用于控制dc-dc转换器的输入电压频率的方法

文档序号:939520 发布日期:2021-03-05 浏览:20次 >En<

阅读说明:本技术 用于控制dc-dc转换器的输入电压频率的方法 (Method for controlling input voltage frequency of DC-DC converter ) 是由 M·塔勒布 A·马卢姆 于 2019-05-27 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种用于控制DC-DC转换器(12)的输入电压频率的方法(30),该方法包括计算所述DC-DC转换器(12)的控制频率值(F)的步骤(65),其中:-如果测得的电压(V_(DCM))大于所述上限电压(V_(DCR)+eps),则该控制频率(F)对应于所述最小控制频率(FR_(MIN));-如果测得的电压(V_(DCM))小于所述下限电压(V_(DCR)-eps),则该控制频率对应于所述最大控制频率(FR_(MAX));并且-如果测得的电压(V_(DCM))介于所述上限电压(V_(DCR)+eps)与所述下限电压(V_(DCR)-eps)之间,则该控制频率(F)对应于基于设定点电压值(V_(DCR))与测得电压(V_(DCM))之差、上误差值(eps)和下误差值(-eps)、以及最大控制频率值(FR_(MAX))和最小控制频率值(FR_(MIN))计算的平均频率(F_(MOY))。(The invention relates to a method (30) for controlling the frequency of an input voltage of a DC-DC converter (12), the method comprising a step (65) of calculating a control frequency value (F) of the DC-DC converter (12), wherein: -if the measured voltage (V) is DCM ) Greater than the upper limit voltage (V) DCR &#43; eps), then the control frequency (F) corresponds to said minimum control Frequency (FR) MIN ) (ii) a -if the measured voltage (V) is DCM ) Less than the lower limit voltage (V) DCR Eps) the control frequency corresponds to said maximum control Frequency (FR) MAX ) (ii) a And-ifMeasured voltage (V) DCM ) Between the upper limit voltage (V) DCR &#43; eps) and said lower limit voltage (V) DCR Eps), the control frequency (F) corresponds to a value (V) based on the setpoint voltage DCR ) And the measured voltage (V) DCM ) A difference between the upper error value (eps) and the lower error value (-eps), and a maximum control frequency value (FR) MAX ) And minimum control frequency value (FR) MIN ) Calculated average frequency (F) MOY )。)

用于控制DC-DC转换器的输入电压频率的方法

技术领域

本发明涉及特别是用于电动或混合动力车辆的电池充电器的领域。

更确切地,本发明涉及一种用于控制用于电池充电器的DC电流到DC电流转换器的输入电压的频率的方法。

背景技术

用于电动车辆的电池充电器(更常称为充电器)需要大量的充电功率,例如在三相运行中可能高达22kW,或者在单相运行中可能高达7kW。

这些充电器通常包括两个功率转换级:执行电网电压到DC总线的AC到DC转换的第一功率因数校正级(通常缩写为PFC),以及控制对电池充电所需的输出电流并通过变压器来电隔离充电器的第二DC到DC转换级(称为DC到DC)。

参考现有技术的图1,在输出电容器的端子处的两个输出DC电压总线分别耦合到DC到DC转换器。

如图2所示,DC到DC可以特别是LLC,其包括电隔离充电器的变压器22。

图3示出了图2的DC到DC转换器的组件的简化图,其包括电容器Cr和两个电感器Lr和Lm。输入电压对应于DC总线,并且输出电压是电池的电压。增益则对应于这两个电压之比。

LLC DC到DC的第一MOSFET桥120以50%的占空比工作,并受频率控制。具体地,频率控制使得可以调整DC到DC的增益并将充电器输入端的DC总线电压调节到给定的设定点值。取决于电池的电压和所需的功率,频率可能在例如60kHz至200kHz之间波动。

现有技术中提出的用于控制这种类型的DC到DC转换器的解决方案通常调节输出电压,例如在Peter,Michal和Anna的出版物A New Approach of Control System Design for LLC Resonant Converter[用于LLC谐振转换器的控制系统设计的新方法]中披露的解决方案。在:MATLAB for Engineers-Applications in Control,Electrical Engineering,IT and Robotics[用于工程师的MATLAB——在控制、电气工程、IT和机器人技术中的应用].InTech,2011年,其中,使用斩波频率控制DC到DC的输出电压。使用PSPICE硬件模块来模拟对频率增量的输出电压响应的动态范围,根据识别方法推导出占空比与输出电压之间的传递函数。然后基于先前推导的传递函数来设计控制器。

传递函数也可以使用称为“小信号”的方法来获得,该方法包括根据操作点周围的激励来推导传递函数,并测量DC到DC的响应,如YANG,Bo 2003年的博士学位论文Topologyinvestigation of front end DC/DC converter for distributed power system[分布式电源系统前端DC/DC转换器的拓扑研究]所描述的。然而,该传递函数仅适用于所考虑的操作点,并且在每次操作点变化时都会变得过时。因此,需要每次重新计算传递函数。这样的解决方案实施起来也相对复杂并且在计算时间方面是昂贵的。

在输出电压在低范围内变化时在控制DC电流方面的控制操作也是已知的。

最后,FANG,Zhijian,WANG,Junhua,DUAN,Shanxu等人的出版物Control of anLLC Resonant Converter Using Load Feedback Linearization[使用负载反馈线性化控制LLC谐振转换器].IEEE Transactions on Power Electronics[IEEE电力电子学报],2018年,第33卷,第1期,第887-898页也是已知的,其中,通过反馈线性化来构造控制以便控制LLC DC到DC的输出电压。该出版物描述了一个7状态非线性模型,该模型随后被简化为2个状态,并提出了通过PI回路进行控制。然而,这种解决方案涉及复杂且昂贵的硬件和软件适应性。

事实是输出电压由电池施加。此外,尤其在电动车辆应用中,事实是该输出电压在很大的值范围内变化,例如在250V至430V之间。

因此,期望控制输入端处的DC电压,因为这使得可以在PFC的输出端处的电容器的端子处施加DC电压。

然而,控制LLC DC到DC转换器的输入端处的DC电压是现有技术无法提供任何令人满意的解决方案的主题。

因此,需要一种用于快速且可靠地控制LLC DC到DC输入端处的DC电压的解决方案。

发明内容

提出了一种用于控制DC电流到DC电流转换器的输入电压的频率的方法,该方法包括以下预备步骤:

-定义最大控制频率值和最小控制频率值;

-定义设定点电压值;

-定义上误差值和相关联的上限电压值;下误差值和相关联的下限电压值,所述上限电压值和下限电压值定义所述设定点电压值周围的误差幅度;

该方法还包括:

-获得输入电压的测得值的步骤;

-计算所述DC电流到DC电流转换器的控制频率值的步骤,其中:

-如果测得的电压大于所述上限电压,则该控制频率对应于所述最小控制频率;

-如果测得的电压小于所述下限电压,则该控制频率对应于所述最大控制频率;并且

-如果测得的电压介于所述上限电压与所述下限电压之间,则该控制频率对应于基于设定点电压值与测得电压之差、上误差值和下误差值、以及最大控制频率值和最小控制频率值计算的平均频率。

因此,可以实现一种用于控制DC电流到DC电流转换器的输入电压的快速且稳健的方法。

有利地但非限制地,当测得的电压介于所述上限电压与所述下限电压之间时,通过应用以下等式计算该控制频率:

其中,值误差对应于设定点电压值与测得电压之差(VDCR-VDCM)。因此,可以确保在测得电压接近设定点电压时精确地收敛到设定点值,并消除静态误差。

有利地但非限制地,该控制操作至少部分地由开环控制器控制。因此可以细化控制频率的计算。

特别是,仅当测得电压介于所述上限电压与所述下限电压之间时,才由比例积分控制器根据频率来控制该控制操作。因此,当测得的电压接近设定点电压时,可以通过选择性地细化控制频率计算来改善控制。

本发明还涉及一种用于控制DC电流到DC电流转换器的频率的设备,该设备包括用于实施上述方法的装置。

本发明还涉及一种用于对蓄电池进行充电的充电器,该充电器包括:

-功率因数校正级;

-LLC谐振DC电流到DC电流转换器;以及

-如上所述的用于控制所述DC电流到DC电流转换器的频率的设备。

附图说明

在参照附图阅读以下通过指示而非限制性地给出的本发明的一个具体实施例的描述时,本发明的其他特征和优点将会变得明显,在附图中:

-图1是现有技术中已知的电池充电器的示意图;

-图2是用于根据图1的充电器的DC电流到DC电流转换器的详细视图;

-图3是根据图2的DC电流到DC电流转换器的LLC电路的简化图;

-图4a是根据本发明的一个实施例的方法的示意性描绘;

-图4b是根据图4a的实施例的方法的计算步骤的详细视图;

-图5是根据图4a的实施例的方法的计算步骤的根据极限电压、设定点电压和测得电压来施加频率控制的方法的示意性描绘,其中,横坐标为时间并且纵坐标为伏特;以及

-图6是根据图4a的实施例实施的方法的流程图。

具体实施方式

图1至图6涉及相同的实施例,并且将同时对其进行注解。

参考图1,连接到三相电网10的电池13的充电器1包括功率因数校正级11(也称为PFC级11)以及DC电流到DC电流转换器DC到DC 12a和12b,每个转换器具有逆变器212。

三相电网10安装在输入滤波器14上,该滤波器将滤波后的输入电流传输到PFC级11。

在PFC 11的输出端处,连接到PFC级11的输出电容器的端子的两个DC电压总线分别耦合到DC到DC转换器12a、12b,这两个转换器在输出端与蓄电池13并联连接。

每个DC到DC 12a、12b(图2中仅示出了一个示例)包括输入MOSFET桥120、LLC电路121(其简化电路图如图3所示)、变压器22和输出二极管桥122。

充电器1还包括用于控制DC电流到DC电流转换器12的装置15,该装置能够实施根据本发明的控制方法60。

根据本发明的控制方法60旨在控制DC电流到DC电流转换器12的输入电压的频率。

参考图4、图5和图6,用于控制DC电流到DC电流转换器的方法包括多个预备步骤61、62、63。这些预备步骤61至63彼此独立。预备步骤61至63旨在定义该方法的操作参数;它们可以在实施方法之前(例如在校准阶段)执行,或者在方法开始时动态地执行。

这些预备步骤61至63还可以在方法60的操作期间再现,以便动态地修改方法的操作参数。

首先,实施定义61最大控制频率值FRMAX和最小控制频率值FRMIN的步骤,例如,在这种情况下,最大频率FRMAX为200kHz,并且最小频率FRMIN为60kHz。

然后实施定义62设定点电压值VDCR的步骤,输入电压应当向该设定点电压值收敛。在图5的示例性实施例中,VDCR=450V。

然后定义63由两个误差值(上误差值eps和下误差值-eps)定义的误差区51,这两个误差值使得可以定义上限电压值VDRC+eps和下限电压值VDCR-eps。

在该示例性实施例中,定义了误差电压+eps=100V和-eps=-100V。

框定设定点电压VDCR的这些上限电压值VDRC+eps和下限电压值VDCR-eps因此定义了设定点电压VDCR周围的误差幅度。

在该实施例中,上误差值eps和下误差值-eps具有相同的绝对值,以便在设定点电压值VDCR周围定义对称的误差区。然而,本发明不限于这些相同的绝对值,并且可以规定上误差值eps和下误差值-eps具有不同的绝对值。

然后,该方法实施获得64输入电压VDCM的测得值的步骤。

然后实施计算65DC电流到DC电流转换器的控制频率值的步骤。

在该计算步骤65中,将测得的输入电压VDCM与上限电压值VDCR+eps和下限电压值VDCR-eps进行比较。

如果测得的电压VDCM大于或等于所述上限电压VDCR+eps,则施加等于所述最小控制频率FRMIN的控制频率F。

如果测得的电压VDCM小于或等于下限电压VDCR-eps,则施加等于最大控制频率FRMAX的控制频率F。

最后,如果测得的电压VDCM严格介于所述上限电压VDCR+eps与所述下限电压VDCR-eps之间,则控制频率F对应于基于测得电压与设定点电压之差、上误差和下误差的值、以及最大控制频率和最小控制频率的值计算的平均频率FMOY

该平均频率FMOY使用以下等式计算:

其中:

-值误差对应于设定点电压值VDCR与测得电压VDCM之差,即,误差=VDCR-VDCM

换言之,一对误差参数-eps、eps使得可以在设定点VDCR附近定义误差区,在该误差区中,控制装置计算出使得可以精确地收敛于设定点值VDCR的频率FMOY

具体地,当误差VDRC-VDRM达到阈值-eps、eps之一时,计算控制频率以精确地达到设定点并消除静态误差。

如下面的逻辑所述,当分别高于或低于该误差区时,应用最小频率FRMIN或最大频率FRMAX,以确保有效收敛。

参照图4a,当测得电压VDCM严格地介于所述上限电压VDCR+eps与所述下限电压VDCR-eps之间时,激活比例积分控制器42,通常称为PI控制器。这使得可以细化要施加的频率F的计算,并将测得电压的收敛性提高几伏特。

因此,第一控制级41的输出作为所谓的前馈开环控制命令到达,并且被添加43到由PI控制器42获得的结果中。

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