应用于铁锂电池的OBC充电效率优化控制策略
开关电源仿真与实用设计 2022-09-26

前前言:如果下文中的控制策略侵犯到了贵公司的专利,那纯属巧合,可以通知我,我会立刻修改此篇文章内容。当然,本人能力有限,如果有错误之处还请帮忙指点,谢谢。

  

前言:根据铁锂电池的充电曲线,我找到一种能够在全范围内改善充电效率的方法。与在工业界广泛采用的靠SRC或PWM来降低输出电压的办法对比,也许具有一定的优势。从影响SRC效率的角度来看,主要影响点有:较高的开关频率,谐振电流波形差,磁芯和绕线损耗,开关的关断损耗。

  综合来看,如果能缩窄开关范围,让电流变为正弦波,也许就能提升系统效率。但是只使用PFM模式,若要缩窄开关频率,只能使用较低Lmag/Lr,带来的励磁电流损耗反而不一定就能提升效率。如果要把电流波形在保持为较为完美的正弦波,则需要固定开关频率在一定的范围内。这样只能靠PFC电压来调节输出电压,这样整个系统的宽增益范围难以保证。如果使用短路副边的控制方法,也许另有一番天地。综上所述:我们手上现在有三个变量:PFC电压,开关频率,副边短路时间。下文将给出我的考虑过程,实验数据以后做完再补充。

 

第一部分 认识铁锂电池充电曲线

  下图是典型的铁锂电池充电曲线,可见在10-90%SOC电池电压都在3.25-3.4之间。根据电池串联的节数很容易得到充电电压曲线和充电电压范围,现在假设有某款电池包是100节电池串联,易得知充电电压就在325V-345V之间。

  如果我把谐振增益为1的点就放在340V上,充电电压从324上升到340,对于CLLC来说系统增益仅从0.953上升到1.0。根据工程经验可知,在这么微小的范围上增益波动,谐振电流波形几乎还是非常好的正弦波。在大多数情况下在完美的谐振频率处,LLC有最佳的效率。如果再把励磁电流降低一点,开关频率降低一点,电流波形恰好又是正弦波,所以我认为在10-90%的SOC范围内都能具有非常高的效率。如果拿来与设计在400V增益为1,实际大部分却只工作在340V(典型src模式)左右的工况来对比,效率的提升是肯定的。但是缺点也很明显,就是如何达到从340-420的输出电压。

仿真波形,335V/6600W, PFC:365V,开关频率62KHz。

第二个控制变量:PFC电压

  主要是考虑到AC电网的电压波动,在偏远区域充电时,经常有高于240V的输入情况,所以把PFC电压定在375V对应265Vac输入情况。设谐振变换器的增益为1,就可以直接计算匝比为375/340,可选择匝比为24/22。    在345V输出时对应谐振频率,输出电压下降就增大开关频率,完全可以满足在10-90%的SOC范围内都落在谐振频率附近,所以优化了该区域的效率。因为增益为1,所以可以调节PFC电压到405V,对应输出电压最高可以到405/1.09 = 370V。此时是通过调节PFC电压而没有调节LLC的频率,所以工作频率也是落在谐振频率上的,效率也得到了优化。

仿真波形,375V/6600W, PFC:405 V,开关频率61KHz

  最后还有370-420V这50V的增益需要满足,而且PFC电压也不能继续提高了。此时就需要引出第三个控制变量,副边短路时间。下图是简易的控制流程图:

第三个控制变量:副边短路时间

  根据前几天推送的文章可知,短路副边时间在1.5uS能提升17%的增益。从370提升到420仅需14%的增益提升,估计副边ON时间在1.2uS左右。而且原边实现了双软开关,电流波形依然是正弦波,副边也实现了ZCS,估计效率不会低。

 仿真波形,425V/6600W,PFC:405 V,开关频率61KHz,副边开通时间1.2uS

副边开关导通时间:


本文总结:提出了一种是应用于铁锂电池的OBC充电效率优化控制策略,经过理论分析和仿真后认为该控制策略能缩窄PFM区域,能优化谐振电流,有利于磁元件设计,对效率提升有一定的帮助。

 

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