近年來，随着電動汽車充電樁、儲能系統功率的不斷增加，采用單DC-DC變換器子產品已經無法滿足指定功率或電壓輸出。在實際應用中，通過将多個DAB變換器并聯的方式，可以滿足大功率輸出的要求。然而由于生産工藝，以及産品的不斷更新換代等原因，各個子產品的參數，特别是輔助電感，會有一定的差異，進而導緻運作特性的不同，而讓電氣參數不同的子產品平均配置設定系統的功率并無法實作系統的效率最優。
為此，上海交通大學新能源與汽車電子實驗室團隊通過研究多子產品DAB變換器并聯中輔助電感差異對電流有效值的影響，提出了一種基于遺傳算法的多子產品DAB變換器系統總電流有效值優化政策。并且搭建樣機驗證了政策的有效性。
研究背景
近年來，随着化石能源的消耗，以及環境問題的日益突出，新能源發電、電動汽車、儲能技術已經成為電力行業的研究重點。其中，DC-DC變換器作為電力電子系統中的重要組成部分，是充電樁、儲能系統、直流微電網中的關鍵部件。
目前，已經有多種DC-DC變換器拓撲被提出，雙有源全橋（Dual Active Bridge, DAB）變換器是DC-DC變換器的熱門研究拓撲之一，其內建了輸入輸出端電氣隔離、高電壓增益、較寬負載範圍内實作全體開關器件零電壓開通等優點。進一步的，在大功率充電樁、儲能系統等對DC-DC變換器的功率名額要求較高的應用場景中，可以通過将多個DAB子產品并聯的方式使得DC-DC變換器系統滿足功率、載流要求。
然而，由于生産工藝，以及産品的不斷更新換代等原因，輸入并聯輸出并聯（Input Parallel and Output Parallel, IPOP）DAB變換器系統中各個子產品的參數，特别是輔助電感，會有一定的差異，進而導緻運作特性的不同。這些差異将會導緻變換器實際工作時子產品間電壓配置設定不均，各子產品輸出功率不均衡等問題，這将大大增加各獨立子產品的故障機率。
圖1 多子產品IPOP雙有源全橋拓撲
論文所解決的問題及意義
對于子產品間存在參數差異的IPOP雙有源全橋變換器系統，近年來的研究主要集中于均流、均功率的研究。然而，由于子產品間的參數差異，尤其是電感參數的差異，讓每一個獨立子產品均分系統總功率，并不一定能使整個變換器系統效率以及各項名額達到最優。該差異導緻的效率降低在重載工況會尤為明顯。是以，在系統總輸出功率一定的情況下，如何讓不同子產品承擔不同功率，進而使得變換器系統的總體效率最優，對損耗減小、節約能源等方面具有重要意義。
論文方法及創新點
1.輔助電感差異對電流有效值的影響
在基于單子產品電感電流有效值最優TPS調制的基礎上，分析對比輔助電感大小不同時，各個子產品的電感電流有效值大小。經過研究，無論DAB工作在升壓還是降壓模式中，輕載時相同輸出功率情況下輔助電感小的子產品電感電流有效值最大，而輔助電感大的子產品電感電流有效值最小。
相同功率下負載較重時，輔助電感大的子產品電感電流有效值最大，并且差異更加明顯。基于以上規律，在多子產品并聯的DAB變換器中，可以在總負載功率較輕時，讓輔助電感大的子產品分擔更多的負載，在總負載功率較重時，讓輔助電感小的子產品帶更多的負載。
圖2 不同電感差異比下電感電流有效值對比
2.基于遺傳算法的多子產品功率配置設定差異化控制政策
本文在回顧前人工作的基礎上，建構了一個基于遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)的多子產品功率配置設定優化模型。該模型以系統總電感電流有效值最小為優化目标，計算系統總功率一定時，各個子產品的最優功率配置設定占比。
在系統運作過程中，根據該模型的計算結果，讓輔助電感不同的子產品配置設定不同的功率，進而實作系統的總效率最優。圖3展示了三子產品并聯系統中，輔助電感最小子產品的功率配置設定占比随電壓增益和輸出功率變化的3維圖，在輸出功率和電壓增益不同時，其在系統中總功率的配置設定占比均會變化。
圖3 輔助電感較小子產品功率配置設定比在多種增益及功率下的變化三維圖像
在實際控制中，為了減小數字電源中央控制晶片的存儲負擔，需要使用結合公式拟合的查表控制方法。通過GA優化得出各電壓增益下各個子產品随總功率變化的功率配置設定比。用多項式對功率配置設定比與總功率标幺值之間的關系進行拟合，拟合後單子產品得到的系數在不同增益下不同。
将這些系數存儲在數字電源的單片機中，控制中根據電壓比來對這些系數進行查表，代入到這些公式，最終得出相應的功率配置設定比。是以，多子產品功率配置設定優化控制政策框圖如圖4所示。
圖4 多子產品功率配置設定優化控制政策框圖
實驗驗證
為了驗證本文提出的IPOP多子產品DAB總電流有效值優化控制政策，設計搭建了3子產品并聯的DAB實驗平台，實驗樣機如圖5所示。實驗對比了升壓模式和降壓模式下本文提出的多子產品功率配置設定差異化控制政策與均功率控制政策之間系統總電感電流有效值與效率。降壓工況下,平均效率提升大約1.2%；升壓工況下，平均效率大約提升0.84%，而優化算法的峰值效率最高能達98.8%。
圖5 實驗樣機
結論
本文針對多子產品IPOP的雙有源全橋變換器系統，分析了每個子產品的電感電流有效值與移相角的關系，通過GA，先對單個子產品一定功率下的電感電流進行優化，并且從子產品間的電感參數差異出發，提出了一種系統總功率一定的情況下讓不同參數的子產品分别承擔不同功率的控制政策。
功率差異控制政策相比于傳統的多子產品均功率控制政策，無論是在升壓還是降壓的工況下，均能有效降低IPOP系統總電感電流有效值，并且随着輸出功率的增加，相比于均功率控制政策的電感電流有效值減小的更多。功率差異控制算法使得整個系統的效率得以提高，峰值效率可達98.8%，降壓工況下，平均效率提升約1.2 %，升壓工況下，平均效率提升約0.84%。
團隊介紹
上海交通大學電氣工程系新能源與汽車電子實驗室長期緻力于光伏儲能系統功率變換器、電動汽車先進充電技術、儲能變流器方面的研究與應用，團隊負責人為王勇教授。主要涉及整流變換器與并網逆變器的先進控制政策、雙向DC-DC變換器的效率優化政策、多端口DC-DC變換器的優化控制政策、儲能變流器構網應用等方向研究。團隊的核心理念是做能落地的前沿基礎性研究。
近年來，該團隊已與國内多家知名企業合作完成科研項目，并且發表了多篇IEEE Transactions論文以及中文頂刊論文。
本工作成果發表在2023年第24期《電工技術學報》，論文标題為“基于遺傳算法的多子產品IPOP雙有源全橋DC-DC變換器總電流有效值優化政策”。