CN111413647B - 一种clllc谐振变换器开路故障实时检测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法和系统，属于在线检测技术领域，其中方法包括：采集变换器的电压信号，对电压信号进行采样后进行离散积分，得到电压积分最大值；利用变换器中功率管的工作频率和直流母线电压计算电压积分最大值的估计值；根据电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值，判断变换器中是否有功率管发生故障。本发明适用于调频控制的CLLLC谐振双向DC/DC变换器中功率管开路故障的检测，具有成本低、检测精度高、速度快、实时性高、鲁棒性好以及抗干扰能力强的优点。

Description

一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法和系统
技术领域
本发明属于在线检测技术领域，更具体地，涉及一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法和系统。
背景技术
随着我国新能源技术的快速发展，越来越多的新能源汽车出现，缓解了传统能源日益短缺的问题。作为新能源汽车充电桩的重要模块之一，DC/DC变换器的稳定性必然会影响整个系统运行的可靠性。CLLLC谐振型双向DC/DC变换器具有高效率、高功率密度、双向运行及可实现软开关等优点广泛应用于各种场景。针对CLLLC谐振型双向DC/DC变换器的开路故障提出实时有效的诊断方法，对提高系统的可靠性具有重要的工程应用价值。
目前已有的研究中，针对CLLLC谐振型双向DC/DC变换器故障诊断的方法还不多，存在成本高、鲁棒性不强等问题。一般来说故障诊断方法分为3种类型：基于解析模型的故障诊断方法，需要明确的数学模型，由于建模误差、扰动等因素鲁棒性问题日益突出；基于信号处理的故障诊断方法，主要针对于系统解析模型难以获取，但一些状态量可以测量的系统；基于知识的故障诊断方法，也不需要数学模型，适合非线性系统。
由此可见，现有技术存在检测速度不高、算法鲁棒性不强、检测成本高的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法和系统，由此解决现有技术存在检测速度不高、算法鲁棒性不强、检测成本高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，包括如下步骤：
(1)采集变换器的电压信号，对电压信号进行采样后进行离散积分，得到电压积分最大值；
(2)利用变换器中功率管的工作频率和直流母线电压计算电压积分最大值的估计值；
(3)根据电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值，判断变换器中是否有功率管发生故障。
进一步地，电压信号为上管电压或者下管电压。
进一步地，步骤(1)中采样时的采样周期为Tsp：
Figure BDA0002474203540000021
其中，fs为变换器中功率管的工作频率。
进一步地，步骤(1)中离散积分的具体实现方式为：
Figure BDA0002474203540000022
其中，Sx为电压积分，Vx为在采样周期Tsp下对电压信号进行采样得到的电压。
进一步地，步骤(1)中电压信号通过光电耦合器采集。
进一步地，步骤(2)中电压积分最大值的估计值为p′x：
Figure BDA0002474203540000023
其中，Vdc为直流母线电压，fs为变换器中功率管的工作频率。
进一步地，步骤(3)的具体实现方式为：
将电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值与比较阈值th进行比较，比较阈值为电压积分最大值的估计值的一半，当差值小于比较阈值的绝对值时，变换器中没有功率管故障，否则，变换器中有功率管故障。
进一步地，步骤(3)还包括故障定位，所述故障定位包括：
当电压信号为下管电压时，若差值小于-th，则下管电压上方的功率管发生故障，若差值大于th，则下管电压下方的功率管发生故障；
当电压信号为上管电压时，若差值小于-th，则上管电压下方的功率管发生故障，若差值大于th，则上管电压上方的功率管发生故障。
进一步地，开路故障实时检测方法应用于调频控制的CLLLC谐振双向DC/DC变换器。
按照本发明的另一个方面，提供了一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测系统，包括：
电压处理模块，用于采集变换器的电压信号，对电压信号进行采样后进行离散积分，得到电压积分最大值；
数值估计模块，用于利用变换器中功率管的工作频率和直流母线电压计算电压积分最大值的估计值；
故障判断模块，用于根据电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值，判断变换器中是否有功率管发生故障。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明适用于调频控制的CLLLC谐振双向DC/DC变换器中功率管开路故障的检测，具有成本低、检测精度高、速度快、实时性高、鲁棒性好以及抗干扰能力强的优点。
(2)根据功率管的开通和断开状态的变化，变换器的电压信号为0或者直流母线电压，电压信号的频率等于功率管当前工作频率，因此本发明利用变换器中功率管的工作频率和直流母线电压计算电压积分最大值的估计值。
(3)本发明的电压信号可以实时采集，使得本发明的实时性高，故障判断时阈值为电压积分最大值的估计值的一半，可以提高检测的准确率。本领域常采用霍尔传感器采集信号，使用霍尔传感器成本高，实时性差，本发明采用光电耦合器获得电压信号与霍尔传感器相比速度快、实时性高、成本低且不会对正常电路运行产生影响。
(4)正常状态下电压信号为占空比的百分之五十的方波信号，若功率管发生故障则占空比会发生改变，估计值和实际计算的最大值会有很大差别，因此本发明通过估计值和最大值的差值与阈值进行比较可以判断功率管是否发生故障，不同功率管故障是的电压信号不同，因此，本发明通过差值与阈值的比较，可以进行故障定位。
(5)本发明鲁棒性好，抗干扰能力强，变换器变压变载等动态过程不会对本发明的故障诊断结果产生消极影响；本发明方法对系统内部参数不敏感，抗扰动能力强；实现简单，本发明可以作为一个子程序嵌入到控制程序中，不影响也无需修改控制程序；算法简单，不需要过多的计算，大大降低了系统的计算复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的开路故障实时检测方法的流程图；
图2是本发明实施例1提供的CLLLC谐振型双向DC/DC变换器拓扑图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，包括如下步骤：
(1)采集变换器的电压信号，对电压信号进行采样后进行离散积分，得到电压积分最大值；
(2)利用变换器中功率管的工作频率和直流母线电压计算电压积分最大值的估计值；
(3)根据电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值，判断变换器中是否有功率管发生故障。
进一步地，电压信号为上管电压或者下管电压。
进一步地，步骤(1)中采样时的采样周期为Tsp：
Figure BDA0002474203540000051
其中，fs为变换器中功率管的工作频率。
进一步地，步骤(1)中离散积分的具体实现方式为：
Figure BDA0002474203540000052
其中，Sx为电压积分，Vx为在采样周期Tsp下对电压信号进行采样得到的电压。
进一步地，步骤(1)中电压信号通过光电耦合器采集。
进一步地，步骤(2)中电压积分最大值的估计值为p′x：
Figure BDA0002474203540000053
其中，Vdc为直流母线电压，fs为变换器中功率管的工作频率。
进一步地，步骤(3)的具体实现方式为：
将电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值与比较阈值th进行比较，比较阈值为电压积分最大值的估计值的一半，当差值小于比较阈值的绝对值时，变换器中没有功率管故障，否则，变换器中有功率管故障。
进一步地，步骤(3)还包括故障定位，所述故障定位包括：
当电压信号为下管电压时，若差值小于-th，则下管电压上方的功率管发生故障，若差值大于th，则下管电压下方的功率管发生故障；
当电压信号为上管电压时，若差值小于-th，则上管电压下方的功率管发生故障，若差值大于th，则上管电压上方的功率管发生故障。
进一步地，开路故障实时检测方法应用于调频控制的CLLLC谐振双向DC/DC变换器。
实施例1
本发明实施例以CLLLC谐振型双向DC/DC变换器为例进行详细介绍，如图2所示，CLLLC谐振型双向DC/DC变换器包括：供电电源Vin、负载Vo、四个一次侧功率管S1、S2、S3、S4，四个二次侧功率管S5、S6、S7、S8，一次侧谐振电感Lr1、二次侧谐振电感Lr2、一次侧谐振电容Cr1、二次侧谐振电容Cr2和一个变压器Tr。
一种CLLLC谐振双向DC/DC变换器开路故障实时检测方法，包括：
步骤1、使用光电耦合器获得变换器两个下管电压信号，并对其采样得到VA、VB，采样周期为Tsp；
步骤2、变换器下管电压信号为一对互补的方波，频率等于功率管当前工作频率fs，对VA、VB离散积分：
Figure BDA0002474203540000061
并得到积分Sx的最大值，pA、pB；计算Sx最大值的估计值p′A、p′B，
Figure BDA0002474203540000062
其中Vdc为直流母线电压；
步骤3、计算积分Sx最大值与估计值的差值Δx＝px-p′x，其中x∈{A，B}，根据所得的差值判断是否有功率管故障，故障发生在哪一个功率管故障。根据计算的差值，故障检测与定位方式如下：
Figure BDA0002474203540000071
其中，th是比较阈值，
Figure BDA0002474203540000072
若f值为0，则运行状态正常，无功率管故障；若f值为y，则功率管Sy发生开路故障，y∈{1，2，3，4}。
对于四个一次侧功率管S1、S2、S3、S4使用上述三个步骤可以进行故障判断和故障定位，对于另外四个二次侧功率管S5、S6、S7、S8的故障判断和故障定位与上述步骤一致。
本发明能够实时检测出CLLLC谐振型双向DC/DC变换器开路故障诊断的情况。本发明使用两个下管电压求得周期内积分最大值，并利用当前工作频率获得积分最大值的估计值，用它们的差值进行故障诊断。采用光电耦合器获得电压信号，速度快、实时性高、成本低且不会对正常电路运行产生影响；鲁棒性好，抗干扰能力强，变换器变压变载等动态过程不会对本发明的故障诊断结果产生消极影响；本发明方法对系统内部参数不敏感，抗扰动能力强，实现简单。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，其特征在于，所述CLLLC谐振变换器为CLLLC谐振型双向DC/DC变换器，所述方法包括如下步骤：
(1)采集变换器的电压信号，对电压信号进行采样后进行离散积分，得到电压积分最大值；
(2)利用变换器中功率管的工作频率和直流母线电压计算电压积分最大值的估计值；
(3)将电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值与比较阈值th进行比较，比较阈值为电压积分最大值的估计值的一半，当差值小于比较阈值的绝对值时，变换器中没有功率管故障，否则，变换器中有功率管故障；
所述步骤(3)还包括故障定位，所述故障定位包括：
当电压信号为下管电压时，若差值小于-th，则下管电压上方的功率管发生故障，若差值大于th，则下管电压下方的功率管发生故障；
当电压信号为上管电压时，若差值小于-th，则上管电压下方的功率管发生故障，若差值大于th，则上管电压上方的功率管发生故障。
2.如权利要求1所述的一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，其特征在于，所述电压信号为上管电压或者下管电压。
3.如权利要求1或2所述的一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中采样时的采样周期为Tsp：
Figure FDA0002957823320000011
其中，fs为变换器中功率管的工作频率。
4.如权利要求1或2所述的一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中离散积分的具体实现方式为：
Figure FDA0002957823320000021
其中，Sx为电压积分，Vx为在采样周期Tsp下对电压信号进行采样得到的电压。
5.如权利要求1或2所述的一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中电压信号通过光电耦合器采集。
6.如权利要求1或2所述的一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中电压积分最大值的估计值为p'x：
Figure FDA0002957823320000022
其中，Vdc为直流母线电压，fs为变换器中功率管的工作频率。
7.如权利要求1或2所述的一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测方法，其特征在于，所述开路故障实时检测方法应用于调频控制的CLLLC谐振双向DC/DC变换器。
8.一种CLLLC谐振变换器开路故障实时检测系统，其特征在于，所述CLLLC谐振变换器为CLLLC谐振型双向DC/DC变换器，所述系统包括：
电压处理模块，用于采集变换器的电压信号，对电压信号进行采样后进行离散积分，得到电压积分最大值；
数值估计模块，用于利用变换器中功率管的工作频率和直流母线电压计算电压积分最大值的估计值；
故障判断模块，用于将电压积分最大值与电压积分最大值的估计值的差值与比较阈值th进行比较，比较阈值为电压积分最大值的估计值的一半，当差值小于比较阈值的绝对值时，变换器中没有功率管故障，否则，变换器中有功率管故障；当电压信号为下管电压时，若差值小于-th，则下管电压上方的功率管发生故障，若差值大于th，则下管电压下方的功率管发生故障；当电压信号为上管电压时，若差值小于-th，则上管电压下方的功率管发生故障，若差值大于th，则上管电压上方的功率管发生故障。
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