1引言

随着电池技术和电动汽车的发展，大功率充电机的需求日益迫切。要做到大功率有两条途径：提高单台充电模块的容量；用现有功率的充电模块通过并联方式提高电源容量。一味提高单体模块的输出容量，不但会降低模块的稳定性和可靠性，而且应对不同功率等级需求的灵活性较差^[1-2]。通过对比发现，第二条途径是切实可行的，只要采取可靠的并联控制技术，就可以使并联充电模块工作于稳定状态。

多个充电模块的并联控制技术存在一个关键问题，即是各个模块间的电流平均分配问题。如果无法保证各个并联充电模块间负载电流的平均分配，必将使某些模块的输出电流较大，而另外一些输出电流较小，甚至不输出。这会导致分担电流多的模块电力电子开关器件的热应力增大，降低了系统的可靠性^[3]。

目前，在并联的充电系统中，实现均流控制常用的技术有：输出阻抗法^[4]、主从设置法^[5]、最大电流均流法和外加均流控制器均流法^[6-8]等。对于并联系统而言输出阻抗法属于电压和电流开环控制，动态响应效果差，故实际均流效果不理想。最大电流均流法例如基于UC3902均流芯片的最大电流自动均流法^[9]，该方法不仅增加了均流控制器的成本，而且在大功率输出环境下，因其电磁干扰非常严重，均流效果也不好。

在大功率输出强电磁干扰的场合下，上述均流方法的效果都不太理想。本文提出的均流控制采用低阻抗，高抗干扰性的数字总线，因此在强电磁干扰环境下同样适用，该策略基于主从模式，首先分析了充电模块的均流特性和电池特性，根据控制性能要求建立电压外环电流内环的双环控制结构，然后对不同充电阶段设计了相应均流策略，最后用输出功率10kW的充电模块进行了充电实验，实验结果表明提出的并联均流策略能够有效均分充电模块输出电流，满足系统电流不平衡度小于5%的要求。

2充电模块均流特性

所示。

图1  充电模块拓扑结构图

 

由图1，列出模块dq模型：

式中，e_d、e_q ---电网电动势矢量E_dq的d、q分量；

v_d、v_q---三相VSR交流侧电压矢量V_dq的d、q分量；

i_d、i_q---三相VSR交流侧电流矢量i_dq的d、q分量；

p---微分算子。

相对于蓄电池组，充电模块可以视为一个恒压源或者恒流源，因此一般将充电模块等效为一个理想电压源和一个电阻串联的方式，两个充电模块并联等效电路如图2(a)所示。

均流控制的实质是最大化地减小模块间的环流。并联时，充电模块输出电流不平均的根本原因是充电模块参数的不一致，每个充电模块都有其相应的输出特性曲线，因而虽然设定同样的输出电压参数，各个充电模块实际输出电压不相同。充电模块的输出电阻非常小，因此两个模块间即是很小的电压偏差也会造成较大的环流。图2为两个充电模块并联工作时的等效电路及其外特性曲线。

      
 

                                  (a) 并联等效电路                             (b) 输出外特性

图2 两个充电模块并联均流原理图

 

3基于主从模式的均流策略设计

3.1电池充电特性研究

针对不同充电阶段的控制目标制定控制策略和均流策略，需要结合电池充电特性。本策略是以锂电池为充电对象进行设计的，结合锂电池特性，绘制了相应的充电曲线图，如图3所示。

恒流充电阶段，电池实际电压和恒压充电电压相差较大，为了控制电流不超过预设的充电电流值，而又尽可能快地过渡到恒压充电阶段，所以此阶段控制目标为直流侧电流，充电电流应稳在某一设定值。随着电池电压上升，进入恒压充电阶段后，系统充电策略的控制目标切换为直流侧电压，充电电压需要稳在电池额定充电电压直至充电结束。

图3 充电曲线图

 

3.2均流控制实现

在系统设计中加入了主模块，主模块实现电压环的功能，主模块均流环输出I^*_o1通过CAN总线发送给每个充电模块，作为充电模块电流内环的给定，通过下面介绍的策略就可以直接控制直流侧电流，从而也起到了均流作用，控制框图如图4所示。

图4 充电模块控制框图

 

如图4结构所示，当充电机恒流充电时，主模块将充电机输出总电流除以并联模块数并通过CAN总线发送给各个充电模块作为I^*_o，同时发送的还有充电模块恒流充电时的限压值U^*_s，即是恒压充电时的电压设定值；当充电机恒压充电时，主模块将充电机输出总电压设定值U^*_o与反馈值U_o经过PI运算后的值除以并联模块数并通过CAN总线发送给各个充电模块作为I^*_o1，同时发送的还有充电机输出总电压设定值。为了保证充电模块电压环失效，主模块电压环有效，充电模块需要将充电机输出总电压设定值加合适的裕量后作为其限压值U^*_s。

总之，不同阶段主模块会采取相应的策略使充电模块电压环饱和，从而主模块闭环输出I^*_o1有效，作为电流内环参考输入，同时充电模块电压外环又不会完全失效，而要起到限压保护作用。

3.3均流控制系统设计

由于针对不同充电阶段的均流策略和主模块的引入，充电模块从电压源转变为电流源，有别于图2(a)所示，其控制目标由电压转换为电流，这样每个从模块只需要做好自己的电流闭环控制，就能达到良好的均流效果了。因为整个充电系统的电压控制目标由主模块负责，所以恒压和均流两方面性能要求都可以得到满足。

(1)电流内环控制器设计

为了保证系统具有快速的动态响应，在保证系统稳定的前提下，电流内环的穿越频率要大于电压外环的穿越频率，而且越大越好，但是不能引起次谐波震荡。

 

图5 电流内环简化结构图

 

 图5中的为电流控制器，为控制对象传递函数，

表示电流采样延时和PWM控制的惯性特性，K_PWM为PWM开关管增益，T_s为控制周期。由图5可以得出电流内环闭环传递函数：

选取合适的阻尼系数 ，根据式(3)，计算得到PI控制器的比例参数和积分参数：

电流内环控制器各参数实际取值为：R=0.1Ω，L=0.004H，T_s=0.0001s，K_PWM=1，τ_i=L/R=0.04。

图6为带入实际参数后的电流内环波特图，可见，相角裕度为72.6°，幅值裕度为10.8dB，截止频率在10kHz附近，因此电流内环稳定，由于选取了合适的阻尼系数，电流内环的动态响应快。

图6 电流内环波特图

 

 

(2)均流环控制器设计

主模块采样直流侧电压，均流控制器通过运算得到调节量I^*_o1，再经过CAN总线发送至所有充电模块，作为电流内环的输出给定值，采用2.2节所述策略，保证所有充电模块的电流内环给定相同，从而起到均流效果。为方便分析设计均流控制器，在此将均流环和电流内环整合在一起，结构图如图7所示。

 

图7 均流环简化结构图

为均流控制器，简化代表电流内环和延时环节，

为控制对象传递函数，T_ev=τ_v+3T_s，τ_v为电压采样小惯性参数。

电池是一个大惯性系统，充电时电压变化不剧烈，电压外环控制的实时性要求远小于电流内环，因此通过主模块均流环可以稳定直流电压。均流环的主要作用是均分充电模块输出电流，稳定直流电压，故其控制器设计时，应着重考虑均流环的抗扰性能。因此，可按典型II型系统设计均流环控制器，由图7得均流环开环传递函数为：

为提高均流环抗扰动能力，均流环的中频带不宜过大，结合跟随性考虑，通常h_v=T_v/T_ev=5。由典型II型系统参数整定关系可以计算出均流环控制器的参数：

均流环控制器各参数实际取值为：C=0.003F，T_s=0.000ls，τ_v=0.0001。

图8为带入实际参数后的均流环波特图，可见，相角裕度为56.4°，幅值裕度为42.9dB，截止频率在100Hz附近，满足，f_s为开关频率，均流环稳定。
                       

 图8 电压外环波特图

 本均流策略设计的充电模块控制目标就是电流，恒流阶段，因为直流侧电压偏差大，电压外环迅速饱和，电流内环给定值为恒流电流值，充电模块输出控制目标实为直流侧电流，由3.3-(1)节设计的电流内环具有良好的稳态特性和动态响应，因此不存在电流分配不均的问题；恒压阶段，均流策略会抑制充电模块电压环退饱和，因此要做到均流和直流电压输出要求，要运用主模块的均流环。此阶段均流策略思路就是通过电流控制电压。因为对于电池负载，我们也可以把它等效为一个电压源和一个电阻串联，如图2(a)所示。当一定电流流过电池时，根据欧姆定理，电池两端会有一定的端电压，电压大小由电流而定，因此根据主模块的均流环控制指令，充电模块可以通过改变直流侧输出电流去改变直流侧输出电压。

4实验结果及分析

为了测试这种均流策略，搭建了测试系统。系统由4个充电模块并联组成。充电模块的输出功率可达10kW，直流输出电压可达700V，直流输出电流可达20A。

如表1和表2，进行并联均流实验时，总输出电流每增加10A，逐个测量充电模块的电流值，直至增加到最大输出电流。

 表1 3个充电模块并联均流数据

   

ΣI(A)	模块IO(A)	模块2IO (A)	模块3IO (A)	△Imax	不平衡度(CS%)
9.94	3.41	3.27	3.26	0.15	4.53
20.08	6.72	6.54	6.82	0.28	4.18
29.99	10.22	9.82	9.95	0.4	4.00
40.51	13.25	13.74	13.52	0.49	3.63
49.85	16.92	16.42	16.51	0.5	3.01
60.03	19.8	19.91	20.32	0.52	2.60

表2 4个充电模块并联均流数据

 

ΣI (A)	模块1IO (A)	模块2IO (A)	模块3IO (A)	模块4IO (A)	△Imax	不平衡度(CS%)
10.12	2.58	2.47	2.53	2.54	0.11	4.34
19.83	5.06	4.92	4.87	4.98	0.19	3.83
29.99	7.45	7.42	7.68	7.44	0.26	3.47
39.81	10.12	9.81	9.93	9.95	0.31	3.11
49.98	12.58	12.32	12.47	12.61	0.29	2.32
59.98	14.95	15.19	14.93	14.91	0.28	1.87
69.9	17.45	17.41	17.61	17.43	0.2	1.14
79.75	19.93	19.89	19.91	20.02	0.13	0.65

从表3-1和表3-2可以看出，不管是3个还是4个充电模块并联，并联系统不均衡度均小于5%，符合本文大功率充电机均流不平衡度指标，满足相关标准要求，且随着系统电流的增加，不平衡度逐渐减小。实验结果说明本文提出的均流策略可以较好地实现均流，从而确保了各个充电模块能较好地均分负载，有效防止了某些充电模块输出电流较大，而另外一些输出电流较小甚至不输出的情况发生。

5结束语

本文介绍了基于主从模式的并联均流策略，这种均流策略通过主模块给定充电模块电流内环，从而保证了所有模块的电流内环给定一致，因此具有良好的均流效果。通过4台10kW的充电模块并联充电实验，结果验证了本策略是切实可行的。由于CAN总线的强抗干扰能力，因此在大功率场合均流效果依然良好，这一优点将拓宽本策略的可运用范围。

作者简介

郭罗乐（1986-）男 硕士研究生，就读于电子科技大学，研究方向为控制理论与控制工程。

参考文献

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