CN106130351A - 一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统，包括PI控制器模块，重复控制器模块；其中，PI控制器模块和重复控制器模块输出端通过加法器后作用到直流变换器中；PI控制器模块中包括PI控制器，所述PI控制器模块先将直流变换器输出电压V_o中的直流信号提取出来，再将直流变换器的期望输出电压值V_ref与提取出来的直流信号做差值，最后通过PI控制器获得第一占空比d₁；重复控制器模块中包括重复控制器，所述重复控制器模块先将直流变换器输出电压V_o中的交流信号提取出来，再将直流变换器的期望输出交流信号与提取出来的交流信号做差值，最后通过重复控制器获得第二占空比d₂。本发明能够使得系统具有较好的稳定性以及动态性能，同时也能很好的抑制输出电压中的纹波信号。

Description

一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统及方法

技术领域

本发明属于变换器技术领域，特别涉及一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统及方法。

背景技术

目前电动汽车应用越来越广泛，而直流充电器是直接与电动汽车电池相连接的电源模块，因此对直流充电器的研究也越来越多。直流充电器将交流电变化为直流电为电动汽车电池进行充电，交流电的选取可以是三相交流电也可以是单相交流电，同时为保证电网质量，充电器通常需要进行功率因素校正和谐波抑制。

单相直流充电器由功率因素调节电路(下文简称PFC)和直流变换器电路构成。由于直流变换器的输入是直接接在单相PFC的输出端，而单相PFC是交流输入，经过整流器输出直流电压直接作用到直流变换器上。因此单相PFC的输出电压中往往包含着交流成分，该交流成分也将作为输入作用到直流变换器上，使得直流变换器的输出电压会有部分纹波存在，且传统控制方法难以消除该纹波。

如图1所示，直流变换器一般采用ZVS半桥三电平变换器主电路中V_in为输入直流电压源，C₁和C₂为输入分压电容，且容值很大；开关管Q1～Q4组成了半桥变换器的上下两只桥臂，分别在4个开关管Q1～Q4上并联吸收电容C_r1～C_r4以及反向并联二极管D1～D4；谐振电感L_r串联在变压器原边；使用飞跨电容C_ss使得开关管的电压钳位在V_in/2；变压器副边采用二极管D_R1～D_R4进行整流。

通过对ZVS半桥三电平变换器进行小信号建模，得到相关表达式经拉氏变换后，可以得到控制量对输出电压的传递函数为

$G_{vd}\left(s\right)=\frac{\widehat{v_o\left(s\right)}}{\widehat{d\left(s\right)}}=\frac{V_{in}/2K}{s^2{L}_f{C}_f+s(\frac{L_f}{R}+R_d{C}_f)+\frac{R_d}{R}+1};$

其中R_d＝4L_r/(K²T_s)，L_r为谐振电感，L_f为滤波电感，C_f为滤波电容，K为ZVS半桥三电平变换器中高频变压器原副边变比，T_s为开关管的控制周期。

变换器中变压器副边输出端L_fC_f滤波器的输入电压对输出电压的传递函数为

$H_o=\frac{1}{s^2{L}_f{C}_f+s\frac{L_f}{R}+1}.$

由于ZVS半桥三电平变换器具有变压器副边占空比丢失的特有现象，使得输出电压值往往不是所期望的电压值。因此要得到期望的电压输出则需采用闭环控制进行补偿控制，常用的补偿控制方法为PI控制。单纯的PI控制能实现对输出电压的控制，在考虑输入电压为稳定值，即无低频小信号的情况下，能使其稳定到期望电压值。但是由于直流变换器的输入端是直接接在单相PFC的输出端上，因此输入电压中往往存在一定的交流成分，而普通的PI控制却并不能滤掉这部分交流成分。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能很好的抑制输出电压中的纹波信号的电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统。

技术方案：本发明提供了一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统，包括PI控制器模块，重复控制器模块；其中，PI控制器模块和重复控制器模块输出端通过加法器后作用到直流变换器中；PI控制器模块中包括PI控制器，所述PI控制器模块先将直流变换器输出电压V_o中的直流信号提取出来，再将直流变换器的期望输出电压值V_ref与提取出来的直流信号做差值，最后通过PI控制器获得第一占空比d₁；重复控制器模块中包括重复控制器，所述重复控制器模块先将直流变换器输出电压V_o中的交流信号提取出来，再将直流变换器的期望输出交流信号与提取出来的交流信号做差值，最后通过重复控制器获得第二占空比d₂。

进一步，所述直流变换器为ZVS半桥三电平变换器。

本发明还采用上述电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统的抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：设定直流变换器的期望输出电压V_ref；通过测量获取直流变换器的输出电压V_o；

步骤2：通过PI控制器模块，重复控制器模块分别获得第一占空比d₁和第二占空比d₂；

步骤3：将步骤2获得的第一占空比d₁和第二占空比d₂通过加法器相加后，作用到直流变换器。

进一步，所述PI控制器模块获得第一占空比d₁的方法为：通过对直流变换器的输出电压V_o进行采样，然后经过低通滤波提取出直流信号将变直流变换器的期望输出电压V_ref与提取出来的直流信号做差值，通过PI控制器获得占空比d₁；其中PI控制器中采用PI控制器拉氏变换后的传递函数计算占空比，PI控制器的传递函数为：式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，PI控制器传递函数的输入为变换器最终的期望输出电压值V_ref与提取出来的直流信号的差值，输出为占空比d₁。通过选取PI控制器的参数k_p、k_i使获得占空比d₁小于1。其中，k_p、k_i参数可以通过理论分析或者试验的方法获得k_p、k_i的取值。

进一步，所述重复控制器模块获得第二占空比d₂的方法为：过对直流变换器的输出电压V_o进行采样，然后经过隔直电容提取出交流信号变直流变换器期望的交流信号为0，将变直流变换器期望的交流信号与提取出来的交流信号作差值，然后再通过重复控制器获得占空比d₂。

工作原理：重复控制器是利用扰动的“周期重复性”这一规律，“记忆”扰动发生的位置，根据相应的控制规律，有针对性地对输出波形进行修正，从而在稳态条件下实现对给定信号的无静差跟踪。由此可见重复控制可以对具有周期重复性特性的正弦信号进行控制，消除这种扰动。

由于直流变换器的输入端是接在单相PFC的输出端，使得直流变换器输入电压中除了直流成分往往包含着交流成分，通过前面的分析可知，经过直流变换器之后，并不能将该交流成分完全滤除掉，故输出电压中仍会存在交流纹波。采用重复控制来抑制输出电压中的交流信号，而重复控制是对每个控制点进行作用，可以有效的减小输出电压中纹波。基于重复控制器可以对周期重复性的扰动信号进行无静差跟踪的优点，因此可以将输出电压中的交流信号提出来，采用重复控制对输出电压中的交流信号进行控制，通过对一个周期中的一些离散的点进行控制，来有效的抑制交流信号。使得系统在稳定情况下能实现无静差跟踪。而输出电压中的直流成分则可以采用常用的PI控制器来进行控制，且能够快速稳定的对直流信号进行控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明采用重复控制与PI控制相结合的复合控制方法，能够使得系统具有较好的稳定性以及动态性能。能将变换器的输出电压快速稳定到期望电压值，同时也能很好的抑制输出电压中的纹波信号。

附图说明

图1为ZVS半桥三电平变换器主电路；

图2为本发明的控制框图；

图3为重复控制器框图；

图4为仅采用PI控制ZVS半桥三电平变换器输出电压曲线图；

图5为仅采用PI控制ZVS半桥三电平变换器输出电压纹波图；

图6为采用本发明提供的方法后ZVS半桥三电平变换器输出电压曲线图；

图7为采用本发明提供的方法后ZVS半桥三电平变换器输出电压纹波图

图8为LC滤波器传递函数的伯德图(简称bode图)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图2所示，本发明提供的一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统，包括PI控制器模块，重复控制器模块；其中，PI控制器模块和重复控制器模块输出端通过加法器后作用到ZVS半桥三电平变换器中；PI控制器模块中先将ZVS半桥三电平变换器输出电压V_o中的直流信号提取出来，再将ZVS半桥三电平变换器的期望输出电压值V_ref与提取出来的直流信号做差值，最后通过PI控制器获得第一占空比d₁；重复控制器模块中先将ZVS半桥三电平变换器输出电压V_o中的交流信号提取出来，再将ZVS半桥三电平变换器的期望输出交流信号与提取出来的交流信号做差值，最后通过重复控制器获得第二占空比d₂。

图2中G_vd(s)为ZVS半桥三电平变换器占空比与ZVS半桥三电平变换器输出电压的传递函数

图2中f(s)表示将输出电压中的直流成分提取出来，这部分可以通过硬件电路来实现，通过对ZVS半桥三电平变换器输出电压进行采样，然后经过低通滤波即可提取出直流信号将变换器最终的期望输出电压值V_ref与提取出来的直流信号做差值，然后通过PI控制器获得占空比d₁。其中PI控制器中采用PI控制器拉氏变换后的传递函数计算占空比，PI控制器的传递函数为：式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，PI控制器传递函数的输入为变换器最终的期望输出电压值V_ref与提取出来的直流信号的差值，输出为占空比d₁。

图2中g(s)表示将输出电压中的交流成分提取出来，这部分也可以通过硬件来实现，通过对ZVS半桥三电平变换器输出电压进行采样，然后经过隔直电容即可提取出交流信号由于目的是要将交流信号尽可能的减小，因此期望的交流信号为0，与提取出来的交流信号作差值，实际上就是对交流信号取反，因此图中的M为-1，然后再通过重复控制器获得占空比d₂。

重复控制器的离散形式为：式中N为一个周期内的采样次数，如图3所示，输入E(z)为给定交流信号与实际交流信号的偏差，即为输出C(z)为占空比d₂。其中Q为小于1的数，由于重复控制使系统处于临界稳定状态，加入Q可以提高系统的稳定性。S(z)为补偿器，可以使输出电压能够完美跟踪上误差信号，此补偿器可以是低通滤波器或数字滤波器等，根据实际应用，选取合适的Q值与S(z)补偿器即可得到所需求的占空比d₂。

根据图1所示的ZVS半桥三电平变换器拓扑搭建matlab/simulink仿真电路，其中参数为：谐振电感L_r＝6.27μH；滤波电感L_f＝697μH；滤波电容C_f＝560μF；高频变压器原副边变比K＝1:2.32；输入电压V_in中直流成分幅值为700V，存在交流小信号幅值为30V，频率为300Hz；负载R＝50Ω。

在图1所示的仿真电路中，根据图2所示重复控制与PI控制相结合控制框图来搭建控制仿真模型，对ZVS半桥三电平变换器进行控制。输出电压控制在300V，通过仿真可以得到经过重复控制与PI控制之后的输出电压的波形和输出电压纹波。

由图4和图5可知，经过PI控制之后，输出电压可以较好的稳定在300V，且输出电压的纹波为1.5V左右；由图6和图7可知，经过重复控制与PI控制之后，输出电压也能较好的稳定在300V，且输出电压的纹波约为0.5V。可见加入重复控制模块对输出电压纹波得到了很好的抑制。

现有技术中采用变换器中输出端的L_fC_f滤波器对波纹进行抑制，在电感电容参数选定的情况下，根据公式可得L_fC_f滤波器传递函数的bode图，如图8所示，在考虑若输入电压的中交流小信号频率为300Hz，幅值为30V时，能衰减7.99dB。即衰减后仍存在幅值12V的交流小信号，所以只依靠变换器中的LC滤波器并不能完全抑制输出电压中的纹波。

由此可见，与不加重复控制时纹波情况相比，本发明的纹波抑制效果明显要好很多。本发明所提出的重复控制与PI控制相结合的控制方法对纹波具有较好的抑制效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统，其特征在于：包括PI控制器模块，重复控制器模块；其中，PI控制器模块和重复控制器模块输出端通过加法器后作用到直流变换器中；PI控制器模块中包括PI控制器，所述PI控制器模块先将直流变换器输出电压V_o中的直流信号提取出来，再将直流变换器的期望输出电压值V_ref与提取出来的直流信号做差值，最后通过PI控制器获得第一占空比d₁；重复控制器模块中包括重复控制器，所述重复控制器模块先将直流变换器输出电压V_o中的交流信号提取出来，再将直流变换器的期望输出交流信号与提取出来的交流信号做差值，最后通过重复控制器获得第二占空比d₂。

2.根据权利要求1所述的电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统，其特征在于：所述直流变换器为ZVS半桥三电平变换器。

3.采用如权利要求1所述的电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统的抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设定直流变换器的期望输出电压V_ref；通过测量获取直流变换器的输出电压V_o；

步骤2：通过PI控制器模块，重复控制器模块分别获得第一占空比d₁和第二占空比d₂；

步骤3：将步骤2获得的第一占空比d₁和第二占空比d₂通过加法器相加后，作用到直流变换器。

4.根据权利要求3所述的电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制方法，其特征在于：所述PI控制器模块获得第一占空比d₁的方法为：通过对直流变换器的输出电压V_o进行采样，然后经过低通滤波提取出直流信号将变直流变换器的期望输出电压V_ref与提取出来的直流信号做差值，通过PI控制器获得占空比d₁；其中PI控制器中采用PI控制器拉氏变换后的传递函数计算占空比，PI控制器的传递函数为：式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，PI控制器传递函数的输入为变换器最终的期望输 出电压值V_ref与提取出来的直流信号的差值，输出为占空比d₁；通过选取PI控制器的参数k_p、k_i使获得占空比d₁小于1。

5.根据权利要求3所述的电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制方法，其特征在于：所述重复控制器模块获得第二占空比d₂的方法为：过对直流变换器的输出电压V_o进行采样，然后经过隔直电容提取出交流信号变直流变换器期望的交流信号为0，将变直流变换器期望的交流信号与提取出来的交流信号作差值，然后再通过重复控制器获得占空比d₂。