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NEC锂电池储能有损DAB转换器中的频域功率流表征
发布时间：2026-07-21 20:10:24 点击： 次
隔离双有源桥（DAB）直流-直流变换器已成为电动汽车充电、固态变压器、电池储能系统、可再生能源转换等重要的双向电力流变换器。然而，DAB实际传输的功率取决于其等效损耗分量，需要准确表征。文献中DAB转换器中简化的功率传输表达式未考虑转换器损耗，导致在相位移角90°时实现最大功率传输。传统的时域方法可能导致从电源计算储能电池所需功率的误差。本文提出了一种频域方法，用于推导DAB双向转换器中闭合形式的有源功率流表达式，并考虑其电池能量储存的等效损耗分量。基本的线性系统理论和傅里叶展开已被用于变换器分析。德莫弗定理和多对数函数已被用于简化功率流计算。有源功率传递的表达式既有无穷级数的推导，也有显式闭合形式。所需的相位偏移角可以根据推导结果计算出最大功率传输，具体取决于系统和DAB中的损耗分量。实际的相位偏角大于最大功率传输的理想90°。基于PSCAD/EMTDC的软件仿真和基于Spartan 3AN的FPGA实验结果已被用于变换器的运行和分析结果的验证，结果显示将所需电力传输到电池需要额外8%至10%的功率。
简介
利用大信号模型和频域小信号模型进行稳定性分析对于DAB稳定运行非常重要[5]。频率响应建模可以模拟宽谐波范围内的交流和直流状态[6]。DAB转换器的建模和分析对控制器设计、系统参数选择和整体系统设计非常有用。DAB转换器的小信号平均模型有助于其控制器设计。DAB双向DC-DC转换器可以用离散时间或连续时间建模[7]。在DAB状态空间和平均建模中，与DAB转换器高频交流链路级相关的状态变量存在挑战，因为这些方法需要小幅度的纹波近似。然而，DAB交流链路转换阶段的电流纯粹是交流电，其平均直流值为零[8]。
基于傅里叶级数的建模方法已在文献中被研究，用于DAB转换器的小信号和大信号建模。带有第一谐波近似的傅里叶级数已被应用于[9]，这会导致大信号稳态误差。DAB三相转换器的无限串联电流和功率流特性分析已在[10]中尝试。DAB转换器的主要功能是将平均有源直流功率在两个方向上传输。而高频交流链路及其非正弦电气变量的存在会影响变换器的性能。Riedel等人[11]利用DAB交流链路电压的谐波分析，确保ZVS工作并最小化变换器损耗。
文献中大多数案例是无损DAB转换器，忽视了开关设备、无源元件和高频变压器中发生的损耗。大多数情况下，DAB直流-直流转换器的时域分析主要用于表征功率流及其与相位移角[9,12,13]的关系，而未考虑DAB中的损耗。
频域分析有助于更好地理解变换器分析[14,15]。这些论文中的方法利用了齐普金的分析来对逆变器进行开关表征。该方法有望考虑损耗分量，并在DAB中推导出闭式功率流表征。
赵等人[16]提出了频域分析，以表征高频交流链路和功率流。然而，该解仅限于无限串数，未考虑DAB转换器中的损耗。Shah 等人[13]提出了在DAB直流-直流变换器中进行功率流分析，并通过无损耗的假设进行了简化[13]。但在现实中，电力电子变流器的运行会受到器件寄生的影响，导致损耗增加和性能下降。变流器损耗对于精确计算双向功率流分析具有重要意义。开关的选择对于表征DAB中的损耗非常重要，尤其是在多主动桥应用中[17]。
Xiao 等人[18]提出了高频交流链路电气参数，将瞬时功率分解为平均和波动功率分量，以描述DAB变换器的信号强度和能量。但分析仅限于无损转换器，更多关注不同的调制技术。Cui 等人[19]最近利用先进的半导体和磁性元件探讨了DAB转换器系统中高频振荡的可能来源，并提出了高频振荡最小化方法以提升转换器性能。特别是二谐波电流最小化问题已由Pan Z.等人[20]在DAB中提出。[[21]， [22]]中讨论了各种DAB转换器控制方法，如反馈、前馈、滑动模式和预测电流控制方法等，并讨论了实际控制问题及可能的解决方案。大多数控制方法利用相位偏移来控制通过DAB转换器的功率流动。了解正确的相位移角度对于实现从源头到蓄电池的预期功率流动对于控制器的有效设计非常重要。
文献中大多数DAB增强模型都专注于不同的调制技术，如扩展相位移、双相位移或三相位移等[13]。同样，DAB损耗成分也被用于不同方面，如用于稳定性研究的小信号建模、用于动态性能的大信号建模[7,8]。频域分析已被用于DAB中的谐波近似、稳态分析等[[9]， [10]， [11]]。文献中已有主动功率闭式表征，但忽略了损耗。本文提出了在频域中利用DAB增强建模，用于功率流表征，并考虑其等效损耗分量。
在DAB双向转换器中，考虑等效损耗分量，已采用频域方法推导闭式有源功率流表达式。稳态功率流分析已利用线性系统理论和傅里叶级数展开来推导功率流。主动功率转移的表达式既有无穷级数的表达式，也有通过德莫瓦尔定理和多对数函数的显式闭形式推导出来的。功率流调和表征也曾使用无限级数表达式完成。相位移角的值是通过闭式表达式为最大功率传输而得出的。已计算出所需的相位偏角，最大功率传输时应为90°以上，具体取决于系统参数和等效损耗分量。模拟和实验结果验证了所提出的分析结果。
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