0 引言

    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(hù),。

    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(hù)。

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(hù),。

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)B_i<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P_d為功率器件熱流量,，T_w為功率器件溫度，C_th為功率器件至環(huán)境之間的集中熱容,，R_th為功率器件至環(huán)境之間的集中熱阻,，T_a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P_i和環(huán)境溫度T_a,，計算最惡劣器件工作溫度T_w，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I_ref，并通過電流限幅環(huán)節(jié)I_max給出目標(biāo)電流I_aim,。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I_aim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T_a,、T_w和P_i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,。

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作者信息:

興  志1,，應(yīng)展烽2

（1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院  電子信息學(xué)院,，江蘇 南京210023；2.南京理工大學(xué),，能源與動力學(xué)院,，江蘇 南京210094）