優(yōu)化電動(dòng)汽車充電器控制：C-HIL技術(shù)與雙有源橋?qū)崟r(shí)仿真解決方案

交通電氣化正在改變車輛的設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造方式。控制器硬件在環(huán)(C-HIL)，也被稱為信號(hào)-HIL，已成為測(cè)試電力電子控制固件的一種替代方法，它提供了易用性、通過(guò)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的廣泛測(cè)試覆蓋率，以及與包含功率流的測(cè)試方法(如功率-HIL設(shè)置)相比相對(duì)較低的成本。

隨著電動(dòng)汽車的普及，固定充電器和車載充電器(OBC)在行業(yè)中受到越來(lái)越多的關(guān)注，這為未來(lái)電動(dòng)出行帶來(lái)了關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為了支持使用C-HIL開發(fā)和測(cè)試先進(jìn)的電動(dòng)汽車充電器控制，必須以高保真度實(shí)時(shí)模擬這些應(yīng)用中典型的高開關(guān)頻率電源轉(zhuǎn)換器。本文概述了使這一切以準(zhǔn)確、安全和成本效益的方式成為可能的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵解決方案。

電力電子的實(shí)時(shí)仿真

電力電子電路的實(shí)時(shí)仿真通常在基于FPGA的仿真器上執(zhí)行。在設(shè)計(jì)這類基于FPGA的平臺(tái)時(shí)，需要考慮三個(gè)關(guān)鍵方面：

開關(guān)模型復(fù)雜性：半導(dǎo)體開關(guān)模型可以以不同的保真度進(jìn)行仿真，從用于硬件設(shè)計(jì)的高詳細(xì)瞬態(tài)模型，到理想開關(guān)模型，甚至是用等效電源替代開關(guān)的平均轉(zhuǎn)換器模型。

可實(shí)現(xiàn)的時(shí)間步長(zhǎng)：根據(jù)開關(guān)模型的復(fù)雜性，模擬所有感興趣動(dòng)態(tài)所需的時(shí)間步長(zhǎng)也不同。對(duì)瞬態(tài)模型中寄生效應(yīng)的高度詳細(xì)仿真可能需要皮秒級(jí)的分辨率，而平均轉(zhuǎn)換器模型可以以每個(gè)開關(guān)周期一個(gè)仿真步長(zhǎng)進(jìn)行仿真。

易用性：通過(guò)手動(dòng)編碼和優(yōu)化所需轉(zhuǎn)換器的方程在VHDL中可以實(shí)現(xiàn)最大性能。但是，修改這樣的優(yōu)化模型會(huì)非常耗時(shí)且具有挑戰(zhàn)性。相比之下，更通用的仿真方法可能缺乏實(shí)現(xiàn)所需短時(shí)間步長(zhǎng)的優(yōu)化。

開發(fā)有效的HIL仿真器平臺(tái)的主要挑戰(zhàn)在于平衡這三者的需求。Typhoon HIL平臺(tái)專門為了電力電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通過(guò)以下設(shè)計(jì)選擇實(shí)現(xiàn)：

圖形原理圖編輯器：使用圖形原理圖編輯器設(shè)計(jì)電路。不生成VHDL代碼，也不涉及綜合、比特流生成等，而是使用可配置的FPGA求解器。模型通過(guò)單擊編譯過(guò)程加載到求解器中，通常在一分鐘內(nèi)完成。

理想開關(guān)模型：與高度詳細(xì)的開關(guān)模型不同，理想開關(guān)模型不需要亞納秒級(jí)的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)模擬開關(guān)換相。然而，它仍然能夠以高保真度模擬電力電子轉(zhuǎn)換器以進(jìn)行控制設(shè)計(jì)和測(cè)試。使用不同的狀態(tài)空間矩陣集來(lái)模擬對(duì)應(yīng)于不同開關(guān)狀態(tài)組合的電路。這意味著可以通過(guò)兩個(gè)連續(xù)的時(shí)間步長(zhǎng)和兩個(gè)不同的矩陣集來(lái)模擬一個(gè)換相事件。理想開關(guān)模型還可以通過(guò)添加正向壓降輕松增強(qiáng)。

GDS過(guò)采樣：HIL仿真器數(shù)字輸入的門驅(qū)動(dòng)信號(hào)(GDS)以比仿真時(shí)間步長(zhǎng)更快的速度采樣。由于控制器時(shí)鐘與模擬器未同步，門控信號(hào)的邊緣發(fā)生在仿真時(shí)間步長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)。該邊緣(換相事件)被時(shí)間戳，并將信息用于補(bǔ)償接下來(lái)時(shí)間步的仿真結(jié)果，從而提高換相事件檢測(cè)的分辨率。

Typhoon HIL仿真器在各種電力電子應(yīng)用中成功應(yīng)用超過(guò)十年，最新一代能夠以低至200 ns的時(shí)間步長(zhǎng)和3.5 ns的DI采樣分辨率模擬電路。

DC-DC轉(zhuǎn)換器仿真

一個(gè)典型的電動(dòng)汽車充電器由輸入功率因數(shù)校正(PFC)階段和隔離的DC-DC階段組成，后者通常采用雙有源橋(DAB)或諧振(LLC, CLLLC)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)模擬這些DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尤其具有挑戰(zhàn)性，原因包括：

高開關(guān)頻率：通常使用高開關(guān)頻率以減少高頻變壓器的體積和重量，這在車載充電器應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)榇嬖隗w積和重量限制。如今，超過(guò)100 kHz的開關(guān)頻率已成為常態(tài)，通常采用寬帶隙半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)。

在開關(guān)頻率下的功率傳輸：在并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，主要功率傳輸發(fā)生在低于開關(guān)頻率一個(gè)數(shù)量級(jí)的頻率下。對(duì)于具有高頻變壓器的轉(zhuǎn)換器(如DAB和LLC轉(zhuǎn)換器)，功率傳輸發(fā)生在開關(guān)頻率下。這意味著即使是小的時(shí)間分辨率損失也會(huì)直接影響功率傳輸，從而影響模型的保真度，進(jìn)而影響控制器的操作。

有趣的是，DAB和LLC拓?fù)涞臅r(shí)間分辨率損失的主要來(lái)源既不是仿真時(shí)間步長(zhǎng)，也不是數(shù)字輸入采樣分辨率。而是來(lái)自于檢測(cè)二極管電流零交叉，因?yàn)檫@種類型的換相事件通常在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的時(shí)間步長(zhǎng)分辨率下進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)以100 kHz開關(guān)的DAB轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，并故意將仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為相對(duì)較長(zhǎng)的500 ns，可以說(shuō)明這一點(diǎn)。如圖1所示，仿真結(jié)果在大多數(shù)工作點(diǎn)上與參考功率傳輸曲線很好地對(duì)齊。然而，在某些點(diǎn)上，存在顯著偏離參考的情況。這些是繞組電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)交叉零的工作點(diǎn)。

通過(guò)與工業(yè)合作伙伴的協(xié)作研究，Typhoon HIL總結(jié)道，DAB和LLC模型在200 ns及更低的時(shí)間步長(zhǎng)下仍然不能提供足夠的保真度進(jìn)行HIL測(cè)試。為了改善這些模型中二極管電流零交叉的檢測(cè)，開發(fā)了一種專門的求解器。

DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器

DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器是一個(gè)優(yōu)化的FPGA模塊，能夠以25 ns的時(shí)間步長(zhǎng)模擬DAB和LLC系列轉(zhuǎn)換器。這使得多速率仿真成為可能，擁有兩個(gè)仿真速率：

· 由可配置FPGA求解器使用的仿真時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)可降至200 ns。

· 由專門的DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器使用的求解步長(zhǎng)，該求解器以25 ns模擬DAB或LLC模型。

這兩個(gè)模型部分交換直流電壓和電流。從用戶的角度來(lái)看，求解器作為一個(gè)單一組件(DAB或諧振轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行部署，可以適應(yīng)不同的拓?fù)渥兎N，如CLLLC。這確保了易用性，同時(shí)顯著提高了仿真保真度(見(jiàn)圖2)。

為了測(cè)試該專門求解器的性能，創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，使用外部控制器再現(xiàn)控制器時(shí)鐘與仿真器時(shí)間基準(zhǔn)不同步的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。最初在DAB轉(zhuǎn)換器模型上進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。觀察到功率傳輸作為輸出。實(shí)施了各種調(diào)制策略，以覆蓋整個(gè)操作范圍內(nèi)的各種工作點(diǎn)，包括具有二極管電流零交叉事件的工作點(diǎn)。更多詳細(xì)數(shù)據(jù)可以在Typhoon HIL發(fā)布的白皮書中找到。結(jié)果表明，仿真在高達(dá)300 kHz的開關(guān)頻率下表現(xiàn)良好。

隨后，測(cè)試了幾種LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，考慮系列諧振頻率fr = 250 kHz。將開關(guān)頻率從0.5 fr變化到2 fr，并使用輸出與輸入電壓比作為基準(zhǔn)。保持并聯(lián)與串聯(lián)電感比恒定(k = Lp / Ls = 8)。同時(shí)，變化特征阻抗(Zc= √(Ls / C)，導(dǎo)致不同的Q因子值和電壓特性，如圖4所示。仿真數(shù)據(jù)表明，在最高達(dá)500 kHz的開關(guān)頻率范圍內(nèi)，仿真表現(xiàn)良好。

除了高性能外，設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器時(shí)還考慮了資源利用率。因此，最多可在單個(gè)HIL606設(shè)備上模擬8個(gè)轉(zhuǎn)換器。

結(jié)論

準(zhǔn)確的快速切換DAB和諧振拓?fù)涞膶?shí)時(shí)仿真在實(shí)踐中被證明是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。Typhoon HIL提供的優(yōu)化求解器方法，通過(guò)在廣泛的典型應(yīng)用中提供高仿真保真度，同時(shí)保持離線仿真平臺(tái)的易用性，解決了這些挑戰(zhàn)。