技术［M］.北京：北京理工大学出版社.2002.1－4.

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［4］Deepak S Gautam.An automotive on board 3.3kW battery chargerforPHEVapplication［J］.IEEETransactions，2012.

［5］胡信国，王殿龙，戴长松，等.动力电池技术与应用［M］.北京：化学工业出版社，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