基于Z源可串并联输出的直流充电装置

刘 帅 ， 黄 浩 ，2， 李 瑫 ，2， 张福家 ，2， 谢建国 ，2

（1.湖南红太阳新能源科技有限公司，长沙410111，中国；2.中国电子科技集团第四十八研究所，长沙410111，中国）

1 前言

随着电动汽车的发展，对直流充电装置的需求越来越多，对充电装置的输入要求也多样化，然而大部分的充电装置只能针对专门的交直流输入输出进行充电，无法满足负载对充电电压、电流、功率的需求。针对输入多样化的一般性解决方法是输入侧增加逆变或整流单元，将不同的电源统一成交流或直流，增加的中间环节影响系统整体效率和可靠性；针对负载需求的多样化，现有的解决方案是提高充电设备的输出功率和输出电压等级，采取大功率兼容小功率、高电压兼容低电压的方法，但此种方法在充电装置给小负载充电时，存在充电调节精度不足、效率下降、充电容量不能充分利用等缺点［1］。

为了改善现有充电装置的以上缺点，本文提出一种直流充电装置解决方案，解决了多种输入电源兼容性和功率需求多样化问题；该方案在直流输入侧采用 Z 源网络［1］［2］，拓展输入电源的种类和范围，在输出侧采用隔离型双有源桥的拓扑结构［7］，使得输出单元隔离可控；由于Z源网络的存在使得电路拓扑能够兼容桥臂器件直通故障，提高系统的可靠性［1］［5］；针对输入电源的多样化，分别预留了交流输入端和直流输入端，不用在装置外部进行整流或逆变成统一的电源，装置通过设定输入电源的种类、改变Z源的直通零矢量占比便可实现输入直流的升降压控制，可兼容多种交直流电源输入；直流充电装置可以采用任意串并联组合输出，采用通讯控制各装置进行主动均流均压，使得较小容量的充电装置通过组合能够匹配各种电压、功率的充电负载，能够满足各种不同负荷的需求，能够提高充电的调节精度、提高工作效率，充分利用现有的充电装置容量等优点。

2 工作原理

2.1 Z源逆变器原理

Z源逆变器是由浙江大学彭方正教授于2002年提出的一种新型逆变器，其利用独特的无源网络，允许在同一桥臂上下开关管直通从而实现升降压变换的功能为电源、主电路和负载提供巨大灵活性［1］［2］。

Z源逆变器原理图如图1所示，C1、C2、L1和L2构成X型Z源网络，A1～A4构成有源桥，Z源逆变器有三种工作状态:正常导通逆变矢量状态，即开关A1、A4导通，A2、A3 截止（或 A2、A3 导通，A1、A4截止），此时输入电源V_in和充电后的L1、L2均工作在放电状态，共同向负载提供电能；传统零矢量状态，即开关A1～A4均截止，逆变器工作在传统传统零矢量状态，不对外输出电流，电源和L1、L2共同向阻抗网络C1和C2充电；直通零矢量状态，开关器件A1～A4全部导通，逆变器工作在直通零矢量状态，不对外输出电流，二极管D5工作于截止状态，电容 C1、C2 共同对电感 L1 和 L2 充电［2-6］。

图1 Z源原理图

如图1所示，Z源网络为对称网络，假设C1和C2具有相同的电容值C，电感L1和L2具有相同的电感值L，则可知Z源网络2个容电压相同，两个电感电压相同，即:

设定在一个开关周期T中，有源桥工作于直通状态（A1～A4均导通）的时间为T0，T0时间内从图1电路原理图可知:

式中VD为二极管D5压降，V_dc为直流母线电压。

假设有源桥工作于非直通的时间为T1，其中T1＝T-T0，T1时间内由图 1 可知:

在一个开关周期T中，Z源电感两端的平均电压在稳态下为 0，由式（2）和式（3）可得:

经变换后可得

将式（3）代入可得:

由式（6）可知，通过增加插入直通零矢量的时间，可以实现Z源网络的直流母线电压升压。

2.2 双有源桥移相原理

双有源桥式DC-DC变换器是典型的隔离式DC-DC变换器，一般由2组全桥变换单元、电感、高频变压器组成，该变换器结构对称，可以采用移相控制实现开关器件的软开关，一般适用于中大功率场合［8］。

图2 双有源桥DC-DC电路拓扑图

图2为典型的双有源桥DC-DC电路拓扑图，控制开关器件A1和A4同时导通（A2和A3截止），产生V_ac1的正向电压，A2和A3同时导通（A1和A4截止）产生V_ac1的负向电压，控制A1～A4同时导通（上节直通零矢量或同时截止降压）产生V_ac1的零电压；同理控制开关器件A5和A8导通产生V_ac2的正向电压，控制开关器件A6和A7导通产生V_ac2的负向电压，且正负电压占满整个PWM周期；定义V_ac1的占空比为D_ac1，变压器原边副边电压这算到原边后的电压比为k，定义V_ac1和V_ac2之间的移相角为Dφ，其中移相角的范围限制为0＜Dφ＜0.5（1-D_ac1），高频隔离变压器等效电感为L，分析其等效电路可计算出其平均输出功率为［7］［8］:

由上式可知，在双有源桥DC-DC变换器移相控制中，只需控制双有源桥原副边的移相角Dφ，就可实现变换器输出功率的控制。

3 装置设计

3.1 拓扑结构设计

本文提出的直流充电装置的系统拓扑图如图3所示，输入侧的整流桥允许交流电源输入，同时在整流桥的直流母线处引出直流输入端子，兼容交直流输入，输入直流电压为 V_in；C1、C2、L1、L2 组成X型的Z源网络，与A1～A4四个开关器件配合能组成Z源逆变器，在传统零矢量矢量中插入直通零矢量实现Z源升压，Z源逆变器对变压器T1输出方波交流电源；同时，A1～A4、T1 和 A5～A4 组成双有源桥式电路，通过PWM移相实现全桥隔离DC-DC变换，从而实现输出隔离独立可控；从而可以实现多个采用不同输入电源的充电装置进行串并联输出。

图3 直流充电装置系统拓扑图

3.2 运行控制策略

上文章节分析了Z源逆变器原理和双有源桥移相控制原理，本文设计了直流充电装置的控制策略如图4所示，采用电压、电流独立双闭环控制:直流母线电压闭环控制，通过采集直流母线电压V_dc，与直流母线电压参考值Vdc_ref比较，直流母线电压偏差V_err经过电压控制器调节，输出pwm11～pwm14控制有源桥原边开关器件，通过调节插入直通零矢量的时间来调节升压电压（当直流母线工作于降压模式时，可通过调节插入传统零矢量的时间来调节降压电压）；输出电流闭环控制，输出电流参考值Iout_ref与实际输出电流V_out比较，电流输出偏差I_err经电流控制器调节副边有源桥移相角度输出pwm21～pwm24，控制装置的功率、电流输出。

结合上文公式（6）和公式（7），可推导出充电装置的传输功率传递函数:

其中，D_short为插入的直通零矢量的占空比，且小于0.5；Dφ为有源桥副边移相角度，角度应小于 0＜Dφ＜0.5D_short； 采 用单独的电压和电流双闭环控制，分别控制插入直通零矢量占空比和副边有源桥移相角度，从而实现充电装置的解耦控制输出。

图4 控制策略框图

4 仿真验证

为验证本文提出的装置及其控制方法的可行性和性能，基于Matlab/Simulink软件对本装置进行建模仿真，以图1所示的主电路拓扑和图4所示的控制策略进行建模，对输入母线直流升压和输出电流分别进行控制，控制器均采用带PI控制器。

输入电源采用120VAC交流电源，输入直流升压等效直流电压（采用一阶滤波器滤波得到）目标值设置为200VDC，开关器件开关频率采用10kHz，高频变压器变比为1，Z源电容C1、C2选用100uF，Z源电感L1、L2选用5mH，输出负载选用10Ω。

图5为单个装置的带负载启动运行仿真，采用120VAC交流电源输入，负载为10Ω电阻，输入直流升压等效电压为200VDC，输出电流初始目标值为8A，在0.3s时输出电流目标值突变为12A。从图中可以看出，在升压启动阶段，插入较多的直通零矢量，双有源桥采用较大的移相角度进行控制，约0.04s后启动升压完成，经过0.1s运行达到稳定；0.3s时输出给定突变，移相角增大，实际输出电流经过0.02s后达到稳定的12A。

图5 单机运行仿真

对四个直流充放电装置进行串并联仿真，如图6所示，采用2个10Ω电阻并联负载，各装置输入电源为120VAC交流电源，给定各单个装置初始目标总输出电流为16A（单装置输出电流8A），0.3s调整目标总输出电流为24A（单装置输出电流12A），监测总输出电压、电流，单个装置的输出电压、电流。

图7所示为串并联总输出电压电流，约0.05s装置完成启动达到设定总输出电流16A，总输出电压达到 170VDC，约 0.1s处输出达到稳定；0.3s处调整控制总输出电流升至24A，输出电压升至240VDC，在 0.31s处达到稳定。

图8为串并联输出时单个装置的运行情况，由图可知单个装置的电流、电压约为总输出电流电压的一半，电流电压的变化与总输出电流电压较为一致。

综上仿真分析，本文的直流充电装置具有较好的稳态性能和动态调整控制性能，同时能够进行任意的串并联组合，共同给大负载充电，且各装置间能够实现较好的电压电流均衡输出。

图6 串并联仿真建模

图7 串并联总输出电压电流

图8 串并联单个装置运行情况

5 结论

本文提出一种基于Z源可串并联输出的直流充电装置，并给出其运行控制策略，对其进行理论分析和仿真验证，得出结论如下:

（1）本文提出充电装置分别预留了交流输入端和直流输入端，不用在装置外部进行整流成统一的电压，兼容多种交直流输入电源。

（2）本文提出的充电装置在输入侧采用Z源网络，能够大范围的实现输入电源的升降压，同时由于Z源网络的存在允许桥臂开关器件进行直通，提高了充电装置的可靠性。

（3）本文采用双有源桥隔离DC-DC变换器输出，能够实现输出的任意串并联输出，使得较小容量的充电装置能够通过组合匹配各种电压、功率的负载，满足各种不同负荷的需求。

（4）本文提出的直流充电装置采用输入直流升压、输出电流（功率）双独立闭环控制，通过Z源直通零矢量、双有源桥移相控制来实现输入直流升压和输出功率控制，该装置在串并联输出运行时对各装置的进行独立控制，较为容易实现电压电流均衡输出。

本文从理论上验证了提出的充电装置的可行性和优越性，为多电源供电、便携式组合电源提供多种可能性，使得多种输入电源的小容量充电装置能够组合工作满足大负载充电需求，同时也提高充电装置的调节精度、工作效率、可靠性，可广泛应用于大型电动汽车充电站、军用便携式组合电源、多混合电源直流充电系统等场景。