基于热路模型的充电机智能功率调节方法研究-兴志.pdf

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1、基于热路模型的充电机智能功率调节方法研究木兴志1，应展烽2(1南京信息职业技术学院电子信息学院，江苏南京210023；2南京理工大学，能源与动力学院，江苏南京210094)摘要：车载充电机是电动汽车发展的关键设备。此类设备在高温环境下运行极易超过最大温升限制，同时车载设备因路况和空间等问题，器件温升不易直接测量，难以实现温度可靠保护。针对车栽充电机在高温环境应用时易过温的问题，提出基于功率器件集中参数热路模型的智能功率调节方法。该方法首先探寻充电机内部温升最高的功率器件；随后针对该功率器件，建立可描述器件温度、输入功率及环境温度关联性的集中热路模型，并对模型参数进行估计；最后利用该热路模型，构

2、建充电机输入功率闭环控制策略；实验结果表明，基于热路模型的功率控制方法，可有效限定充电机功率器件温升，提高充电机的热稳定性。关键词：集中参数；热路模型；充电机；智能功率调节中图分类号：TM315 文献标识码：A DOI：1016157iissn02587998172384中文引用格式：兴志，应展烽基于热路模型的充电机智能功率调节方法研究【J】电子技术应用，2018，44(2)：124126，130英文引用格式：Xing Zhi，Ying ZhanfengResearch on intelligent power adjustment method of charger based on the

3、rmal modelJApplication of Electronic Technique，2018，44(2)：124126，130Research on intelligent power adjustment method of charger based on thermal modelXing Zhil，Ying Zhanfen92(1School of Electronic Information，Nanjing Information Technology College，Nanjing 210023，China；2School of Energy and Power Engi

4、neering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)Abstract：Car charger is the key equipment for the development of electric vehiclesSuch equipment is prone to exceed the maximum temperature rising limitation when operating in high temperature environmentMeanwhile，the device t

5、emperature of the vehicleequipment is difficult to obtain directly due to the road conditions and other issues，and therefore cannot achieve the temperatureprotectionIn this paper，a smart power adjustment method based on the power device lumped parameter thermal circuit model isproposed aimed at over

6、coming this problemIn this method，the power device that has the highest temperature inside the charger isanalyzed firstlyThen，power device lumped parameter thermal circuit model is established，which is correlated with the ambienttemperature and output powerNext，the optimal model parameters can be ef

7、fectively estimated via the least square methodThe ex-perimental results verify that the power control method based on the thermal path model can effectively limit the temperature risingof the charger power device，and improve the thermal stability of the chargerKey words：lumped parameter；thermal cir

8、cuit model；charger；intelligent adjusting method0引言快速充电技术是促进电动汽车发展的关键技术之一。但电动汽车使用环境复杂，在高温13照天气下汽车内部温度极高，若车载充电器长时间工作在较高的功率下，其内部功率器件发热情况严重，可引起各种失效故障。因此充电机在高温环境下应采取控温手段，降低功率器件温升，提高设备运行安全性。为此，国内外已有部分学者开始研究功率智能控制技术i1】，该技术主要是一种温度闭环控制方法，通过实时获取功率器件的工作温度，调整输入功率以提高功率器件运行的可靠性。但电动车辆在路面较为颠簸的路况下行驶时，功率器件温升不易直接获取，因此

9、也难以完成其功率智能控制。为此，文献23】提出了非稳态测量方法，通过对功率器件暂态温升过程的测量即可建立热路模型，但该模型重点关注温升动态过程，未计及器件温度、工作电流及环境温度之间的联系，不利于实现功率设备的热保护。针对充电机充电方式可控的特点，本文提出基于功率器件集中参数热路模型的智能功率调节方法。该方法不需直接测量功率器件温升情况，只依据当前环境温度基金项目：江苏省科技厅产学研前瞻性项目(BY2015013一01)；江苏省电子信息工程技术研发中心开放基金(KF20130101)；江苏高校品牌专业建设3-程资助项目(PPZY2015C242)124 欢迎网上投稿wwwChinaAETcom

10、 电子技术应用2018年第44卷第2期万方数据和输入功率，即可实现功率器件的热保护。1充电机智能功率调节方法原理由于充电机内部各器件热功耗与散热条件不同，在相同工作条件下，各功率器件温升也不相同，需确保全部器件工作温度不超过安全温度。因此需确定温升最恶劣的功率器件。同时车载充电机功率器件温升难以直接测量，因此需离线状态下建立此器件热路模型。其主要原理如图1所示。I瓣H温升模型蚓参数估计削磊嚣黎耄l!：二二：二二：蔓氍孽：一：K一篓骥点一j图1智能功率调节原理示意图智能功率调节部分即可以利用此热路模型，构建功率器件温升及和输出电流的闭环控制策略，该控制策略可据器件温升限制调整充电机输入功率，实现

11、充电机温升保护。2功率器件集中参数热路模型及其参数估计21集中参数热路模型原理对于边界不好确定的热路模型，可通过集中参数法建立功率器件温升模型【4】。集中参数法的优势在于易于实现，直观可靠，精度高，可实现温升曲线的拟合。集中参数热路模型通常将功率器件和散热器视为整体，一般情况下功率器件热阻远小于散热器热阻，则功率器件热阻相对于散热器热阻可被忽略(即毕渥数Bi1)旺】。因此，功率器件热传导过程可等效为图2所示的集中热路模型。图2功翠器件等效模型图2中Pd为功率器件热流量，巧为功率器件温度，瓯为功率器件至环境之间的集中热容，风，为功率器件至环境之间的集中热阻，L为环境温度。根据热电类比理论【5】，

12、热路问题可借用电路理论，因此功率器件达到稳态时的温度：咒=瓦+PdRm (1)功率器件热流量的主要来源为热损耗，热损耗取决于功率器件的效率田和输入功率Pi陋1。因此，功率器件热流量Pd可表达为：Pd=PiPir (2)再由式(1)可得功率器件工作时温度：瓦=瓦+(1-r)RtI只 (3)可见，当集中热阻不变的情况下，功率器件稳态温电子技术应用2018年第44卷第2期度决定于环境温度、输入功率和效率的变化，因此可以将上式简化为一般表达式：咒=C1+c2只+c3 (4)式中C。为环境温度系数，c2为功率系数，c3为修正系数，由式(4)可知集中热路模型可有效描述功率器件的稳态温度。22热路模型参数估

13、计方法集中热路模型可视为等温体，一般由多种材料构成，包含接触热阻等，其参数难以通过理论计算得到。故采用参数估计的方法，当温升观测数据多于参数时，可视为参数的超定方程组。以式(4)为基础，通过多次观测得方程组，如式(5)所示。C1瓦l+c2 Pil+C3=瓦lCl如+C2岛+C3=Cl+C2R+C3-(5)式中、R为第n次观测条件和工作状态，k为第次观测结果。方程组(5)矩阵形式可表示为：Ax=b (6)瓦1 尸：t 1其中A=l j l，为观测条件数据矩阵；工=【乙 & 1 JC。c2 c3】，为系数向量；6=瓦-k】7，为功率器件温升观测数据向量。对于超定方程组(6)，采用最小二乘原理可得其

14、法方程如下71：ATAx=ATb f71此时，参数C。、Cz和c3的估计，转化为式(7)的最小二乘解：工=(A7A)一1Ab (8)3充电机智能功率调节策略本文以恒流快充模式运行的充电机作为调控对象。以上文所建模型及其参数为基础，构建充电机智能功率调节策略，如图3所示。该策略由功率调节外环和电流调节内环组成。图3智能功率调节控制策略功率调节外环根据反馈功率Pi和环境温度L，计算最恶劣器件工作温度咒，以最大限定温度丁为目标，计算误差温度r，通过PID整定电流k，并通过电流限幅环节，瞰给出目标电流k。电流内环控制输出电流，限制充电机输入功率，从而实现智能功率控制。125万方数据该策略首先判断环境温

15、度，在高温环境下误差温度r0，经PID调整后k减小，输入功率降低，功率器件温升被限制。在低温环境下，误差温度r一直存在且较大，由于PID积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加，一直达到输出极限值，出现积分饱和现象。为此消除此现象采用限幅法，使控制器输出信号被限制在控制范围内。4实验结果与分析41温升测试平台为观测功率器件温升与验证控制策略，设计实验平台，如图4所示。充电机内置在高低温实验箱中，模拟环境温度变化。数采装置通过USB接口向微机传送瓦、瓦和Pi数据。微机通过USBCAN通讯装置对充电机输入电流和功率调节。高低温试验箱塾啪国c心INR网P，n咒 充电机F-二一I装置 蓄电池图4测试平

16、台42温升最恶劣器件的测试温升最恶劣器件的判定，主要观测功率器件的温升。图5给出了充电机输入功率为500 W，环境温度分别为20-50时的主要功率器件温升曲线。MOS餐变压器整流管整流桥30 。 1000T,。C 200500fs图5，)=500、力，誓：器件温曲线图5中四种功率器件中MOS管温升为最高。改变充电机的输入功率进行测试，可得相同结果，因此可确定该充电机中MOS管为温升最恶劣器件。另外，充电机采用最大温升为85的工业级芯片设计，故本文限定MOS管运行温度不超过85。43热路模型参数估计结果分析表1给出了不同输入功率等级和环境温度下的MOS管运行温度实测结果126 欢迎网上投稿WWW

17、ChinaAETcorn表1 MOS管稳态运行温度实测结果以式(8)为目标函数，对表1中的结果进行参数估计，可得热参数cl=1104 9，c2=0018 1，c3-7738 7。进而得到功率器件热路模型表达式：咒=1104 9T,+0018 1Po+7738 7 (9)为了验证所建立热路模型的准确性，重新设计了六组未参与前文数据参数估计的充电机运行条件，对比验证模型的准确性。相关结果如表2所示。分析可知，模型计算温度的相对误差小于2，因此该热路模型能够准确反映器件运行温度。表2模型准确性对比分析表44智能功率调节方法有效性验证为验证本文所提功率智能调节方法，现将充电机运行于l 000 W功率条

18、件下。工作环境温度由室温31逐渐上升至55，如图6(a)所示。图6(b)给出了此运行环境下的充电机MOS管温升实测曲线。由图可见，随着环境温度提升及自身的功耗作用，MOS管运行温度逐渐提高。但因未施加功率智能调节，MOS最终稳态温度可达88，已超过所限定的85安全运行温度。再在相同的运行环境和条件下，采用所提智能功率调节方法，对充电机MOS管运行温度加以限定。图7给出了通过智能功率调节后的MOS管运行温度。由图可见，此时MOS管稳态温度在85附近波动，但并未超标。同时，充电机的输出功率由初始的1 000 W调节至930 W，故所提方法有效避免了输出功率过高带来的MOS管温度超标问题，提高了充电

19、机运行的安全性和可靠性。5结论本文针对车载充电机工作环境特点，提出了一种充(下转第130页)电子技术应用2018年第44卷第2期阳加0万方数据FFT analyst；Fundamenla J(50Hz)：209 1 THD=331 谐波失真。兰29。I。 5结论兰、4 本文提出了一种三相四桥臂逆变器前三桥臂SVPWM专1 5 调制和第四桥臂电流滞环调制相结合的新型控制方案，善 ll|Jl 并实现了逆变器的双闭环解耦控制，控制算法相对简娄”i I|llI。 单，实际计算量小；在不平衡负载条件下，采用新控制方o Il 200t) 3000 4000 5000 案的四桥臂逆变器输出的三相电压波形更接

20、近正弦波，总谐波失真率和谐波分量均显著下降，极大地提高了逆(。本文逆7坚器lu皆波的7兀1分析变系统的条件适应性。FF阳”啦。i Fundamental(50Hz)=2099 THD=18 79 参考文献至，； ll 1】孙驰，鲁军勇，马伟明一种新的三相四桥臂逆变器控制；|萎2_0 方法J电工技术学报，2007，22(2)：57637 5 Ill 【2】费兰玲不平衡负载下三相四桥臂逆变器的控制与实薹 j IIlI| 现D武汉：华中科技大学，2011垂：i嘲llIIIIIll|III。儿。 31唐成基于三维空间矢量控制的三相四桥臂逆变器的研 川 !1。3f100 4000 51)(1(I 究与设

21、计D株洲：湖南工业大学，2014f川， “o LJ。7”(1，普通逆，受器f乜JR谐波的、门分析 4】赵峰，理文祥，葛莲基于sVPwM控制的逆变器仿真研图9逆，墅器输电压谐波分析 (下转第134页)gU85 85。C807570656055n n 5 1 E，h图7智能功率调节曲线Applications，2006，42(2)：552-5582】李洪才，陈非凡，董永贵功率器件散热特性的非稳态测量方法J】电工技术学报，2012(2)：114120【3】李洪才，陈非凡，董永贵功率器件稳态温度预测的非稳态测试及精度分析J航空学报，2012(3)：537543【4】万萌，应展烽，张旭东，等功率器件集总

22、参数热路模型及其参数提取研究J】电工技术学报，2015(21)：3l一38【5】江淘莎，李剑，陈伟根，等油浸式变压器绕组热点温度计算的热路模型J高电压技术，2009(7)：163516406】孙凯，陆珏晶，吴红飞，等碳化硅MOSFET的变温度参数建模J】中国电机工程学报，2013(3)：37437】王然，安连锁，沈国清，等基于奇异值分解的炉膛三维温度场声学重建仿真研究【J】中国电机工程报，2014(S1)：147-152(收稿El期：20170528)作者简介：兴志(1980-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：电力电子技术。应展烽(1982一)，男，博士，副教授，主要研究方向：电力电子技术。电子技术应用2018年第44卷第2期5XhC1、：i一，爿蘼茹多创m一a哇i，j目五0L一箍州_蔓韭1tn目；、nvl，戋a怍：聚果i屺咖f=一一一一发一峨一一一一一一一一，“l：；：1Jl，f!J，-ll1i竞i薛1h旨胡骚：EWj“I走群；匡门，币，；胃一一李头jIInft；可h乏吨nl一、lt=一、1n、痒一_唠关!-恙J鲁5E”】，i；Ii0Cife：、ER!dgm一汕m一一一一一一一一5，一7#EEYM_踮智方件雕准在删上页o。o。o。oo踮乃加锯o，淬恸馓一挺沌胁牲66554433(吐讥参全定K“习一弱一一、拍。踮一，锯。一一一一一一献一一 一万方数据