新能源汽车双向全桥LLC变换器的设计与研究

0 引言

新能源汽车以其零排放的绝对优势，成为近几年国家发展的重要战略部署。然而，新能源汽车电池存在动态响应较慢的缺点。当在车辆制动时无法快速地回收能量

。双向DC-DC变换器搭配控制电路及超级电容组成的储能系统可以很好地弥补这一不足。双向DC-DC变换器在系统中承担能量传递的作用。在汽车刹车过程中，所产生的再生电能将通过双向DC-DC变换器为系统中的超级电容提供电力。这一方案很好地解决了新能源汽车动态响应慢的缺陷，对于新能源汽车的发展具有重要的经济效益

。

传统的双向DC-DC变换器的开关管大都处于硬开关状态，致使储能系统的损耗增加，极大程度的降低了整机效率

。能量损耗低的特点在相关文献中被证实

。研究发现，双向全桥LLC拓扑具有电能双向流动和软开关范围大的特点。因此，本文将以双向全桥LLC电路为基础对新能源汽车的变换器进行设计与研究。

1 原理介绍与分析

1.1 拓扑结构分析

图1所示为双向全桥LLC变换器的拓扑结构图。变换器的拓扑结构包括开关网络、谐振网络与整流网络三个组成部分。并且，根据电流的流动方向，可将行变换器分为正向与反向两种工作模式

。本文针对现有LLC电路的拓扑结构进行了优化设计。将现有方案中的不可控整流二极管采用可关断的全控型器件进行代替，同时，在变换器的输入端并联一个与原励磁电感相同的电感。

③收益增加额减去项目总投资额后，第一年项目产生经济效益为804万元-527.43万元=276.57万元。

由图1可以看出，当左侧的全桥网络运行在逆变状态时，右侧的全桥结构将运行在同步整流状态

。使得双向全桥LLC电路无论位于正向或反向工作模式下均处于谐振变换状态。这一优势能够在分析拓扑电路时，均可按照单向LLC电路的工作模式进行分析。更重要的是，无论正向或反向工作模式下的控制策略相同，极大地简化了系统的控制策略及控制算法

。

从本质上来讲，智能电网是在传统电网的基础上叠加一个信息化的网络，实现电网本体和信息深度融合，实时掌握发电侧和用电侧的信息，实现电力电量实时平衡。

1.2 基波近似分析

本节基波近似法对变换器正向与反向运行状态进行数学建模。首先针对正向工作模式进行分析。

扩展描述函数法能够实现拓扑电路的时域与频域分析。本节将采用此方法构建连续时间的线性小信号模型。分析可知，对于正反向工作模式都可简化为单向进行分析。因此，可将变换器简化为全桥LLC变换器进行分析。全桥LLC等效电路如图2所示。

(1)

同理，将输出阻抗

等效到交流侧，近似认为

2

两端电压为正弦波。同样对

进行傅里叶分解后，如式(2)所示。。

(2)

同理，反向工作模式下的分析流程与正向工作模式相同。同样按照前文计算方法可以得到反向工作模式下的直流增益函数：

(3)

对比正向与反向模式下的直流增益函数可见，由于

1

=

2

，当

1

=

2

时，两个模式下的直流增益函数相同。

运用Matlab软件，可以得到7阶传递函数：

(4)

结合图1，基于基尔霍夫定律可以得到正向工作模式下直流增益的传递函数：

(5)

将传递函数中

采用

代替，

=2

，

=5，

=2。采用Mathcad 软件可得到正向工作模式下的直流增益曲线。

这里将交流等效阻抗

2

视为纯电阻，则流经

2

的电流将为正弦特征，记作

2

(

)=

sin(

)，则

(6)

2 闭环变换器设计

2.1 数学建模

将图1中双向全桥LLC电路进行简化并取正向工作模式进行分析。在全桥结构中，开关网络逆变后的电压

是一个幅值为

的方波，且方波正向的起始时刻为0。对

进行傅里叶分解后，如式(1)所示。

基于图2，运用基尔霍夫定律获取状态方程。可以得到谐振网络电压如下式所示。

我非常纳闷，经理解释公司高层先前商量一致决定推选沙莉升职，因为她懂得体贴客户，人性化地扩展业务，后来出现绯闻意外，通过人事部调查证实沙莉是无辜的。

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(7)

式中，当

>0时，sgn(

)=1，当

<0时，sgn(

)=-1。

该地区近期构造运动强烈频繁，新构造运动既起了加深以往构造变动的作用，并产生了一些新的构造形态。通过新构造运动，最后形成了境内之全貌。

同时，得到谐振网络电流：

(8)

变压器原边电压：

(9)

式中，

=2

；

=2

2；

为积分环节的增益。采用 Matlab 软件的 sisotool 工具可以实现闭环控制网络的设计，并得到系统补偿网络传递函数

(

)如下式所示。

强化品牌意识，加大策划包装力度，大力宣传洮北区“雪寒”韭菜、镇赉县“杏花村”大葱、洮南市“福胜”蔬菜、大安市“太山”黄姑娘、“白城”香瓜等棚膜产品品牌，以品牌效应发展优势产业、开拓产品销售市场。

(10)

输出电压：

(11)

2.2 闭环变换器设计

基于2.1节分析，可以得到双桥LLC变换器的小信号模型，基于小信号模型，可以得到系统的传递函数。本节将结合具体的电路参数对控制环路进行设计。

表1 所示为电路参数表。将数值带入，可以得到开环控制函数。

（2）合同对结算方式要求不明确，结算可调部分规定不明确，如人工、材料调差未明确细化的要求，造成结算扯皮。

(12)

为保证开环系统的频率特性实现闭环响应特性，在连续域内需要对系统添加一个三极点-双零点(3P2Z)的补偿网络。该网络在连续域内的传递函数

(

)如下式所示。

(13)

变压器副边电流：

(14)

系统经补偿校正后的开环传递函数为

(

)与

(

)的乘积，即

(

)=

(

)

(

)。对比结果显示，添加补偿网络之后，频响的幅值裕度为-19.3dB，相位裕度为88.9度。变换器系统的频域响应得到明显改善，并且能够满足开关电源补偿网络的设计要求。

3 仿真实验

仿真过程中元件的电器参数按照表1进行设置。并且，为了能够准确模拟系统电路的工作状态，在电感

一侧添加串联电阻ESL。同时，在滤波电容

下侧添加串联电阻ESR。考虑到模拟输出负载的变化，在输出电阻

下面串并联一个开关

和电阻

。当开关打开时，对应输出电阻为

。当开关断开时，对应输出电阻为

+

。

补偿器能够将输出电压

和基准电压

(48V)输入到补偿网络当中。然后补偿器将补偿校正后的结果进行输出。输出后的控制量Δ

通过加法器与初始开关频率值

进行求和。框2部分为压控振荡器(VCO)。由于PSIM软件当中没有现成可用的VCO模块，而双向全桥LLC电路具有变频控制的需求。因此，本文采用硬件搭建进行补充。VCO是由一个外部可复位积分器与比较器两个元件构成。其中，可复位积分器能够接收外部的控制信号来对积分进行复位。当复位信号为高电平时，积分器的输出将被置为零。积分器能够将补偿器输出的数值

进行积分后，与比较器的反向输入端(1)进行比较。即可获得一个上升斜率为开关频率

的锯齿波。并且，得到的锯齿波周期为1

。由此可以将电压信号转化为频率信号。

准确移取10.00 mL超市购买的果酒和果醋于不同的50 mL容量瓶中，加入超纯水定容，超声波清洗器脱气5 min，经0.45 μm滤膜过滤待测。

框 3 部分为 PWM 模块。在压控振荡器 VCO 输出的锯齿波通过比较器之后，PWM 模块能够将信号分解成一对互补的、带有死区时间的、占空比为46%的PWM信号 PWM1a 与PWM1b。分解之后的信号分别作为开关管 Q

、Q

及 Q

、Q

的门极驱动信号。

图5所示为输出负载跳变时的输出电流

波形图和电压

波形图。当可关断开关管

以1kHz跳变时，对应的输出电阻也将随之跳变。同时，输出电流将从满载跳变到轻载。但是由于系统设置了电压控制环路，随着输出负载的跳变，输出电压很快会恢复到额定输出的48V。经测量，输出电压交流峰的峰值为

-

=0.19V。完全能够满足电压纹波系数≤ 0.5%的设计要求。

如图2所示，矿区内出露地层为寒武系黄洞口组中段(∈h2)和上段(∈h3)，是一套浊积碎屑岩，岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、细砂岩等，为矿区内金矿体的围岩，其金、银元素丰度值分别为地壳平均值的4～5倍和17倍。

输出电压与输出电流测定之后对双向LLC变换器开机过程中输出电压的波形进行测量。经测量，变换器的动态性能指标如下：延迟时间

=0.118ms，上升时间

=0.134ms，峰值时间

=0.297ms，调节时间

=0.689ms，超调量σ%=14.4%。可以看出系统的稳态误差较小，进而可以验证所设计的硬件控制环路系统有着良好的稳定性和动态性能。

4 结束语

本文针对双向全桥LLC变换器进行了设计与研究。对现有的双向全桥LLC变换器进行了优化，提出了一种新型的拓扑结构。运用扩展描述函数法对变换器进行数学建模，得到了小信号动态模型，并利用得到的小信号模型进行了电路控制环路设计。基于PSIM软件搭建仿真实验平台，对本文涉及进行了仿真实验。仿真结果验证了本文设计的可行性与稳定性。本文方案为新能源汽车变换器设计提供了新的方法与思路，对于新能源汽车的发展具有重要的实际工程意义。

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