基于熱路模型的充電機智能功率調(diào)節(jié)方法研究

快速充電技術(shù)是促進(jìn)電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。但電動汽車使用環(huán)境復(fù)雜，在高溫日照天氣下汽車內(nèi)部溫度極高，若車載充電器長時間工作在較高的功率下，其內(nèi)部功率器件發(fā)熱情況嚴(yán)重，可引起各種失效故障。因此充電機在高溫環(huán)境下應(yīng)采取控溫手段，降低功率器件溫升，提高設(shè)備運行安全性。

為此，國內(nèi)外已有部分學(xué)者開始研究功率智能控制技術(shù)[1]，該技術(shù)主要是一種溫度閉環(huán)控制方法，通過實時獲取功率器件的工作溫度，調(diào)整輸入功率以提高功率器件運行的可靠性。但電動車輛在路面較為顛簸的路況下行駛時，功率器件溫升不易直接獲取，因此也難以完成其功率智能控制。為此，文獻(xiàn)[2-3]提出了非穩(wěn)態(tài)測量方法，通過對功率器件暫態(tài)溫升過程的測量即可建立熱路模型，但該模型重點關(guān)注溫升動態(tài)過程，未計及器件溫度、工作電流及環(huán)境溫度之間的聯(lián)系，不利于實現(xiàn)功率設(shè)備的熱保護。

針對充電機充電方式可控的特點，本文提出基于功率器件集中參數(shù)熱路模型的智能功率調(diào)節(jié)方法。該方法不需直接測量功率器件溫升情況，只依據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度和輸入功率，即可實現(xiàn)功率器件的熱保護。

1充電機智能功率調(diào)節(jié)方法原理

由于充電機內(nèi)部各器件熱功耗與散熱條件不同，在相同工作條件下，各功率器件溫升也不相同，需確保全部器件工作溫度不超過安全溫度。因此需確定溫升最惡劣的功率器件。同時車載充電機功率器件溫升難以直接測量，因此需離線狀態(tài)下建立此器件熱路模型。其主要原理如圖1所示。

智能功率調(diào)節(jié)部分即可以利用此熱路模型，構(gòu)建功率器件溫升及和輸出電流的閉環(huán)控制策略，該控制策略可據(jù)器件溫升限制調(diào)整充電機輸入功率，實現(xiàn)充電機溫升保護。

2功率器件集中參數(shù)熱路模型及其參數(shù)估計

2.1 集中參數(shù)熱路模型原理

對于邊界不好確定的熱路模型，可通過集中參數(shù)法建立功率器件溫升模型[4]。集中參數(shù)法的優(yōu)勢在于易于實現(xiàn)，直觀可靠，精度高，可實現(xiàn)溫升曲線的擬合。

集中參數(shù)熱路模型通常將功率器件和散熱器視為整體，一般情況下功率器件熱阻遠(yuǎn)小于散熱器熱阻，則功率器件熱阻相對于散熱器熱阻可被忽略(即畢渥數(shù)Bi<1)[2]。因此，功率器件熱傳導(dǎo)過程可等效為圖2所示的集中熱路模型。

圖2中Pd為功率器件熱流量，Tw為功率器件溫度，Cth為功率器件至環(huán)境之間的集中熱容，Rth為功率器件至環(huán)境之間的集中熱阻，Ta為環(huán)境溫度。根據(jù)熱電類比理論[5]，熱路問題可借用電路理論，因此功率器件達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的溫度：

可見，當(dāng)集中熱阻不變的情況下，功率器件穩(wěn)態(tài)溫度決定于環(huán)境溫度、輸入功率和效率的變化，因此可以將上式簡化為一般表達(dá)式：

式中C1為環(huán)境溫度系數(shù)，C2為功率系數(shù)，C3為修正系數(shù)，由式(4)可知集中熱路模型可有效描述功率器件的穩(wěn)態(tài)溫度。

2.2 熱路模型參數(shù)估計方法

集中熱路模型可視為等溫體，一般由多種材料構(gòu)成，包含接觸熱阻等，其參數(shù)難以通過理論計算得到。故采用參數(shù)估計的方法，當(dāng)溫升觀測數(shù)據(jù)多于參數(shù)時，可視為參數(shù)的超定方程組。以式(4)為基礎(chǔ)，通過多次觀測得方程組，如式(5)所示。

3充電機智能功率調(diào)節(jié)策略

本文以恒流快充模式運行的充電機作為調(diào)控對象。以上文所建模型及其參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建充電機智能功率調(diào)節(jié)策略，如圖3所示。該策略由功率調(diào)節(jié)外環(huán)和電流調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)組成。

功率調(diào)節(jié)外環(huán)根據(jù)反饋功率Pi和環(huán)境溫度Ta，計算最惡劣器件工作溫度Tw，以最大限定溫度T*為目標(biāo)，計算誤差溫度ΔT，通過PID整定電流Iref，并通過電流限幅環(huán)節(jié)Imax給出目標(biāo)電流Iaim。電流內(nèi)環(huán)控制輸出電流，限制充電機輸入功率，從而實現(xiàn)智能功率控制。

該策略首先判斷環(huán)境溫度，在高溫環(huán)境下誤差溫度ΔT≤0，經(jīng)PID調(diào)整后Iaim減小，輸入功率降低，功率器件溫升被限制。在低溫環(huán)境下，誤差溫度ΔT一直存在且較大，由于PID積分作用的結(jié)果，將使控制器的輸出不斷增加，一直達(dá)到輸出極限值，出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。為此消除此現(xiàn)象采用限幅法，使控制器輸出信號被限制在控制范圍內(nèi)。

4實驗結(jié)果與分析

4.1 溫升測試平臺

為觀測功率器件溫升與驗證控制策略，設(shè)計實驗平臺，如圖4所示。充電機內(nèi)置在高低溫實驗箱中，模擬環(huán)境溫度變化。數(shù)采裝置通過USB接口向微機傳送Ta、Tw和Pi數(shù)據(jù)。微機通過USB/CAN通訊裝置對充電機輸入電流和功率調(diào)節(jié)。

4.2 溫升最惡劣器件的測試

溫升最惡劣器件的判定，主要觀測功率器件的溫升。圖5給出了充電機輸入功率為500 W，環(huán)境溫度分別為20 ℃～50 ℃時的主要功率器件溫升曲線。

圖5中四種功率器件中MOS管溫升為最高。改變充電機的輸入功率進(jìn)行測試，可得相同結(jié)果，因此可確定該充電機中MOS管為溫升最惡劣器件。另外，充電機采用最大溫升為85 ℃的工業(yè)級芯片設(shè)計，故本文限定MOS管運行溫度不超過85 ℃。

4.3 熱路模型參數(shù)估計結(jié)果分析

表1給出了不同輸入功率等級和環(huán)境溫度下的MOS管運行溫度實測結(jié)果。

以式(8)為目標(biāo)函數(shù)，對表1中的結(jié)果進(jìn)行參數(shù)估計，可得熱參數(shù)C1=1.104 9，C2=0.018 1，C3=7.738 7。進(jìn)而得到功率器件熱路模型表達(dá)式：

為了驗證所建立熱路模型的準(zhǔn)確性，重新設(shè)計了六組未參與前文數(shù)據(jù)參數(shù)估計的充電機運行條件，對比驗證模型的準(zhǔn)確性。相關(guān)結(jié)果如表2所示。分析可知，模型計算溫度的相對誤差小于±2%，因此該熱路模型能夠準(zhǔn)確反映器件運行溫度。

4.4 智能功率調(diào)節(jié)方法有效性驗證

為驗證本文所提功率智能調(diào)節(jié)方法，現(xiàn)將充電機運行于1 000 W功率條件下。工作環(huán)境溫度由室溫31 ℃逐漸上升至55 ℃，如圖6(a)所示。

圖6(b)給出了此運行環(huán)境下的充電機MOS管溫升實測曲線。由圖可見，隨著環(huán)境溫度提升及自身的功耗作用，MOS管運行溫度逐漸提高。但因未施加功率智能調(diào)節(jié)，MOS最終穩(wěn)態(tài)溫度可達(dá)88 ℃，已超過所限定的85 ℃安全運行溫度。

再在相同的運行環(huán)境和條件下，采用所提智能功率調(diào)節(jié)方法，對充電機MOS管運行溫度加以限定。圖7給出了通過智能功率調(diào)節(jié)后的MOS管運行溫度。由圖可見，此時MOS管穩(wěn)態(tài)溫度在85 ℃附近波動，但并未超標(biāo)。同時，充電機的輸出功率由初始的1 000 W調(diào)節(jié)至930 W，故所提方法有效避免了輸出功率過高帶來的MOS管溫度超標(biāo)問題，提高了充電機運行的安全性和可靠性。

5結(jié)論

本文針對車載充電機工作環(huán)境特點，提出了一種充電機智能功率調(diào)節(jié)方法。該方法利用熱電類比理論，建立了充電機功率器件集中熱路模型，通過最小二乘方法估計模型參數(shù)，利用智能功率調(diào)節(jié)策略使充電機溫升不超過其安全運行標(biāo)準(zhǔn)；相關(guān)實驗結(jié)果表明所提方法可以提高車載充電設(shè)備在高溫下運行的可靠性。