组合混联式充电电源及其功率均分策略研究

为适应大容量和模块化充电电源发展的需求，提出一种基于串并混联结构的充电电源，它由4个改进的移相全桥电路模块构成。该充电电源采用先恒流后恒压的两段式充电方法，控制器则采用电流环和电压环并联切换的结构，同时引入一种外环控制加平均电流的功率均分策略，并根据频域分析法设计了均流和均压控制器。最后，设计了一套2并2串的实验样机。实验结果表明，采用该充电电路拓扑和控制策略，输出电流和电压的不均衡度均小于5％，很好地验证了分析及设计的正确性。


1引言

开关电源系统采用串并混联结构，具有可靠性高，冗余配置，模块特性好等特点，便于系统管理和维护。但混联结构的电源模块之间需采取均流、均压措施，以保证输出电流和电压在各模块之间均衡分配。均流技术分为下垂法和有源均流法，有无均流母线是两者的根本区别下垂法仅适合小功率应用。而有源均流策略实际上包含控制方法和均流母线的形成方法。控制方法有外环控制（OLR）、内环控制和双环控制；均流母线的形成方法包括平均电流（BAP）法和主从（MS）法。其中MS法包括指定主模块法和自动选主法。在此设计的充电电源系统采用改进的移相全桥变换器及OLR+BAP法的功率均分策略，有效解决了电源模块的功率均分问题。

2串并混联式充电电源拓扑

介绍四模块串并混联结构框图如图1所示。先将模块1～4分别串联，然后再将两串支路并联组成四模块的混联结构。

单模块电路如图2所示，其主电路在传统移相全桥ZVS变换器的变压器初级加了两个箝位二极管VD7和VD8，可有效抑制变压器次级整流二极管的高频振荡，减小电压反向恢复尖峰。

3外环控制加平均电流功率均分策略

3.1均流策略

采用OLR+BAP法的功率均分策略，其控制电路如图3所示。当UI=Ub时，R两端电压Uab=0，则Uc=0，实现均流。当有均流误差时，U1≠Ub.Uab≠0，则均流调节器输出Uc≠0，其通过控制电压误差放大器控制功率级的输出电流，最终实现均流。

3.2控制器的设计

主电路参数为：输入电压Uin=520 V，输出电压Uo=80 V，变压器初、次级匝比n=7：7：24，谐振电感Lr=20μH，输出滤波电感Lf=100μH输出滤波电容G=30μF，开关频率fs=50 kHz，电压采样系数Fv=0.037 5，电流采样系数Fi=0.087 5. 3.2.1电压环的设计在设计电压环时，不考虑均流环对电压环的影响，只要均流环的截止频率远离电压环的截止频率，均流环对电压环的影响很小，就可将其影响忽略。电压闭环控制框图如图4所示。

移相全桥电路占空比对输出电压传递函数：

图5为电压环校正前后波特图。系统开环传递函数波特图如图5虚线所示，可知系统存在很大稳态误差，需引入补偿网络，在此选择PI控制器。

由式（2）可见，被控对象是一个二阶系统。滤波器的转折频率。在设计PI控制器的参数时，将PI控制器的零点设置在滤波器的转折频率处，有；fz=Ki1/（2πKp1）=fn=2.91 kHz，Kp1，Ki1分别为PI控制器的比例和积分系数。在确定补偿后的穿越频率fc时，应在系统稳定性与系统动态响应间进行折中处理。在此选择fc=fn/10=291 Hz.补偿后电压环开环传递函数为：

根据所设计的PI控制器，可得到图5中实线所示系统校正后的波特图。由图可见，校正后系统的相位裕度为90.3°，fc=292Hz，系统的稳态性得到明显改善。


3.2.2均流环的设计

根据图4可构建图6所示用OLR+BAP法的控制框图。由图可得均流环的开环传递函数为：

图7为均流环校正前后波特图。系统被控对象的波特图如图7中虚线所示。由图可知，系统存在较大的稳态误差，且响应速度较慢，需设计校正环节。为了尽量减小均流环对先前设计好的电压环的影响，同时由于对均流环一般动态响应要求不高，取电流环穿越频率ωc‘=12.6 rad.s-1.为满足电流环对直流母线低频干扰的抑制，PI校正环节的转折频率ωm’=126 rad.s-1，则有：

代入已知参数，得Kp2=0.0857，Ki2=37.28，有：

由图7中实线可知，均流环的穿越频率为43.7 rad.-1，两环之间不会相互影响。相位裕度为94.5°。说明均流环是稳定的。

串联为并联的对偶问题，其均压策略与并联均流策略相同。采用与均流控制器相同的设计方法可获得均压控制器，其电流和均压补偿器分别为：

4实验结果

该系统采用状态总线对串并混联各模块的运行状态进行同步。充电电源采用电压缓起，当输出电压达到蓄电池初始端电压时，系统对蓄电池进行充电电流缓起，电流升至设定值后进行恒流充电。当系统检测到输出电压达到设定的充电截止电压时，状态总线强制各模块同步转为恒压充电。在恒流充电过程中，均压控制器对两组串联模块进行均压控制；在恒压充电过程中，均流控制器对各并联支路进行均流控制，从而保证在充电过程中各充电电源模块功率均分。

图8示出四模块串并混联充电电源带电池负载的输出电流和输出电压稳态波形。由图8a可知，两并联支路输出电流大小分别为16.1 A和15.5 A，电流不平衡度为3.8％；由图8b可知，串联模块输出电压大小分别为43.6 V和42 V，电压不平衡度为3.7％。

5结论

在此提出一种基于串并混联结构的充电电源。该系统采用了改进的移相全桥电路和外环控制加平均电流法的功率均分策略，从而保证了输出功率在各模块之间均衡分配。实验结果证明了分析及设计的正确性，电流和电压不平衡度均小于5％，满足国家相关标准。

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