基于DAB变换器并联的多模块IPOP双有源全桥拓扑

近年来，随着电动汽车充电桩、储能系统功率的不断增加，采用单DC-DC变换器模块已经无法满足指定功率或电压输出。在实际应用中，通过将多个DAB变换器并联的方式，可以满足大功率输出的要求。然而由于生产工艺，以及产品的不断更新换代等原因，各个模块的参数，特别是辅助电感，会有一定的差异，从而导致运行特性的不同，而让电气参数不同的模块平均分配系统的功率并无法实现系统的效率最优。

为此，上海交通大学新能源与汽车电子实验室团队通过研究多模块DAB变换器并联中辅助电感差异对电流有效值的影响，提出了一种基于遗传算法的多模块DAB变换器系统总电流有效值优化策略。并且搭建样机验证了策略的有效性。

研究背景

近年来，随着化石能源的消耗，以及环境问题的日益突出，新能源发电、电动汽车、储能技术已经成为电力行业的研究重点。其中，DC-DC变换器作为电力电子系统中的重要组成部分，是充电桩、储能系统、直流微电网中的关键部件。

目前，已经有多种DC-DC变换器拓扑被提出，双有源全桥(Dual Active Bridge, DAB)变换器是DC-DC变换器的热门研究拓扑之一，其集成了输入输出端电气隔离、高电压增益、较宽负载范围内实现全体开关器件零电压开通等优点。进一步的，在大功率充电桩、储能系统等对DC-DC变换器的功率指标要求较高的应用场景中，可以通过将多个DAB模块并联的方式使得DC-DC变换器系统满足功率、载流要求。

然而，由于生产工艺，以及产品的不断更新换代等原因，输入并联输出并联(Input Parallel and Output Parallel, IPOP)DAB变换器系统中各个模块的参数，特别是辅助电感，会有一定的差异，从而导致运行特性的不同。这些差异将会导致变换器实际工作时模块间电压分配不均，各模块输出功率不均衡等问题，这将大大增加各独立模块的故障概率。

图1 多模块IPOP双有源全桥拓扑

论文所解决的问题及意义

对于模块间存在参数差异的IPOP双有源全桥变换器系统，近年来的研究主要集中于均流、均功率的研究。然而，由于模块间的参数差异，尤其是电感参数的差异，让每一个独立模块均分系统总功率，并不一定能使整个变换器系统效率以及各项指标达到最优。该差异导致的效率降低在重载工况会尤为明显。因此，在系统总输出功率一定的情况下，如何让不同模块承担不同功率，从而使得变换器系统的总体效率最优，对损耗减小、节约能源等方面具有重要意义。

论文方法及创新点

1.辅助电感差异对电流有效值的影响

在基于单模块电感电流有效值最优TPS调制的基础上，分析对比辅助电感大小不同时，各个模块的电感电流有效值大小。经过研究，无论DAB工作在升压还是降压模式中，轻载时相同输出功率情况下辅助电感小的模块电感电流有效值最大，而辅助电感大的模块电感电流有效值最小。

相同功率下负载较重时，辅助电感大的模块电感电流有效值最大，并且差异更加明显。基于以上规律，在多模块并联的DAB变换器中，可以在总负载功率较轻时，让辅助电感大的模块分担更多的负载，在总负载功率较重时，让辅助电感小的模块带更多的负载。

图2 不同电感差异比下电感电流有效值对比

2.基于遗传算法的多模块功率分配差异化控制策略

本文在回顾前人工作的基础上，构建了一个基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)的多模块功率分配优化模型。该模型以系统总电感电流有效值最小为优化目标，计算系统总功率一定时，各个模块的最优功率分配占比。

在系统运行过程中，根据该模型的计算结果，让辅助电感不同的模块分配不同的功率，从而实现系统的总效率最优。图3展示了三模块并联系统中，辅助电感最小模块的功率分配占比随电压增益和输出功率变化的3维图，在输出功率和电压增益不同时，其在系统中总功率的分配占比均会变化。

图3 辅助电感较小模块功率分配比在多种增益及功率下的变化三维图像

在实际控制中，为了减小数字电源中央控制芯片的存储负担，需要使用结合公式拟合的查表控制方法。通过GA优化得出各电压增益下各个模块随总功率变化的功率分配比。用多项式对功率分配比与总功率标幺值之间的关系进行拟合，拟合后单模块得到的系数在不同增益下不同。

将这些系数存储在数字电源的单片机中，控制中根据电压比来对这些系数进行查表，代入到这些公式，最终得出相应的功率分配比。因此，多模块功率分配优化控制策略框图如图4所示。

图4 多模块功率分配优化控制策略框图

实验验证

为了验证本文提出的IPOP多模块DAB总电流有效值优化控制策略，设计搭建了3模块并联的DAB实验平台，实验样机如图5所示。实验对比了升压模式和降压模式下本文提出的多模块功率分配差异化控制策略与均功率控制策略之间系统总电感电流有效值与效率。降压工况下,平均效率提升大约1.2%;升压工况下，平均效率大约提升0.84%，而优化算法的峰值效率最高能达98.8%。

图5 实验样机

结论

本文针对多模块IPOP的双有源全桥变换器系统，分析了每个模块的电感电流有效值与移相角的关系，通过GA，先对单个模块一定功率下的电感电流进行优化，并且从模块间的电感参数差异出发，提出了一种系统总功率一定的情况下让不同参数的模块分别承担不同功率的控制策略。

功率差异控制策略相比于传统的多模块均功率控制策略，无论是在升压还是降压的工况下，均能有效降低IPOP系统总电感电流有效值，并且随着输出功率的增加，相比于均功率控制策略的电感电流有效值减小的更多。功率差异控制算法使得整个系统的效率得以提高，峰值效率可达98.8%，降压工况下，平均效率提升约1.2 %，升压工况下，平均效率提升约0.84%。

上海交通大学电气工程系新能源与汽车电子实验室长期致力于光伏储能系统功率变换器、电动汽车先进充电技术、储能变流器方面的研究与应用，团队负责人为王勇教授。主要涉及整流变换器与并网逆变器的先进控制策略、双向DC-DC变换器的效率优化策略、多端口DC-DC变换器的优化控制策略、储能变流器构网应用等方向研究。团队的核心理念是做能落地的前沿基础性研究。

近年来，该团队已与国内多家知名企业合作完成科研项目，并且发表了多篇IEEE Transactions论文以及中文顶刊论文。