1. ?設(shè)計(jì)需求分析
->?功率等級(jí)：600W，適用于配套0.5度電的便攜儲(chǔ)能系統(tǒng)。
->?輸入電壓范圍：7串的磷酸鐵鋰電池，電池范圍19.6V~25.2V。
->?輸出電壓：針對(duì)北美市場(chǎng)，單相120V AC，頻率50Hz。
->?離網(wǎng)網(wǎng)要求：具備低諧波失真(THD<5%)。
->?可AC充電： 具備高功率因素（PF>99%）,低諧波(THDi<5%)。
2. ?拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇
LLC全橋+逆變器全橋：LLC全橋能夠有好的開關(guān)特性，可以實(shí)現(xiàn)輸入電池高效率的雙向充放電；LLC低壓端使用全橋，高壓端使用半橋，主要考慮這個(gè)功率段的電源對(duì)成本要求比較敏感，高壓半橋可以剩下兩個(gè)開關(guān)管和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路；逆變器全橋在電池放電輸出時(shí)能夠逆變輸出離網(wǎng)交流電，在電池充電時(shí)又能實(shí)現(xiàn)PFC整流；因此選擇LLC全橋+逆變器全橋的拓?fù)浼軜?gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向逆變整流的功能。
3. ?控制策略
- ØLLC驅(qū)動(dòng)：采用LLC全橋變頻驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電池的高效率轉(zhuǎn)換。
- ØPWM調(diào)制：采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）生成高質(zhì)量的正弦波。
- Ø逆變雙環(huán)控制：采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)精確的功率輸出。
- ØPFC無(wú)橋整流：整流采用PFC控制，保證輸入電流PF值大于99%，電流諧波小于5%。
- ØDC雙環(huán)競(jìng)爭(zhēng)控制：電池電壓和電流環(huán)競(jìng)爭(zhēng)控制，確保電池充電安全可靠。
4. ?放電控制實(shí)現(xiàn)
A ->LLC閉環(huán)實(shí)現(xiàn)
LLC全橋由4個(gè)開關(guān)管（Q1-Q4）組成H橋，搭配高頻變壓器、輸出整流電路（如全波整流或同步整流）和LC濾波電路。同一橋臂上下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)為占空比50%的互補(bǔ)信號(hào)，對(duì)角開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持同步，通過改變開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)頻率改變LLC的增益特性，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的可控調(diào)整。
--->搭建LLC驅(qū)動(dòng)如下：
注-->fs為驅(qū)動(dòng)頻率；Dt為橋臂上下管驅(qū)動(dòng)死區(qū)；En為驅(qū)動(dòng)模塊使能控制； F1、F2為橋臂上下管驅(qū)動(dòng)；
驅(qū)動(dòng)模塊測(cè)試：通過給定驅(qū)動(dòng)頻率30KHz，60KHz，90KHz，測(cè)試驅(qū)動(dòng)頻率是否響應(yīng)準(zhǔn)確；
--->搭建LLC閉環(huán)升壓控制：
由于諧振電感和諧振電容都是在高壓端，LLC雙向橋從低壓側(cè)看進(jìn)去其實(shí)退變成了LC，最大頻率增益在LC諧振頻率的時(shí)候達(dá)到最大值；通過固定開關(guān)頻率為諧振頻率，然后改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓，如何改變占空比呢？上面設(shè)計(jì)的LLC驅(qū)動(dòng)模塊有一個(gè)Dt輸入，通過改變Dt變量即可實(shí)現(xiàn)占空比的改變。LLC閉環(huán)系統(tǒng)如下：
仿真結(jié)果如下：
B->逆變離網(wǎng)實(shí)現(xiàn)
逆變控制框架如下：通過PI控制將逆變電壓外環(huán)輸出轉(zhuǎn)化為內(nèi)環(huán)電流給定，內(nèi)環(huán)電流環(huán)在進(jìn)行PI控制，將輸出轉(zhuǎn)為PWM調(diào)制信號(hào)，控制PWM；逆變閉環(huán)系統(tǒng)如下：
仿真結(jié)果如下：
C ->LLC+INV實(shí)現(xiàn)
上面A、B分別已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了LLC閉環(huán)和逆變閉環(huán)控制，將LLC閉環(huán)系統(tǒng)的高壓輸出，接到逆變的DC輸入，即可實(shí)現(xiàn)LLC+INV的閉環(huán)控制系統(tǒng)；
仿真結(jié)果如下：
5. 充電控制實(shí)現(xiàn)
A->PFC整流控制
算法流程圖如下：
使用PSIM仿真軟件搭建PFC整流控制如下：
仿真波形如下：
C->LLC控制電池充電實(shí)現(xiàn)
由于LLC的增益變化范圍比較小，即使大范圍改變LLC驅(qū)動(dòng)頻率也無(wú)法大范圍改變?cè)鲆孑敵觯虼蓑?qū)動(dòng)方式使用變頻+改變占空比的驅(qū)動(dòng)方式；環(huán)路控制上為了保證電池充電安全，采用了電壓和電流雙環(huán)競(jìng)爭(zhēng)的控制策略；控制框架如下：
使用PSIM仿真軟件搭建電池雙環(huán)控制系統(tǒng)如下：
仿真波形：設(shè)定繼電器0.5S切換負(fù)載，電流環(huán)跟電壓環(huán)之間切換順暢。
C ->PFC+LLC實(shí)現(xiàn)
上面A、B分別已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了PFC閉環(huán)和LLC閉環(huán)控制，將PFC系統(tǒng)的DC輸出，接到LLC的高壓輸入，即可實(shí)現(xiàn)PFC+LLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)；
仿真波形：
6. 系統(tǒng)總結(jié)
本文先通過對(duì)拓?fù)浞桨高x擇入手，然后對(duì)LLC驅(qū)動(dòng)分析，進(jìn)一步搭建LLC+INV逆變系統(tǒng)，通過仿真驗(yàn)證了LLC升壓逆變的方案的可行性；緊接著分析搭建PFC+LLC的電池充電方案，通過仿真驗(yàn)證了PFC+LLC降壓對(duì)電池充電的可行性，綜合兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，可以得到上述提出的600W雙向便攜電源模塊的方案的可執(zhí)行性；
后續(xù)優(yōu)化，可以將上述的仿真使用C語(yǔ)言編寫，搭建完整的雙向充放電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模塊充放電的隨意調(diào)度。同時(shí)可以優(yōu)化LLC控制方案策略，比如充電時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整PFC的輸出電壓，盡可能使得LLC工作在諧振頻率附近從而提高電池充電轉(zhuǎn)換效率；放電時(shí)LLC采用輕載閉環(huán)，重載開環(huán)的控制策略，提高電池放電的轉(zhuǎn)換效率。