新型高效能二極點與二零點（TPTZ）數位補償控制策略應用於電動車充電系統
113年11月10日
【本篇報導由車輛與能源工程學士學位學程 劉華棟助理教授研究團隊提供】 本研究提出了電動車鋰電池充電系統的1 kW電力轉換器。其架構具有二個轉換器，分別為交錯式升壓功率因數修正器（PFC）與全橋相移轉換器（FBPS）。本次提出新型高效能二極點與二零點（TPTZ）數位補償控制策略是同時參考電壓與電流回授訊號進行補償，不同於傳統的一極一零補償控制，所提出方法有效控制增益頻寬（fc）和相位裕度（PM），提升系統穩定度與性能。本研究以MATLAB模擬驗證了充電系統的穩定性，並將所提出1 kW電動車鋰電池充電系統進行25%、50%與100%負載試驗，效率可達95%，優於傳統定電壓與定電流充電模式。此外，本研究提出二極點與二零點數位補償控制策略的電池充電系統，不僅提高了系統性能，還縮小了電路尺寸，適合電動車中的鋰電池充電。 本研究所提出1 kW電動車鋰電池充電系統架構圖（如圖1）。其中，具有交錯式升壓功率因數修正器與全橋相移轉換器，並分別由功率因數修正器控制器（PFC controller）與二極點與二零點數位補償控制器（Full-bridge phase shift controller）進行操作，以利系統具有高效能，提供鋰電池充電。 圖1：所提出電動車鋰電池充電系統架構圖 圖2：全橋相移轉換器數位控制方塊圖 而圖2所示則為本研究之全橋相移轉換器數位控制方塊圖。透過電壓[Vo(t)]與電流[Io(t)]回授訊號，送至數位控制控制器，進行二極點與二零點補償控制讓系統達到高效能。 圖3：全橋相移轉換器增益曲線和相位曲線的波特圖(a)無任何補償控制、(b)TPTZ補償控制。 全橋相移轉換器增益曲線和相位曲線的波特圖如圖3所顯示，(a)為無任何補償控制，(b)為二極點與二零點補償控制。圖3(b)呈現增益頻寬(fc)=5.3kHz和相位裕度(PM)=46.1。，讓系統更可以穩定地操作進一步提升效能。 圖4：所提出充電系統輸出電壓(Vo)與電流(Io)波形 本研究所提出充電系統其輸出電壓(Vo)與電流(Io)波形如圖4所示，在負載變動環境下，所提出的二極點與二零點數位補償控制策略，操作輸出電壓維持60 V提供電池充電。 本研究中所提出的電動車鋰電池充電系統使用了具有高轉換效率的交錯式升壓功率因數修正器，其中功率因數約為1，並且所提出的系統縮小傳統功率因數修正器體積。此外，全橋相移轉換器以小訊號模型是依據具有責任週期損耗因子的平均開關模型推導出來，可獲得輸出電壓和電流對責任週期之函數。所提出二極點與二零點數位補償控制策略，同時考慮輸出電壓和輸出電流回授，有效控制增益頻寬(fc)和相位裕度(PM)，提高系統穩定性和性能。所提出充電系統具有零電壓切換以獲得高效能，該系統效能達95%。採用所提出的二極點與二零點數位補償控制策略的電池充電系統架構與採用傳統控制方法進行比較驗證，研究團隊所提出的二極點與二零點數位補償控制策略具有更高系統性能。 原文出處：Lee, Y. L., Lin, C. H., Lu, S. D., & Liu, H. D. (2022). A novel high-performance two poles and two zeros digital compensation control strategy for electric vehicle lithium battery charging systems. Journal of Energy Storage, 52. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105024