CN116667681A - 一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法、系统，应用于两级式变换器，所述两级式变换器前级采用半桥LLC电路，后级采用四相交错并联的buck/boost电路；本方法包括以下步骤：采集所述两级式变换器的采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率；根据所述采样数据，基于继承式PI‑MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比；基于所述控制开关的频率与最优占空比控制所述半桥LLC电路、buck/boost电路。本发明实现锂电池化成时能量的双向流动，且能实现后级四相交错并联buck/boost电路各相电感电流良好均流、输出低纹波和快速响应特性，有益于提高锂电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及工业设备监控及控制系统技术领域，具体为一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统。
背景技术
随着新能源技术的蓬勃发展，锂电池作为新能源行业的核心储能设备，它的化成技术受到了越来越多的重视。锂电池的化成即锂电池的激活，就是对锂电池进行第一次进行恒流恒压充电再对锂电池进行恒流放电的过程。
其中输出电流电压纹波和变换器的输出响应特性对锂电池的的激活存在着着较大的影响，良好的激活锂电池有益于延长锂电池的使用寿命。进而对直流变换器的设计及其控制策略有着严格的要求。好的控制策略一般都伴随着较为复杂的数学模型，随着芯片技术的发展，一些控制芯片可以兼容较为复杂的数学模型。
直流变换器对锂电池的化成用传统控制算法，其响应特性慢输出控制量纹波较大，对直流变换器的控制策略的优化成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统，实现锂电池化成时能量的双向流动，且能实现后级四相交错并联buck/boost电路各相电感电流良好均流、输出低纹波和快速响应特性，有益于提高锂电池的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，应用于两级式变换器，所述两级式变换器前级采用半桥LLC电路，后级采用四相交错并联的buck/boost电路；
本方法包括以下步骤：
采集所述两级式变换器的采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率；
根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比；
基于所述控制开关的频率与最优占空比控制所述半桥LLC电路、buck/boost电路。
进一步地，采集所述两级式变换器的采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率，具体为，
所述采样数据包括所述半桥LLC电路的输出电压，通过所述软启动控制策略，使得所述半桥LLC电路的控制开关的工作频率经软启动时间转变为谐振频率与预设占空比。
进一步地，所述采样数据还包括锂电池两端的电流；
根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比，具体为，
在正向模式下，根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略计算最优占空比；
在反向模式下，根据所述采样数据，基于MPC放电控制策略计算最优占空比。
进一步地，所述采样数据包括各相电感电流、锂电池两端电压、四相交错并联boost的输出电压；
在反向模式下，根据所述采样数据，基于MPC放电控制策略计算最优占空比，具体为，
将所述采样数据通过boost电路MPC的占空比预测模型，计算变换器控制量占空比。
进一步地，所述占空比预测模型包括：
在正向buck模式：
任意一相上管导通，下管关断时：
下管导通，上管关断时：
状态空间平均法和前向欧拉法对式(9)、式(10)处理可得：
设各相电感电流的参考值为iLref(k+1)，设计代价函数Gn1：
Gn1＝[iLref(k+1)-iLn(k+1)]2 (13)
代价函数Gn1求关于Dn(k)的偏导，令偏导函数等于0可得：
此时代价函数为最小值，对应占空比为：
其中Ln、VLLC、Vo、iLn、Dn、T、iLref为各相电感的感量、LLC电路C3两端的电压、电池两端的电压、电感电流、对应相的占空比、开关周期和电感电流参考值，(n＝1,2,3,4)；
在反向boost模式：
任意一相下管导通，上管关断时：
上管导通，下管关断时：
同正向buck模式，利用状态空间平均法和前向欧拉法对式(16)、式(17)处理，再构建代价函数Gn2，求其与占空比的偏导。得出代价函数最小时的占空比为：
其中Ln、VLLC、Vo、iLn、Dn、T、iLref为各相电感的感量、LLC电路C3两端的电压、电池两端的电压、电感电流、对应相的占空比、开关周期和电感电流参考值，(n＝1,2,3,4)。
进一步地，所述采样数据还包括锂电池两端电流、各相电感电流、电池两端电压、半桥LLC电路输出电压经MPC输出每相电路的控制量占空比；
在正向模式下，根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略计算最优占空比，具体为，
在恒流充电时，获取锂电池两端电流，进行恒流PI外环调节，输出电感电流参考值；
采样各相电感电流、电池两端电压、前级半桥LLC输出电压经MPC输出每相电路的控制量占空比，实现每相电感电流均流；
在恒流充电锂电池两端电压达到设定阈值时，转换恒压充电模式，将恒流PI外环的积分量继承给恒压PI外环，将锂电池两端电压采样进行恒压PI外环调节，继续输出电感电流参考值；
采样各相电感电流、电池两端电压、半桥LLC输出电压经MPC控制，输出每相电路的控制量占空比，以实现每相电感电流均流。
进一步地，基于所述控制开关的频率与最优占空比控制所述半桥LLC电路、buck/boost电路，具体为，基于所述控制开关的频率控制所述半桥LLC电路，通过最优占空比控制所述buck/boost电路。
第二方面，本发明公开了一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制系统，包括：
采样模块，用于采集两级式变换器的采样数据；
DSP控制模块，用于根据所述采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比，输出PWM控制信号；
PWM波驱动模块，根据PWM控制信号控制所述两级式变换器。
进一步地，所述两级式变换器包括半桥LLC电路、buck/boost电路；基于所述控制开关的频率控制所述半桥LLC电路，通过最优占空比控制所述buck/boost电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本申请提出的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统，前级采用于LLC电路，具有软开关特性，能实现原边开关管的零电压导通和副边开关管的零电流关断，以减小开关损耗，使得提高整体变换器的效率。后级选用四相交错并联buck/boost电路，减小输出量的纹波。
2、本申请提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统，使得两级电路实现能量双向流动，进而实现锂电池的化成工序。继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略也可使得能量双向流动时后级电路的各相电感电流保持良好的均流效果，可以使得在锂电池化成时，恒流过程切换恒压过程保持的一个连续的过程，不会出现输出量波形跳变的情况。由于前级电路采用的是定频软启的开环控制策略，而后级电路采用的闭环控制，节约主控制模块的算法资源。继承式PI-MPC和MPC控制策略因为其具有自身的数学预测模型，且MPC控制环无参数整定，使得整个变换器具有良好的响应特性和鲁棒性。
附图说明
图1为本发明所提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法结构示意图。
图2为本发明所提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法的半桥LLC电路正向增益曲线图。
图3为本发明所提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法的半桥LLC电路反向增益曲线图。
图4为本发明所提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法的半桥LLC电路开关频率软启曲线图。
图5为本发明所提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法的半桥LLC电路占空比软启曲线图。
图6为本发明所提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法的四相交错buck模式下的正向充电控制原理图。
图7为本发明所提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法的四相交错boost模式下的反向放电控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，此两级DC/DC变换器是由前级半桥LLC电路和后级四相交错并联buck/boost电路组成。本发明控制方法能实现对锂电池化成时的能量的双向流动，且能实现后级四相交错并联buck/boost电路各相电感电流良好均流、输出低纹波和快速响应特性。有益于提高锂电池的使用寿命。
变换器如图1所示，其中变换器的输入源由AC/DC转母线电压800V，再由变换器前级电路将Vin电压800V降为15V，最后经变换器后级电路200A恒流输出或5V恒压输出，变换器由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9、开关管Q10、开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13、开关管Q14、PRT管、谐振电感Lr、谐振电容C2、励磁电感Lm、变压器T1、滤波电容C1、滤波电容C3、滤波电容C4、滤波电容C5、滤波电容C6、滤波电容C7、交错并联各相电路漏阻R1、漏阻R2、漏阻R3和漏阻R4组成。选用变换器前级为半桥LLC电路，后级为四相交错并联buck/boost电路，其中正向为半桥LLC电路加四相交错buck电路组成为锂电池充电，反向为四相交错boost电路加半桥LLC电路为锂电池进行放电，实现能量双向流动。其中额定功率为1kW，实现对锂电池正向800V输入到输出为200A恒流充电和5V恒压充电的转换，返向200A恒流放电的转换。
锂电池化成包括先给锂电池恒流200A充电使得锂电池两端电压到5V时，再转恒压充电直至充满，最后再给锂电池就行恒流200A放电。上述变换器要实现此项功能对其的控制算法有着较高的要求，以实现低纹波高响应特性的特点。
图1包括采样模块、DSP主控模块、PWM波驱动模块。其中采样模块的作用在于将半桥LLC电路的输出端电压值、四相交错并联buck/boost各相电感电流、输出总电流和输出电压经外围硬件采样电路输入给DSP主控模块。主控模块的作用在于将采样模块输入的采样值进行算法上的处理，最后输出控制量生成对应的PWM波给PWM波驱动模块。PWM波驱动模块将DSP主控模块生成的PWM波进行信号放大处理进而驱动开关管，这样使得整个系统成为一个闭环系统。
本方法包括以下步骤：
步骤S1、采集所述两级式变换器的采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率。采样数据是由采样模块采样得到的，对变换器半桥LLC电路的输出电压、四相交错并联buck/boost电路的四相电感电流、锂电池两端电流、锂电池两端的电压进行采样。采样模块将采样数据输出至DSP主控模块，以控制变换器。
DSP主控模块基于软启动控制策略确定控制开关的频率，以可能告知所属半桥LLC电路。双向半桥LLC的工作原理为正向时由原边开关管的工作状态将能量储存在谐振腔中，后经变压器将能量向副边流动最后经整流桥将能量输出，反向时由整流桥将能量由副边经变压器传到原边LC电路在经半桥整流输出，其增益推导为：
由谐振电容和谐振电感组成串联谐振频率：
当励磁电感两端电压不被输出电压钳位时，此时增加励磁电感组成新的串联谐振频率：
交流等效负载：
品质因数：
电感比：
归一化频率：
正向增益表达式：
反向增益表达式：
由于LLC电路的的控制策略一般是选择软启加闭环换控制。经分析发现，LLC软启动后的闭环控制的作用较小，再而LLC是作为前级电路对输出电压的要求不高，且考虑成本因素，此两级变换器采用单主控DSP芯片控制。单芯片控制则需要节约芯片的算力资源。
因此，前级半桥LLC电路基于软启动控制策略控制开关的工作频率。对于LLC电路而言，其的开关工作频率应工作在谐振频率点附近，工作在谐振频率点附近能实现LLC电路的软开关ZVS和ZCS，可使LLC电路的效率最大化。谐振频率点即是归一化频率等于1时，如图2、图3所示，在不同品质因数的情况下的正反向的增益曲线图。可以看出在相同品质因数下不同开关频率拥有着不同的增益。如果LLC电路不使用软启动，又因为需要实现LLC电路软开关，LLC电路必须工作在谐振频点附近，此时电路所处的是一个增益比较大的开关频率工作点，电路启动时原副边开关管易产生大电流，对开关管易产生损害。由增益曲线可以得到变换器在超过3倍谐振频率之后，其的增益变化较为缓慢。
在本申请中，通过软启动方式，使得半桥LLC刚开始工作在一个低增益的环境之下，即将开关管的工作频率由3倍谐振频率、占空比由10％经软启时间10ms变为谐振频率和50％的占空比。如图4、图5所示工作频率每隔1ms降3倍谐振频率的1/15，占空比每隔1ms增加4％。这样可以使得LLC电路在启动时开关管上的电流有所减小，减小开关管的损耗，也能使得LLC电路最终工作在谐振频率点实现软开关。
步骤S2、根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比。在对单锂电池正向恒流恒压充电和反向恒流放电的控制过程中，选用四相交错的原因在于给锂电池充电时，对变换器的输出的纹波要求较高。每相电感电流均流的情况下，交错并联可使得每一相电感电流错位相加，使得总的输出电流纹波减小。因此，提出一种继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略对buck/boost电路进行控制，得到恒定输出和均流效果。分析四相交错并联buck/boost变换器的工作状态及MPC数学模型建立过程如下：
在正向buck模式：
任意一相上管导通，下管关断时：
下管导通，上管关断时：
状态空间平均法和前向欧拉法对式(9)、式(10)处理可得：
设各相电感电流的参考值为iLref(k+1)，设计代价函数Gn1：
Gn1＝[iLref(k+1)-iLn(k+1)]2 (13)
代价函数Gn1求关于Dn(k)的偏导，令偏导函数等于0可得：
此时代价函数为最小值，对应占空比为：
其中Ln、VLLC、Vo、iLn、Dn、T、iLref为各相电感的感量、LLC电路C3两端的电压、电池两端的电压、电感电流、对应相的占空比、开关周期和电感电流参考值，(n＝1,2,3,4)。
在反向boost模式：
任意一相下管导通，上管关断时：
上管导通，下管关断时：
同正向buck模式，利用状态空间平均法和前向欧拉法对式(16)、式(17)处理，再构建代价函数Gn2，求其与占空比的偏导。得出代价函数最小时的占空比为：
其中Ln、VLLC、Vo、iLn、Dn、T、iLref为各相电感的感量、LLC电路C3两端的电压、电池两端的电压、电感电流、对应相的占空比、开关周期和电感电流参考值，(n＝1,2,3,4)。
在正向充电模式:
锂电池在充电过程中又存在恒流恒压充电，上述已提出电感电流与后级电路的控制量占空比的预测模型，此预测模型能保证各相电感电流在交错的情况下保持良好的均流效果。预测模型仅需要输入各相电感电流的采样平均值和电感电流的参考值就能使得电感电流的稳定输出。但要达到稳定的输出，还需要引入外环PI控制，以达到控制输出电压或输出电流的效果。
锂电池充电过程中还存在恒流切换恒压充电的过程，如果直接切换会出现输出电流电压发生震荡。震荡原因在于恒流充电完成时及锂电池两端电压升至转换恒压充电的阈值时，恒流PI外环存在着相对稳定的及分量，而此时没有恒压PI外环不存在相同的积分量，使得恒压PI外环在此时没有电流参考值输出，需重新建立稳态。
针对该问题提出一种继承式PI-MPC控制策略。即在恒流切换恒压时将恒流PI外环的积分量继承给恒压PI外环，使得转换时刻恒压外环拥有着在恒流外环的基础上再建立恒压输出的稳态，避免直接转换使得输出产生震荡，且能实现电感电流均流。锂电池充电的继承式PI-MPC控制原理图如图6所示，恒流充电时将锂电池两端电流采样进行恒流PI外环调节输出电感电流参考值，再采样各相电感电流、电池两端电压、前级半桥LLC输出电压经MPC输出每相电路的控制量占空比且实现每相电感电流均流，当恒流充到锂电池两端电压达到设定阈值时，转换恒压充电模式将恒流PI外环的积分量继承给恒压PI外环，且将锂电池两端电压采样进行恒压PI外环调节，继续输出电感电流参考值，再采样各相电感电流iL1～iL4、电池两端电压Vo、前级半桥LLC输出电压VLLC经MPC控制输出每相电路的控制量占空比且实现每相电感电流均流。
恒流恒压PI外环提供ILref推到如下：
err1(k)＝Io_ref(k)-Io(k) (19)
err2(k)＝Vo_ref(k)-Vo(k) (20)
其中KP1、KI1、KP2、KI2是电流PI外环和电压PI外环的比例系数和积分系数。Io_ref、Vo_ref是锂电池两端电流电压的参考值。
在反向放电模式：
后级电路反向放电属于四相交错并联boost变换器，锂电池放电时电池放电电流等于四相电感电流大小之和。且要实现每相电感电流均流，则只需控制每相电感电流等于锂电池的放电电流的1/4，实现锂电池化成的恒流放电过程。上文已提出boost的电感电流与控制量占空比的预测模型。所以锂电池恒流放电采用MPC放电控制策略控制。控制原理图如图7所示，对各相电感电流iL1～iL4、锂电池两端电压Vo、四相交错并联boost的输出电压VLLC进行采样带入boost电路MPC的占空比预测数学模型，输出变换器控制量占空比，且实现每相电感电流良好均流。
步骤S3、基于所述控制开关的频率与最优占空比控制所述半桥LLC电路、buck/boost电路。
DSP主控模块通过步骤S2得到控制开关的频率与该模式下的最优占空比，控制算法运算和保护判定结束后将会输出两级电路的增益控制量来确定PWM波的控制信号，PWM波的控制信号再给PWM波驱动模块进行下一步操作。
PWM波驱动模块接收到DSP主控模块的PWM波控制信号后，将信号放大，驱动两级电路的开关管，以通过控制开关的频率控制半桥LLC电路，通过最优占空比控制所述buck/boost电路。当电池两端电流电压出现异常时，将PRT管的PWM波驱动拉低以预防锂电池被损害。
基于相同的发明思想，本发明提供一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制系统，包括：
采样模块，用于采集两级式变换器的采样数据；所述两级式变换器包括半桥LLC电路、buck/boost电路；基于所述控制开关的频率控制所述半桥LLC电路，通过最优占空比控制所述buck/boost电路。
DSP控制模块，用于根据所述采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比，输出PWM控制信号；
PWM波驱动模块，根据PWM控制信号控制所述两级式变换器。
本申请提出的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统，前级采用于LLC电路，具有软开关特性，能实现原边开关管的零电压导通和副边开关管的零电流关断，以减小开关损耗，使得提高整体变换器的效率。后级选用四相交错并联buck/boost电路，减小输出量的纹波。
本申请提供的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统，使得两级电路实现能量双向流动，进而实现锂电池的化成工序。继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略也可使得能量双向流动时后级电路的各相电感电流保持良好的均流效果，可以使得在锂电池化成时，恒流过程切换恒压过程保持的一个连续的过程，不会出现输出量波形跳变的情况。由于前级电路采用的是定频软启的开环控制策略，而后级电路采用的闭环控制，节约主控制模块的算法资源。继承式PI-MPC和MPC控制策略因为其具有自身的数学预测模型，且MPC控制环无参数整定，使得整个变换器具有良好的响应特性和鲁棒性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，其特征在于，应用于两级式变换器，所述两级式变换器前级采用半桥LLC电路，后级采用四相交错并联的buck/boost电路；
本方法包括以下步骤：
采集所述两级式变换器的采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率；
根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比；
基于所述控制开关的频率与最优占空比控制所述半桥LLC电路、buck/boost电路。
2.如权利要求1所述的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，其特征在于，采集所述两级式变换器的采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率，具体为，
所述采样数据包括所述半桥LLC电路的输出电压，通过所述软启动控制策略，使得所述半桥LLC电路的控制开关的工作频率经软启动时间转变为谐振频率与预设占空比。
3.如权利要求2所述的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，其特征在于，所述采样数据还包括锂电池两端的电流；
根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比，具体为，
在正向模式下，根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略计算最优占空比；
在反向模式下，根据所述采样数据，基于MPC放电控制策略计算最优占空比。
4.如权利要求3所述的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，其特征在于，所述采样数据包括各相电感电流、锂电池两端电压、四相交错并联boost的输出电压；
在反向模式下，根据所述采样数据，基于MPC放电控制策略计算最优占空比，具体为，
将所述采样数据通过boost电路MPC的占空比预测模型，计算变换器控制量占空比。
5.如权利要求4所述的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，其特征在于，所述占空比预测模型包括：
在正向buck模式：
任意一相上管导通，下管关断时：
下管导通，上管关断时：
状态空间平均法和前向欧拉法对式(9)、式(10)处理可得：
设各相电感电流的参考值为iLref(k+1)，设计代价函数Gn1：
Gn1＝[iLref(k+1)-iLn(k+1)]2 (13)
代价函数Gn1求关于Dn(k)的偏导，令偏导函数等于0可得：
此时代价函数为最小值，对应占空比为：
其中Ln、VLLC、Vo、iLn、Dn、T、iLref为各相电感的感量、LLC电路C3两端的电压、电池两端的电压、电感电流、对应相的占空比、开关周期和电感电流参考值，(n＝1,2,3,4)；
在反向boost模式：
任意一相下管导通，上管关断时：
上管导通，下管关断时：
同正向buck模式，利用状态空间平均法和前向欧拉法对式(16)、式(17)处理，再构建代价函数Gn2，求其与占空比的偏导，得出代价函数最小时的占空比为：
其中Ln、VLLC、Vo、iLn、Dn、T、iLref为各相电感的感量、LLC电路C3两端的电压、电池两端的电压、电感电流、对应相的占空比、开关周期和电感电流参考值，n＝1,2,3,4。
6.如权利要求3所述的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，其特征在于，所述采样数据还包括锂电池两端电流、各相电感电流、电池两端电压、半桥LLC电路输出电压经MPC输出每相电路的控制量占空比；
在正向模式下，根据所述采样数据，基于继承式PI-MPC充电控制策略计算最优占空比，具体为，
在恒流充电时，获取锂电池两端电流，进行恒流PI外环调节，输出电感电流参考值；
采样各相电感电流、电池两端电压、前级半桥LLC输出电压经MPC输出每相电路的控制量占空比，实现每相电感电流均流；
在恒流充电锂电池两端电压达到设定阈值时，转换恒压充电模式，将恒流PI外环的积分量继承给恒压PI外环，将锂电池两端电压采样进行恒压PI外环调节，继续输出电感电流参考值；
采样各相电感电流、电池两端电压、半桥LLC输出电压经MPC控制，输出每相电路的控制量占空比，以实现每相电感电流均流。
7.如权利要求4所述的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法，其特征在于，基于所述控制开关的频率与最优占空比控制所述半桥LLC电路、buck/boost电路，具体为，基于所述控制开关的频率控制所述半桥LLC电路，通过最优占空比控制所述buck/boost电路。
8.一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制系统，其特征在于，包括：
采样模块，用于采集两级式变换器的采样数据；
DSP控制模块，用于根据所述采样数据，基于软启动控制策略确定控制开关的频率，基于继承式PI-MPC充电控制策略和MPC放电控制策略计算最优占空比，输出PWM控制信号；
PWM波驱动模块，根据PWM控制信号控制所述两级式变换器。
9.如权利要求8所述的一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制系统，其特征在于，所述两级式变换器包括半桥LLC电路、buck/boost电路；基于所述控制开关的频率控制所述半桥LLC电路，通过最优占空比控制所述buck/boost电路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310655673.XA CN116667681B (zh) | 2023-06-05 | 一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310655673.XA CN116667681B (zh) | 2023-06-05 | 一种基于锂电池充放电的两级式变换器控制方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116667681A true CN116667681A (zh) | 2023-08-29 |
| CN116667681B CN116667681B (zh) | 2024-05-24 |
Family
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117239884A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-15 | 西南交通大学 | 具有超宽频eis测量功能的电池功率接口变换器控制方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170126125A1 (en) * | 2015-10-29 | 2017-05-04 | Lite-On Technology Corp. | Interleaved buck converter |
| CN110729905A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-24 | 天津航空机电有限公司 | 一种采用矩阵变压器的航空二次电源两级式电路 |
| CN111064359A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-24 | 南京航空航天大学 | 宽范围双向变换电路及控制方法 |
| CN114649942A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-06-21 | 华中科技大学 | 一种交错并联集成Buck-Boost LLC电路拓扑的变换器 |
| CN115473434A (zh) * | 2022-09-22 | 2022-12-13 | 南京理工大学 | 一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源及其控制方法 |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170126125A1 (en) * | 2015-10-29 | 2017-05-04 | Lite-On Technology Corp. | Interleaved buck converter |
| CN110729905A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-24 | 天津航空机电有限公司 | 一种采用矩阵变压器的航空二次电源两级式电路 |
| CN111064359A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-24 | 南京航空航天大学 | 宽范围双向变换电路及控制方法 |
| CN114649942A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-06-21 | 华中科技大学 | 一种交错并联集成Buck-Boost LLC电路拓扑的变换器 |
| CN115473434A (zh) * | 2022-09-22 | 2022-12-13 | 南京理工大学 | 一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源及其控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SEOK-KYOON KIM 等: "A Stabilizing Model Predictive Controller for Voltage Regulation of a DC/DC Boost Converter", 《IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY》, vol. 22, no. 5, pages 2016 - 2022 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117239884A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-15 | 西南交通大学 | 具有超宽频eis测量功能的电池功率接口变换器控制方法 |
| CN117239884B (zh) * | 2023-11-14 | 2024-02-02 | 西南交通大学 | 具有超宽频eis测量功能的电池功率接口变换器控制方法 |
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