本文是一篇电气自动化论文，本文结合两阶段车载动力电池充电曲线，提出了变频-双移相分段控制策略，并给出了改进软启动控制策略消除变换器启动过程中的电流冲击。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
新能源电动汽车因其在环保、经济和可持续性等方面相比传统燃油汽车有许多有利之处，正逐渐成为汽车市场的主流，受到广大消费者的喜爱。近十余年来，国际新能源汽车市场呈现爆发式增长态势，与之配套的公共充电基础设施规模亦呈现出持续倍增的发展趋势。自从2012年发布的“节能与新能源汽车产业发展规划”以来，我国就全力支持发展新能源汽车产业，力求尽快实现能源行业转型及其优化升级[1]-[2]。在政策和市场的双重作用下，我国新能源汽车销量连续多年位居全球第一，中国品牌电动汽车已呈现从“国内”走向“海外”的全球化趋势。根据国家《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》，明确设定了2025年新能源汽车市场占有率20%的发展目标，同时更进一步确立了2035年纯电动车型主导汽车销售市场的战略方向[3]-[4]。
尽管电动汽车产业一片欣欣向荣，纯电动汽车的发展还面临着诸多技术难题，例如电池续航里程很难与传统燃油汽车相较，其充电所需时间往往长达几个小时，这些都是影响消费者体验的直接原因。就电动汽车的充电过程来说，不同于传统燃油汽车简单的向油箱中补充燃料，电动汽车的充电过程需要应用到多个领域的技术，是个十分耗时且复杂的过程。充电机是新能源汽车能源转换系统的核心组成部分，其输出特性将显著影响动力电池充放电效率、循环寿命以及运行安全。在电动汽车续航里程持续提升和电池容量不断增大的发展背景下，市场上对于充电机快速与超快速的充电需求与日俱增，这就迫切要求对功率转换器拓扑结构进行优化设计，并配以智能化的控制算法。因此，实现卓越的转换效率、较高的功率密度以及安全可靠的保护机制成为电动汽车充电机的核心技术指标[5]-[7] 。
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1.2 电池充电技术概述
车载充电机技术的持续进步为新能源汽车的普及起到了推动作用，充电机作为电动汽车充电技术关键的一环，其输出特性对电池的性能及使用寿命有较大的影响。相关数据表明，通过合理控制充电过程，可以缩短充电时间，减小电池老化过程，延长电池的使用寿命[20]-[21]。
动力电池单一模式的充电策略都存在明显的技术局限性。传统的恒流充电模式在一个完整的充电周期内，维持固定的充电电流。在动力电池端电压达到预设阈值时，则认为电池已充满，触发充电终止机制，结束充电。研究显示，单一的恒流充电方式在充电过程后期，电池的极化效应显著，承受电流的能力下降。继续向动力电池提供大电流将导致循环容量衰减率升高，影响电池的性能和使用寿命。同样，传统的恒压充电模式在一个完整的充电周期内，充电机持续输出恒定的直流电压，充电电流呈指数自然衰减。而在充电初始阶段，动力电池等效内阻处于最低状态，施加额定电压将会产生很大的充电电流，引发瞬态过电流现象，影响动力电池的使用寿命[22]-[24]。
单一的恒流或者恒压充电方式，虽然控制相对简单，但是会降低电池的使用寿命，频繁更换电池无疑会影响用户对电动汽车的使用体验。阶段式充电通过整合恒流与恒压两种充电模式的优势，从而实现充电过程的技术优化。摒弃单一的充电模式，将一个完整的充电周期分成两阶段。
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2 车载充电机CLLC变换器输出特性分析
2.1 CLLC变换器工作过程
双向CLLC谐振变换器的电路结构如图8所示，图中Vin和Vo分别为输入和输出电压，Q1~Q4和Q5~Q8分别为原边和副边的开关管，其中开关管Q1~Q4构成原边一次侧全桥，Q5~Q8构成副边二次侧全桥。Lr1、Cr1和Lr2、Cr2分别为原、副边谐振电感、电容，Lm为励磁电感，高频变压器的匝数比为n∶1。直流输入电压被原边全桥高频逆变输出为-Vin到Vin的方波电压，再经谐振网络调制后传输至变压器，最后在副边经全桥整流网络重新转换回直流电，即可将电能经过DC-DC变换后输送至动力电池端[59]。
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2.2 基于基波分析法的CLLC变换器基本特性分析
基波分析法是一种简化电路运行过程的分析方法，在谐振频率点附近可以达到比较高的准确度，因其独特的理论优势与谐振网络固有的频率选择性特性展现出高度的契合性而在谐振变换器的研究中得到广泛应用。
2.2.1 电压增益特性分析
基波分析法作为CLLC变换器输出特性分析的重要手段，其核心在于假设能量传输过程中主要依靠电压和电流的基波分量，忽略能量传递过程中所有高次谐波的影响。为了清晰地阐述CLLC变换器基波分析过程，我们以正向工作模式为例进行详细说明。忽略开关过程中的死区时间影响，同时假设所有功率器件均具有理想特性，不考虑寄生参数带来的非理想效应。原边全桥将输入直流电压逆变为一个呈现正负极性交替变换的方波电压，其幅值范围为-Vin至+Vin。
在全负载范围内实现ZVS对CLLC变换器的设计，提升车载充电机工作效率非常重要。要想实现原边逆变侧开关管的ZVS导通，核心在于开关管导通前要建立零电压条件，即谐振电流在死区时间内完成对开关管寄生电容的放电，使电流能反向流过开关管的体二极管。换言之，谐振网络的输入电流需滞后于输入电压，即谐振网络输入阻抗处于感性工作区，才能保证开关管实现ZVS。上一小节，分析了设计参数k、Q对变换器增益特性的影响，本小节将进一步分析其对软开关特性的影响。
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3 车载充电机CLLC双向变换器的控制策略 .......................... 33
3.1 变频控制降压特性分析.......................... 33
3.2 双移相控制的工作原理............................. 34
4 CLLC双向变换器充电控制电路设计 ........................... 45
4.1 参数设计与选型 ................................ 45
4.1.1 谐振参数设计 .................................... 45
4.1.2 高频变压器的设计与选型 .............................. 47
5 仿真与实验验证 ................................... 59
5.1 CLLC双向变换器充电控制电路仿真模型 .......................... 59
5.1.1 软启动控制仿真结果分析 ...................................... 59
5.1.2 变频双移相分段控制仿真结果分析...................................... 61
5 仿真与实验验证
5.1 CLLC双向变换器充电控制电路仿真模型
由于CLLC双向变换器的双向运行过程是平行对称的，因此本文仅对变换器正向工作时进行了仿真和实验分析。在完成硬件电路设计和软件流程图的绘制以后，使用软件MATLAB其功能模块Simulink进行CLLC双向变换器充电控制电路的仿真模型搭建和调试，输出相应的波形并对结果进行分析，仿真模型如图52所示。CLLC变换器的仿真额定功率设为750W，变压器变比为n=2，输入电压Vin为200V，输出电压Vo=60V~140V，谐振网络仿真参数见4.1小节。
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6 总结与展望
6.1 总结
本文就应用于两级式车载充电机后级的CLLC双向变换器的输出特性和控制策略展开研究，对CLLC变换器的启动过程、增益-软开关特性、参数设计以及控制策略进行了详细分析，提出了改进软启动控制策略，消除了变换器启动过程中存在的冲击电流，和在较小频率变化内实现宽电压输出范围的变频双移相分段控制策略，满足了车载充电机在两阶段充电的电压/电流要求。本文的具体工作总结如下：
（1）对CLLC变换器的启动过程进行分析，确定谐振变换器副边输出大滤波电容会导致在启动时会产生较大的冲击电流。分析降频软启动控制策略和移相软启动控制策略的优势和不足之处，提出了先移相后降频的改进软启动控制策略。实验证明了改进软启动策略能消除启动瞬间产生的电流尖峰，抑制启动过程中产生的电流过冲，有效避免了谐振网络中的电流和电压冲击。
（2）详细分析了CLLC双向变换器运行过程中不同谐振状态的工作原理，利用基波分析法对变换器建立基波等效模型，推导得出电压增益表达式，研究设计参数k、Q对增益特性的影响。建立了变化器的输入阻抗表达式，得到了变换器的软开关阻性边界条件并划分了软开关运行区域。
（3）利用时域分析法建立了变换器的时域模型，详细分析了谐振网络参数k、Zr值对变换器输出特性的影响，并得出谐振网络参数设计的重要原则。结合设计指标，以满足电压增益范围和实现全负载范围ZVS为限制条件，利用最小电压增益求得最大移相角，并迭代求解最小开关频率下峰值电压增益所对应的电感比k值和特征阻抗Zr，完成增益和软开关特性验证。
（4）分析了CLLC变换器在变频控制下升压性能优异和降压性能差的特征，引入降压性能优异的双移相控制，并分析了切换条件，提出了变频双移相分段控制策略。通过建立仿真模型和搭建小功率实验平台，验证了变换器能在双移相控制下实现最小电压增益的降压输出和变频控制下最大电压增益的升压输出，满足车载充电机恒流/恒压两充电阶段的电压/电流输出。
参考文献（略）