带均衡功能的电动汽车辅助电源模块（APM）扩展相移（EPS）控制策略研究

《Electronics》：Research on an Extended Phase-Shift Control Strategy of an Electric Vehicle Auxiliary Power Module with an Equalization Function

　　

在新能源电动汽车领域，锂电池单体需要串联和并联连接以满足高电压和高功率的要求。针对传统主动均衡器成本高的问题，研究人员开发了一种半/全桥（half/full-bridge，HFB）变换器，将锂电池均衡技术集成到电动汽车的辅助电源模块（auxiliary power module，APM）中。通过在半桥侧引入直流占空比调节来实现非对称调制策略，从而提高均衡速度。为了抑制全桥侧的回流功率（backflow power），在单移相（single-phase-shift，SPS）控制策略的基础上提出了一种扩展移相（extended phase-shift，EPS）控制策略。分析了在所提出控制策略下HFB变换器的工作原理和工作模式，并对两种控制策略下变换器的传输功率和回流功率数学模型进行了比较。实验表明，模块化HFB变换器兼具锂电池均衡和辅助电源模块功能，同时验证了所提出的扩展相移控制策略的正确性。

**1. 研究背景与问题**

新能源电动汽车高压平台电压等级通常为200 V~400 V，为满足高电压和高功率需求，大量锂电池单体需串联和并联组合。受材料分布不均及制造工艺差异影响，单体电芯在等效内阻、初始容量等参数上存在不一致性，锂电池均衡器由此成为电池管理系统的重要组成部分。传统主动均衡器控制复杂、成本较高，目前多用于高端车型。电动汽车中的辅助电源模块（auxiliary power module，APM）负责将高压电池包能量转换为低压负载所需电能，其低压侧负载主要包括照明、雨刮、电动压缩机等设备。若将主动均衡功能集成至APM，并以多个低额定功率的模块化半/全桥（half/full-bridge，HFB）变换器替代原有降压变换器，则可在保留APM功能的同时省去独立均衡器板卡，降低系统硬件成本。然而，HFB结构简化带来了两个电芯能量流之间耦合的问题；在传统对称调制下，半桥内两个电芯的均衡电流取决于电压差，压差较小时均衡过程缓慢。此外，全桥侧采用单移相（single-phase-shift，SPS）控制时存在较大回流功率，导致效率偏低。因此，有必要研究一种既能加速小压差下电芯均衡、又能抑制全桥侧回流功率的新型控制策略。

**2. 研究内容与主要结论概述**

研究人员在HFB变换器半桥侧引入直流占空比调节，实现非对称调制策略，使电芯压差较小时仍可获得足够大的均衡电流；在全桥侧提出扩展移相（extended phase-shift，EPS）控制策略，通过增加内移相自由度抑制回流功率并降低电路损耗。研究分析了该策略下HFB变换器的工作原理与工作模式，建立了SPS和EPS两种控制策略下传输功率和回流功率的数学模型并进行了理论对比。仿真和实验结果表明，模块化HFB变换器可同时实现锂电池均衡和辅助电源转换功能，四种运行模式均有效，且所提策略在均衡速度和转换效率方面均优于SPS策略。

**3. 主要关键技术方法**

研究人员在Simulink中建立了由两个HFB变换器模块组成的仿真模型，为降低仿真时长且不影响电路特性，每个电芯用3 F电容等效，各电芯初始电压按设定条件给出。实验平台由四节串联锂电池、HFB变换器样机、电流传感器、基于微控制器的控制单元、12 V蓄电池和示波器等构成，实验参数与仿真参数一致。采用的主要技术方法包括：半桥侧非对称调制方法，利用比例控制器和限幅器生成直流调节占空比D_i，其范围限制在0.47~0.53，兼顾变压器铁芯抗饱和与电芯最大允许均衡电流；全桥侧EPS控制方法，根据电压传输比和给定标幺化输出功率，依据最优移相比关系式计算内、外移相比，从而实现回流功率抑制。

**4. 研究结果**

**4.1 半/全桥变换器特性分析与非对称调制策略**

通过推导半桥侧直流分量与电芯电压差的数学关系发现，在对称调制下，当相邻电芯压差为0.05 V时，均衡电流仅为0.5 A，且压差越小均衡速率越低。引入直流调节占空比D_i后，即使电压差很小，仍可获得较大均衡电流，从而加快半桥内电芯均衡速率。由于锂电池电压变化缓慢，采用比例控制器即可实现该策略；D_i由限幅器限制在安全范围，避免变压器磁芯饱和。

**4.2 扩展相移控制策略及回流功率抑制**

在仅进行高压侧到低压侧功率传输（H2L-only）模式时，SPS策略下全桥侧会产生较大回流功率。EPS策略在SPS外移相比基础上引入内移相比Φ_i1，使变换器具有两个移相自由度。基于分段波形推导了SPS和EPS两种策略下的传输功率、回流功率标幺化表达式，并给出给定电压比和输出功率下使回流功率最小的内、外移相比关系式。理论对比曲线和实验波形均显示，EPS控制能有效抑制全桥侧回流功率，且在全负载范围内仍能实现功率传输。

**4.3 实验验证与整体性能对比**

实验平台验证了HFB变换器的四种工作模式：C2C-only模式实现半桥内两电芯直接均衡；C2C-and-H2L模式在均衡的同时向低压侧传输功率；负移相比模式实现低压侧到高压侧反向功率传输；无移相模式实现半桥内电芯间能量交换。在相邻电芯初始压差为0.05 V时，对称调制下电感电流直流分量很小，均衡速度慢；非对称调制下通过增大D_i可显著提高均衡电流。在标幺化输出功率为0.5和0.8条件下，EPS策略相比SPS策略在全桥侧几乎不产生回流功率。效率与电芯电压收敛曲线对比表明，SPS策略下均衡约30 min完成，峰值效率89.6%，组内均衡完成后的组内均衡效率接近零；采用EPS结合非对称调制后，组内电芯均衡约16 min完成，组间均衡约28 min完成，峰值效率提升至93.2%。

**5. 讨论与结论**

讨论指出，若单个电芯发生开路故障，故障所在HFB模块内开关器件均关断，其余健康模块仍可继续向低压侧供电；实际电池包可采用LTC6804-1等电池监控芯片实现电压采样，菊花链通信延迟远小于电芯电压变化时间，对均衡性能影响可忽略；在环境温度25 °C下，功率开关稳态温度为38 °C，变压器磁芯温度为41 °C，高电流均衡工况下的完整热分析留待后续研究。研究结论为：为降低传统主动均衡器成本，研究将锂电池主动均衡集成至电动汽车APM；半桥非对称调制保证小压差下的大均衡电流；全桥EPS控制通过增加移相自由度抑制回流功率并减小电路损耗；仿真证明了模块化HFB变换器能同时执行电池均衡与辅助功率转换，实验结果验证了所提控制策略的正确性以及四种运行模式的有效性。