本帖最后由 电笔小新 于 2025-5-20 14:01 编辑
1. 设计需求分析
->功率等级：600W，适用于配套1度电的便携储能系统。
->输入电压范围：7串的磷酸铁锂电池，电池范围19.6V~25.2V。
->输出电压：针对北美市场，单相120V AC，频率50Hz。
->离网网要求：具备低谐波失真(THD<5%)。
->可AC充电：具备高功率因素（PF>99%）,低谐波(THDi<5%)。
2. 拓扑结构选择
LLC全桥+逆变器全桥：LLC全桥能够有好的开关特性，可以实现输入电池高效率的双向充放电；LLC低压端使用全桥，高压端使用半桥，主要考虑这个功率段的电源对成本要求比较敏感，高压半桥可以剩下两个开关管和对应的驱动电路；逆变器全桥在电池放电输出时能够逆变输出离网交流电，在电池充电时又能实现PFC整流；因此选择LLC全桥+逆变器全桥的拓扑架构能够实现双向逆变整流的功能。
3. 控制策略
LLC驱动：采用LLC全桥变频驱动，实现电池的高效率转换。
PWM调制：采用正弦脉宽调制（SPWM）生成高质量的正弦波。
逆变双环控制：采用电流内环和电压外环的双闭环控制策略，实现精确的功率输出。
PFC无桥整流：整流采用PFC控制，保证输入电流PF值大于99%，电流谐波小于5%。
DC双环竞争控制：电池电压和电流环竞争控制，确保电池充电安全可靠。
4. 放电控制实现
A ->LLC闭环实现
LLC全桥由4个开关管（Q1-Q4）组成H桥，搭配高频变压器、输出整流电路（如全波整流或同步整流）和LC滤波电路。同一桥臂上下开关管驱动为占空比50%的互补信号，对角开关驱动信号保持同步，通过改变开关管的驱动频率改变LLC的增益特性，实现了输出电压的可控调整。
--->搭建LLC驱动如下：
注-->fs为驱动频率；Dt为桥臂上下管驱动死区；En为驱动模块使能控制； F1、F2为桥臂上下管驱动；
驱动模块测试：
通过给定驱动频率30KHz，60KHz，90KHz，测试驱动频率是否响应准确；
--->搭建LLC闭环升压控制：
由于谐振电感和谐振电容都是在高压端，LLC双向桥从低压侧看进去其实退变成了LC，最大频率增益在LC谐振频率的时候达到最大值；通过固定开关频率为谐振频率，然后改变驱动信号的占空比来调整输出电压，如何改变占空比呢？上面设计的LLC驱动模块有一个Dt输入，通过改变Dt变量即可实现占空比的改变。
LLC闭环系统如下：
仿真结果如下：
B ->逆变离网实现
逆变控制框架如下：通过PI控制将逆变电压外环输出转化为内环电流给定，内环电流环在进行PI控制，将输出转为PWM调制信号，控制PWM；
逆变闭环系统如下：
仿真结果如下：
C ->LLC+INV实现
上面A、B分别已经实现了LLC闭环和逆变闭环控制，将LLC闭环系统的高压输出，接到逆变的DC输入，即可实现LLC+INV的闭环控制系统；
仿真结果如下：
5. 充电控制实现
A->PFC整流控制
算法流程图如下：
使用PSIM仿真软件搭建PFC整流控制如下：
仿真波形如下：
B->LLC控制电池充电实现
由于LLC的增益变化范围比较小，即使大范围改变LLC驱动频率也无法大范围改变增益输出，因此驱动方式使用变频+改变占空比的驱动方式；环路控制上为了保证电池充电安全，采用了电压和电流双环竞争的控制策略，控制框架如下：
使用PSIM仿真软件搭建电池双环控制系统如下：
仿真波形：
设定继电器0.5S切换负载，电流环跟电压环之间切换顺畅。
C ->PFC+LLC实现
上面A、B分别已经实现了PFC闭环和LLC闭环控制，将PFC系统的DC输出，接到LLC的高压输入，即可实现PFC+LLC的闭环控制系统；
仿真波形：
6.系统总结
本文先通过对拓扑方案选择入手，然后对LLC驱动分析，进一步搭建LLC+INV逆变系统，通过仿真验证了LLC升压逆变的方案的可行性；紧接着分析搭建PFC+LLC的电池充电方案，通过仿真验证了PFC+LLC降压对电池充电的可行性，综合两个实验的分析结果，可以得到上述提出的600W双向便携电源模块的方案的可执行性；
后续优化，可以将上述的仿真使用C语言编写，搭建完整的双向充放电系统，实现模块充放电的随意调度。同时可以优化LLC控制方案策略，比如充电时动态调整PFC的输出电压，尽可能使得LLC工作在谐振频率附近从而提高系统转换效率；比如放电时采用轻载闭环，重载开环的控制策略，提高电池放电的转换效率。
|
楼主
标题置顶
标题高亮
