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第8卷 第3期 2025年05月；页码：310-316
并联充电模块高精度自适应均流技术研究
High-precision Current Equalization Technology for Parallel Charging Module Auto-adapting to All Working Conditions
- 1. 国网河北能源技术服务有限公司，河北省 石家庄市 050000
- 2. 清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084
- LI Bingyu1*, DU Xuhao1, CAI Ziwen1, QIAO Ying2 (1. State Grid Hebei Energy Technology Service Co., Ltd, Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China
- 2. Department of Electrical Engineering and Applied Electronics, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
电力场站应急备用电源的充电模块可能会出现其等值参数退化所致的不均充现象，将加速功率器件老化和蓄电池最大可放电容量衰减。为延长充电模块的整机工作寿命，为蓄电池高质量供电，必须攻克并联充电模块低成本均流控制技术。揭示了电路参数与频率增量对充电模块均流效果的影响；提出了以电流偏差为观测量、工作频率为控制量的并联模块自适应均流解决方案，设计了双精度自适应均流策略和电压选调电路，给出蓄电池均浮充循环时双精度自适应控制电路的工作时序；开发了双精度自适应均流充电模块样机，验证结果表明基于双精度自适应均流技术的并联充电模块在输入输出全工况下具有良好的鲁棒性：20%负载（2 A）和50%负载（5 A）下绝对均流不平衡度分别小于5%和2.3%。
The charging module of the emergency standby power supply for power plants and stations may experience uneven charging due to the degradation of its equivalence parameters, which will accelerate the aging of the power devices and the degradation of the maximum dischargable capacity of the batteries. In order to extend the working life of the charging module and provide high quality power supply for the battery,it is necessary to overcome the low-cost current equalization control technology of parallel charging module. This paper reveals the influence of circuit parameters and frequency increment on the current equalization effect of charging modules. propose an adaptive current equalization scheme for parallel modules, take the current deviation as observation and take the operating frequency as control, design the doubleprecision adaptive current equalization strategy and voltage selection circuit, give the working sequence of the doubleprecision adaptive control circuit when the battery is floating charging cycle, develop a prototype dual-precision adaptive current equalization charging module. The experimental results show that the parallel charging module based on doubleprecision adaptive current sharing technology has good robustness under all input and output conditions. The absolute current unbalance at 20% load (2A) and 50% load (5A) is less than 5% and 2.3%, respectively.
0 引言
电力场站用直流电源，广泛采用多个充电模块并联供电模式[1-3]，为阀控式铅酸蓄电池提供均充或浮充电力流。然而，支撑均流控制的电流检测精度受限于充电模块额定工作电流，大电流均充时均流不平衡度可有效保证，但无法兼顾小电流均充时均流不平衡度[4-6]，进而影响功率器件与蓄电池寿命的使用寿命[7]。因此，亟需针对充电模块宽范围工况开展高精度均流控制技术研究[8]，延缓模块电热应力过载及蓄电池充电电流纹波所致器件级寿命缩短问题[9-11]。
并联模块在后级LLC谐振变换器 （resonant converters） 采用有源或无源均流方案。有源均流方案通过并联模块输出电流采样值的间接比较结果，调节LLC变换器的电压增益实现均流控制[12-16]。无源均流方案无需均流控制环路，通过电路、磁路耦合等简单方式实现均流[16-18]。
文献[19-20]分析了不同耦合阻抗的并联电容LLC谐振变换器的均流效果，但未考虑小电流工况下及站用的背景，具有局限性。文献[21-22]采用移相调节的交错并联技术，降低输出电流纹波，提高多模块并联的均流性，但实现方法较为复杂或仅进行仿真，未证明所提方法的有效性。文献[23-24]通过加入电感或辅助变流器消除大电流脉动，实现均流目的，但是加入辅助变流器会消耗部分能量，造成整体效率的下降。
基于传统多LLC变换器的共母线均流方式，设计了增益不同的两个采样放大电路和电流自适应选择电路，配合脉冲频率调制（pulse frequency modulation，PFM）策略[25-27]，提出工况自适应均流零值双精度判断及频率增量调节方法，并研制出充电模块样机，实现蓄电池宽范围均充工况的自适应高精度均流控制。实验验证表明，采用工况自适应均流零值双精度判断及频率增量调节技术后，并联充电模块的均流效果得到了提升，50%负载下（5 A）的绝对均流不平衡度小于2.5%，25%负载下（2.5 A）绝对均流不平衡度小于5%，可有效解决并联充电模块失衡所致功率器件和蓄电池的早发故障。
1 充电模块工作原理与并联输出特性
1.1 充电模块工作原理
以后级LLC变换器为核心的充电模块简化主电路见图1。图中，S1、S2、D1、D2分别为上下桥臂MOS管开关管和反向恢复二极管，C1、C2为耦合电容，Vgs1、Vgs2为MOS管的驱动信号，Lr、Cr分别为谐振电感和谐振电容，Lm为励磁电感，D3、D4为输出整流二极管，CO为输出滤波电容，Vs为前级整流器输出的直流电压，vab为谐振电路输入电压，VO为谐振整流电路输出电压（即电池电压），Ns为高频变压器的变比，IO1、IO2分别为充电模块1、2的工作电流，IO为蓄电池的充电电流。
图1 充电模块简化主电路
Fig. 1 Simplified main circuit of charging Module
开关管S1、S2互补通断产生的开关电源电压Vab，作用于Lr、Cr与Lm组成的LLC变换电路，励磁电感电压向高频变压器提供原边电压，高频变压器双输出经整流滤波向蓄电池恒流或恒压充电，蓄电池的电压或电流的目标值与实测值之差作为开关管Vgs1、Vgs2脉宽调制的依据，充电模块均流值与实测值之差作为均流控制的依据。
1.2 充电模块并联输出特性分析
输出电压VO与开关电源电压vab的幅值Vab和频率f有关，并受蓄电池等效电阻R影响：
式中：
为谐振频率。典型的输出电压曲线VO（f，Vab）如图2。
图2 输出电压VO曲线
Fig. 2 Curve of output voltage VO
蓄电池充电电流等于各模块工作电流之和，但模块充电端口前级电路等效电压源和电阻的不一致性使模块工作电流失衡，会导致蓄电池充电电流及电压的纹波增大[28]。因此，必须采用模块并联均流技术，以降低蓄电池充电电流及电压的纹波，避免功率波动所致蓄电池寿命快速耗损现象发生[29-32]。
2 充电模块并联自适应均流技术研究
2.1 并联均流效果分析
一般通过调节LLC变换器的工作频率f改变充电模块的工作电流，工作频率等于工作频率参考值fref和频率增量Δf之和：
式中：工作频率参考值fref由经验VO(f, Vab)曲线确定；频率增量Δf由充电截止条件和均流判据共同决定。
充电截止条件包括恒流充电时蓄电池电压达到目标值和恒压充电时蓄电池电流达到目标值。不同模块充电端口的直流等效参数差异，使得并联的LLC变换器等值电流工作时工作频率不同，而蓄电池接近满充、小电流均充状态时，工作电流对频率更敏感，故频率增量的大小影响工作电流的纹波和不均衡度。图3为均流电路及其控制策略。
图3 均流电路及其控制策略
Fig. 3 Current equalization circuit and its control strategy
图3中，由采样电阻Rsi和R1～R4放大电路进行模块工作电流IOi的调理（调理系数K），产生电压值VOi：
由R1～R4比例差分电路产生两个输出，一个输出点接均流母线（电位V′O），n个模块LLC变换器的差分放电电路输出点并联时有：
即n个模块的平均工作电流等于V′O/K。另一个输出为均流误差电压ΔVOi：
令M=R5/R7，称之为比例差分电路的放大倍数，当M远大于1时有：
由式 （2） —（4） 可得：
均流判断条件|V′Oi|＜εV（εV为控制芯片设定的均流误差电压零值判断精度，＞0）时有：
式 （8） 中，εI为均流电流差的零值判断精度，MK越大均流误差电流零值判断精度εI越小。
2.2 基于双精度零值检测的并联自适应均流技术
2.2.1 并联模块双精度自适应均流控制策略
针对蓄电池充电电流宽范围变化时并联模块均流的工程需求，通过R1～R3放电电路参数设计为VOi配置两个可供选择的调理参数K0和K1（K0＜K1），并分别配置频率增量Δf（Δf0＜Δf1）：
在此基础上设计了自适应均流控制策略，如图4所示。
图4 并联模块双精度自适应均流控制策略
Fig. 4 Dual-precision adaptive current equalization control strategy for parallel modules
图4中，S为蓄电池充电电流数值范围的状态标志，由主控芯片提供。IO＜0.5IOref时，S=1，否则为0。VSTR为信号S对应的选择电平信号。
2.2.2 双精度自适应电压选调电路设计
双精度自适应选调电路原理设计如图5所示。
图5 充电模块双精度自适应电压选调电路原理
Fig. 5 Principle of dual-precision adaptive voltage selection circuit of charging module
图5中，左侧虚框内为双增益放大电路，右侧虚框内为调理电压选择电路。
根据双增益放大电路，可得：
调理电压选择电路，承担V′O1和V′′O1二选一职能，逻辑状态如表1所示。
表1 调理电压选择电路的逻辑状态表
Table 1 Logical state of conditioning voltage selection circuit
充电电流IO ＜0.5IOref ＞0.5IOref S 0 1 VSTR ＞2.86 V ＜0.5 V T1 截止 导通T2 导通 截止T3 导通 截止T4 截止 导通VO1 V′O1 V′′O1
2.2.3 并联模块双精度自适应均流工作原理
图6为蓄电池均充-浮充循环时充电模块的工作时序示意图。蓄电池先恒流再恒压的均充过程中，电池充电电流由额定工作电流IO降至50% IO时，并联模块工作电流均衡零值判断精度需提高3～5倍，S由高电平变为低电平，调理常数由K0变为K1，频率增量Δf由Δf0变为Δf1，在宽范围工作电流下均流不平衡度＜5%。
图6 双精度自适应均流控制电路的工作时序
Fig. 6 Working sequence of dual-precision adaptive current equalization control circuit
3 双精度自适应均流充电模块开发与均流效果验证
3.1 基于双精度零值检测的并联自适应均流技术
以额定工作电路10 A的充电模块为例，开发了双精度自适应均流充电模块样机，图7为其主电路与均流控制电路板。
图7 双精度自适应均流充电模块样机
Fig. 7 Dual-precision adaptive current-equalization charging module prototype
《电力用高频开关整流模块》规定输出电流在额定电流的50%～100%范围内，均流不平衡度不应超过±5%[32]，设定提高20%负载率的均流精度，故K1/K0取值在3～5之间。考虑蓄电池大电流均充时电压低与小电流均充时电压高的伏安特性，根据图2开展试验调试出大电流均充时Δf0和小电流均充时Δf1。表2为其均流控制电路的关键参数。
表2 均流控制电路及策略的关键参数
Table 2 Key parameters of current-equalization control circuit and strategy
IO ＜0.5IOref ＞0.5IOref εI 0.3 0.5 K0 = 2×10-4 R1、R2、R3分别为1 kΩ、36 kΩ、4 kΩ f初值 23 kHz 23 kHz Δf |Δf1|=300 Hz |Δf0|=650 Hz K K1 = 7.5×10-4 R′1、R′2、R′3分别为0.2 kΩ、20 kΩ、10 kΩ
3.2 基于双精度零值检测的并联自适应均流技术
为获取充电电流（1 A, 2 A,…, 10 A）时均流不平衡度-载流量 （工作电流的平均值） 关系，验证双精度自适应均流控制技术的效果和鲁棒性，考虑模块交流电压输入VAC、直流电压输出VOC在额定值及上下限，设计表3所示9种工况正交验证方案。
表3 均流不平衡度-载流量（1 A～10 A，步长0.5 A）正交验证方案
Table 3 Uneven degree of current equalization-current carrying capacity (1 A ～ 10 A, step length 0.5 A) orthogonal verification scheme
输出输入 198 220 286 187 187/198 187/220 187/286 220 220/198 220/220 220/286 264 264/198 264/220 264/286
均流效果用均流不平衡度Cs-error表征，Cs-error为模块实测电流均值与所有模块实测电流均值的平均值之差的绝对值与理想均流值IO/n的比值：
采用表3所述方案，对两模块并联充电系统开展验证试验，实验过程中测录充电模块和蓄电池电压电流波形，实验结束后计算均流不平衡度Cs-error。
3.3 基于双精度零值检测的并联自适应均流技术
图8为9种工况正交验证方案下获得的典型充电过程电压电流录波和均流不平衡度-载流量关系特性。
图8 均流效果及其鲁棒性验证结果
Fig. 8 Results of current equalization effect and its robustness verification
由图8可见：平均工作电流越大，绝对均流不平衡度越小；双精度自适应均流控制模块的均流效果远高于50%负载率下，绝对均流不平衡度Cs-error低于5%的工程要求，具有良好的鲁棒性。
1） 平均电流2.5 A以上（载流量＞25%）范围内，绝对均流不平衡度Cs-error小于5%；
2） 平均电流5 A以上范围内（载流量＞50%），绝对均流不平衡度Cs-error小于2.5%。
4 结论
为提高电力场站直流电源蓄电池充电电路纹波特性和并联充电模块功率器件电热均衡特性，提出了一种基于均流不平衡电流零值判断精度和工作频率增量的LLC变换器输出并联双精度自适应均流控制技术。
1） 分析了并联充电模块均流不平衡度精度的影响因素，揭示均流电路调理参数越大均流不平衡度越小和小电流充电时工作电流对工作频率敏感性越大的规律。
2） 提出了基于均流不平衡电流零值判断精度和工作频率增量的双精度自适应均流控制策略，设计自适应电压选调与选通电路拓扑，并给出蓄电池均充-浮充循环时模块自适应均流工作时序。
3） 开发模块双精度均流控制电路及充电模块样机，设计全电压输入、全电压输出和全电流均流充电工况的均流效果鲁棒性正交验证试验，结果表明：双精度自适应均流的并联充电模块，50%负载下绝对均流不平衡度小于2.5%，25%负载下绝对均流不平衡度小于5%，均流效果比标准显著提升，能延缓模块充电失衡所致功率器件或蓄电池故障早发问题，助益于充电模块可靠性提升。
为应对新能源电力背景下电力场站备用电源的智慧化主动运维需求，充电模块不仅应能高精度自适应均流，还应具有模块异常状态自诊断和充电电流独立调控功能。
1） 需要开展充电模块异常/故障状态的自诊断与风险评估技术研究，以解决不被系统保护覆盖的故障或异常发生时模块能够“带病”安全充电，保护装置失效时需保护的故障能有及时有效的后备处理方案，避免电力事故扩大。
2） 充电模块“带病”运行时需要进行充电电流的不均衡配置，对充电模块进行带载能力测试时也需要对各模块电流进行独立控制，故需要发展兼顾并联自适应均流和独立调控的充电模块电流控制技术。
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National Natural Science Foundation of China (52307199);Science and Technology Foundation of SGCC (TSS2022-08).
作者简介
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李秉宇
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杜旭浩
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蔡子文