電動汽車車載電源LLC諧振變換器滑模控制

劉宇博 王旭東

摘 要：為了增強電動汽車車載電源對負載擾動的魯棒性，有效抑制系統輸出電壓的過沖，將一種改進的滑模控制策略應用于電動汽車車載電源控制系統中。為減少系統開關損耗，提高系統效率，車載電源采用 LLC 諧振變換器拓撲結構。利用擴展描述函數法建立LLC諧振變換器的非線性模型，并在此基礎上設計滑模控制方法。選取全局積分滑模面，通過動態的非線性滑模面，設計了整個運動過程中的滑動模態運動，顯著地改善了對負載擾動的動態響應。通過仿真和實驗證明了所提出的滑模控制策略有效解決了傳統PI控制器在負載擾動較大情況下輸出電壓過沖過大的問題，提高了電動汽車車載電源控制系統動態品質。

關鍵詞：LLC諧振變換器;擴展描述函數法;滑模控制;全局積分滑模面;車載電源

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.016

中圖分類號：TM 315文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0131-07

Abstract：Aiming at the application of LLC resonant converter in electric vehicles， a sliding mode controller is proposed to improve the robustness of load disturbance and restrain the output voltage overshoot of the system. In order to improve the efficiency of the system， the LLC resonant converter used in the vehicle power supply reduced the switching loss of the system. The nonlinear model of LLC resonant converter was established by means of extended description function method. On this basis， a sliding mode control method was designed. The sliding mode motion of the whole motion of the system was realized by selecting the appropriate global integral sliding surface， and the dynamic quality was improved significantly by using the dynamic nonlinear sliding surface. Simulation and experiment show that the proposed controller can restrain the overshoot of the system more effectively than the conventional PI controller.

Keywords：LLC resonant converter; extended description function method; sliding mode control; global integral sliding mode surface; vehicle power supply

0 引 言

隨著新能源汽車的發展，車載電源高性能的需求也不斷提高。電源變換器經常會受到大負載擾動，其變換器拓撲不僅要滿足負載需求，而且要具有高效率、高功率密度、高可靠性和低成本的特性[1-3]。LLC變壓器初級側可以實現全負載范圍內開關管的ZVS，對于外界的電磁干擾較小，具有較高變換效率，適合車載電源應用場合[4-7]。

LLC諧振變換器是一個多輸入、強耦合、非線性時變系統。傳統PI控制的參數設計在不同的工作條件下，也不可能始終保持良好的增益與相位裕度。提高控制系統的魯棒性和對特定動態需求的瞬態響應是十分必要的。滑模控制（sliding mode control，SMC）可以提高系統的運行性能，被廣泛應用到DCDC變換器領域[8]利用滯環函數實現Buck變換器的滑模控制，有效的控制系統開關頻率。文獻[10]通過引入自適應前饋控制改變滯環寬度，消除輸入電壓變化對開關頻率的影響。文獻[11]提出將電感電流、輸出電壓及其積分設計Buck變換器的組合型滑模面，相比傳統的雙環PI控制，有很好的動態響應，魯棒性強，但是它沒有將其應用于LLC諧振變換器中。文獻[12]分析了運行參數的滑模嚴格存在條件，給出了滑模控制移相全橋等效PWM信號函數，并加入切換控制律提升魯棒控制效果。文獻[13]建立了移相全橋的動態空間模型，討論了狀態空間中的滑動運動、穩態運行條件和PWM控制函數。文獻[14]通過輸入輸出線性化的概念推導系統滑模面，以優化LLC諧振變換器輸出電壓動態響應。

本文提出一種基于全局積分滑模面的LLC諧振變換器滑模控制策略，并用于電動汽車車載電源DC/DC變換器恒壓模式控制系統中[15-16]。詳細研究LLC諧振變換器工作原理。通過擴展函數描述法建立系統模型，選取全局積分滑模面，設計了整個運動過程中的滑動模態運動，實現系統整體穩定性控制。所提出的SMC策略不僅能較好地處理LLC諧振變換器的模型中的高階非線性特性，而且對恒壓模式下系統大負載變化有較強的魯棒性，提高了系統的動態性能。

1 變換器工作過程分析

針對電動汽車車載電源高電壓輸入，低壓大電流輸出的工作特點，選取全橋LLC諧振變換器的拓撲結構，實現降低高壓輸入電路對開關管的耐壓要求。諧振變換器變壓器副邊采用全波整流，實現零電流關斷，滿足低電壓、大電流的高效率要求。LLC諧振變換器工作模態等效電路如圖1所示。電路中存在4個儲能元件：Lr，Lm，Cr，Co。其中Lr為變換器諧振電感，Lm為變換器勵磁電感，Cr為變換器諧振電容，Co為變換器輸出電容。

6 結 論

LLC諧振變換器在全負載條件下工作在軟開關狀態，可以提高電源系統工作效率，因此被選作電動汽車車載電源的拓撲結構。本文提出一種基于全局積分滑模面的滑模控制技術，并將其應用于電動汽車車載電源恒壓模式充電控制系統中。在通過擴展函數描述的方法建立系統模型，設計滑模控制器。通過全局積分滑模的非線性滑模面實現系統的整體滑模運動，有效地增強了系統穩定性，提高了控制系統的動態跟蹤效果。仿真與實驗表明，所設計的控制器有效地解決了傳統PI控制器在負載擾動較大的情況下過沖過大的問題，提高了電動汽車車載電源控制系統動態品質。

參 考 文 獻：

[1] SHEN Yanxia， ZHAO Wenhui， CHEN Zhe，et al.Fullbridge LLC resonant converter with seriesparallel connected transformers for electric vehicle onboard charger[J]. IEEE Access， 2018， 6： 13490.

[2] DUAN Chen， BAI Hua， GUO Wei，et al. Design of a 2.5 kW 400/12 V highefficiency DC/DC converter using a novel synchronous rectification contorl for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2015， 1（1）：106.

[3] DENG Junjun， LI Siqi， HU Sideng，et al. Design methodology of LLC resonant converters for electric vehicle battery chargers[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2014， 63（4）：1581.

[4] 呂征宇， 李嘉晨， 楊華. 新型LLC諧振變換器數字同步整流驅動方式[J]. 電機與控制學報， 2018， 22（1）： 16.

L Zhengyu， LI Jiachen， YANG Hua. Digital synchronous rectification driving method for LLC resonant converter[J]. Electric Machines and Control， 2018， 22（1）： 16.

[5] 劉文軍， 易俊宏， 馬紅波. 同步整流雙諧振LLCDCX懸浮控制電源研究[J]. 電機與控制學報， 2017， 21（6）： 18.

LIU Wenjun， YI Junhong， MA Hongbo. Double resonant LLCDCX with synchronous rectifier based power supply for maglev control system applications[J]. Electric Machines and Control，2017， 21（6）：18.

[6] 劉和平， 李金龍， 苗軼如，等. LLC諧振電路無傳感器同步整流控制策略[J]. 電機與控制學報， 2014， 18（5）： 49.

LIU Heping， LI Jinlong， Miao Yiru，et al.Sensorless synchronous rectifier control strategy used in LLC resonant circuit[J]. Electric Machines and Control，2014， 18（5）： 49.

[7] 王懿杰， 張相軍， 王衛，等.一種用于LED路燈照明的單級交直流變換器[J]. 電機與控制學報， 2010， 14（12）： 68.

WANG Yijie， ZHANG Xiangjun， WANG Wei，et al. A single stage AC/DC converter for LED street lighting system[J]. Electric Machines and Control， 2010， 14（12）：68.

[8] 王艷敏， 曹雨晴， 夏紅偉.Buck變換器的電壓電流雙閉環終端滑模控制[J]. 電機與控制學報， 2016， 20（8）： 92.

WANG Yanmin， CAO Yuqing， XIA Hongwei. Terminal sliding mode control for Buck converter with structure of voltage and current double closed loop[J]. Electric Machines and Control， 2016， 20（8）： 92.

[9] 倪雨， 許建平， 王金平， 等. 滯環調制全局滑模控制buck變換器設計[J]. 中國電機工程學報， 2010， 30（21）： 1.

NI Yu， XU Jianping， WANG Jinping， et al. Design of global sliding mode control buck converter with hysteresis modulation[J]. Proceedings of the CSEE， 2010， 30（21）：1.

[10] 孟凡剛， 王琳， 高蕾， 等. 一種用于Buck變換器的自適應滯環滑模控制方法[J]. 電機與控制學報， 2018， 22（9）：1.

MENG Fangang， WANG Lin， GAO Lei， et al. Adaptive hysteresis sliding mode control method for Buck converter[J]. Electric Machines and Control， 2018， 22（9）：1.

[11] 黃忻， 汪健， 陳宗祥，等. 基于FPGA的比例積分滑模控制DC/DC變換器研究[J]. 電機與控制學報，2016， 20（9）：67.

HUANG Xin， WANG Jian， CHEN Zongxiang，et al. Design of proportional integral sliding mode controller for DCDC converter based on FPGA[J]. Electric Machines and Control， 2016， 20（9）： 67.

[12] 高明， 王大志， 李召. 移相全橋變換器的PWM全階魯棒性滑模控制[J]. 電工技術學報， 2018， 33（10）： 2293.

GAO Ming， WANG Dazhi， LI Zhao. A PWM full order robustness sliding mode control for phaseshifted fullbridge converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（10）： 2293.

[13] GAO Ming， WANG Dazhi， LI Zhao. Fixed frequency pulsewidth modulation based integrated sliding mode controller for phaseshifted fullbridge converters[J]. IEEE Journals & Magazines， 2018， 6（1）： 2181.

[14] MA Hao， LIU Qinwei， WANG Yuxi. Discrete pulse frequency modulation control with sliding mode implementation on LLC resonant DC/DC converter via inputoutput linearisation[J]. IET Power Electronics， 2014， 7（5）： 1033.

[15] HAAINAM VU， WOOJIN CHOI.A novel dual fullbridge LLC resonant converter for CC and CV charges of batteries of electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2018， 65（3）：2212.

[16] HU Sideng， DENG Junjun， MI CHRIS，et al.Optimal design of line level control resonant converters in plugin hybrid electric vehicle battery chargers[J]. IET Electrical Systems in Transportation， 2014， 4（1）：21.

[17] FANG Zhijian， WANG Junhua， DUAN Shanxu， et al. Control of an LLC resonant converter using load feedback linearization[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018， 33（1）： 887.

[18] BUCCELL C， CECATI C， LATAFAT H， et al. Observerbased control of LLC DC/DC resonant converter using extended describing functions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（10）：5881.

[19] ZONG Sheng， LUO Haoze， LI Wuhua， et al. The oretical evaluation of stability improvement brought by resonant current loop for paralleled LLC converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015， 62（7）： 4170.

（編輯：賈志超）