本发明涉及属于电力电子变换器及其控制，具体涉及一种面向电动汽车辅助功率模块（apm）的模块化半桥-全桥变换器的电池均衡与回流优化控制方法及系统

背景技术：

1、新能源汽车动力电池组受制造工艺及运行工况影响，易产生单体电压不一致性，需采用主动式电池均衡控制。同时，车载辅助功率模块（apm）需将高压侧电能降压转换为低压直流电。

2、由于apm的主电路与主动均衡电路在拓扑上高度重合，现有技术常将辅助降压与电池均衡功能进行硬件集成，典型方案为采用输入串联输出并联（isop）架构的模块化半桥-全桥（hfb）变换器。该架构利用原边半桥进行电池单体间的局部能量转移，同时利用副边全桥并联对外供电。然而，现有的控制方法在实际运行中仍存在以下技术缺陷：

3、其一，在电池均衡与偏磁抑制层面：传统对称占空比调制在微小压差下均衡速度慢。部分方案虽引入不对称占空比以主动注入直流偏置电流，但多采用开环前馈计算，缺乏对电感实际直流分量的闭环监测与限幅控制。受功率器件参数漂移、驱动延时等非理想因素影响，开环调节易引发不可控的直流偏置电流，导致高频变压器发生单向磁饱和。此外，现有均衡控制多局限于单模块独立调节，缺乏基于全局电压视角的组间协同机制。

4、其二，在功率传输与效率优化层面：现有全桥侧通常采用传统的单移相（sps）控制策略。在实际工况中，由于电池端电压波动及负载变化，变换器常处于非单位电压增益（即变压器原副边折算电压不匹配）状态。此时，单移相控制因缺乏多自由度调节，会导致原边电压与副边电流极性相反的时间区间延长，在全桥侧产生较大的回流功率和无功环流。这不仅增加了系统电流有效值与通态损耗，还会破坏开关管的零电压开通（zvs）软开关边界条件，增加高频硬开关损耗，降低系统整体转换效率。

5、综上所述，现有集成变换器的控制方法难以在单一系统中，同时兼顾微小压差下的快速防偏磁均衡、全局组间协同调度，以及非单位电压增益工况下的回流功率抑制与软开关运行。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有模块化半桥-全桥变换器在多目标协同控制中，存在微小压差工况下均衡速度慢、易引发变压器直流偏磁，以及非单位电压增益工况下回流功率大且难以兼顾软开关运行等问题，本发明提出一种模块化半桥-全桥变换器的电池均衡与回流优化控制方法及系统。利用半桥侧不对称调制与闭环限幅控制主动注入直流偏置以实现防偏磁均衡，并结合全桥侧基于零电压开通边界约束条件的多自由度内移相控制抑制回流功率。本发明旨在通过组内均衡、组间协同与功率传输的分层解耦控制，实现变换器系统的高效、安全与稳定运行。

2、技术方案：一种模块化半桥-全桥变换器的电池均衡与回流优化控制方法，应用于输入串联输出并联的功率变换系统，所述系统包含多个高压侧串联且低压侧并联的变换器模块，针对每个变换器模块，所述控制方法包括以下步骤：

3、步骤s1，参数获取：采集当前变换器模块内各串联电池单体的电压、半桥侧的电感电流实际直流分量、低压侧全桥的输出电压、低压侧的实际输出电流以及输出功率需求，并计算所有变换器模块对应的高压侧电池组电压的全局平均电压；

4、步骤s2，组内均衡控制：根据当前变换器模块内两节串联电池单体之间的电压差生成直流偏置电流参考值；将所述直流偏置电流参考值与所述半桥侧的电感电流实际直流分量进行比较，并经闭环调节和限幅处理，生成用于控制半桥侧开关管的直流调节占空比；

5、步骤s3，组间均衡与外移相控制：将当前变换器模块的高压侧电池组电压与所述全局平均电压进行比较，生成组间均衡电流修正量；将所述组间均衡电流修正量与基于所述输出功率需求得到的系统基础电流给定值叠加，合成低压侧输出电流给定值；将所述低压侧输出电流给定值与所述低压侧的实际输出电流进行比较，闭环生成全桥侧外移相角，其中，所述全桥侧外移相角为原边半桥与副边全桥超前桥臂之间的相位差；

6、步骤s4，回流优化与内移相控制：计算当前变换器模块的实时电压转换比，结合预设的零电压开通边界约束条件，根据所述实时电压转换比所处的不同数值区间，分段计算得到全桥侧最优内移相角，其中，所述全桥侧最优内移相角为副边全桥超前桥臂与滞后桥臂之间的相位差；

7、步骤s5，驱动信号生成：根据所述直流调节占空比、所述全桥侧外移相角和所述全桥侧最优内移相角，生成相应的控制信号以驱动对应的变换器模块内半桥侧与全桥侧的开关管。

8、进一步地，所述半桥侧开关管包括第一开关管和第二开关管；所述步骤s5中，根据所述直流调节占空比生成所述半桥侧开关管的控制信号时，采用不对称调制策略：所述第一开关管的导通占空比配置为，所述第二开关管的导通占空比配置为，其中为所述直流调节占空比。

9、进一步地，所述步骤s4中，所述实时电压转换比 k的计算公式为：

10、

11、其中， n为高频变压器的变比，为当前变换器模块内各串联电池单体的平均电压，为低压侧全桥的输出电压。

12、进一步地，所述步骤s4中，结合预设的零电压开通边界约束条件，分段计算得到全桥侧最优内移相角的控制逻辑为：首先，计算使得回流功率为零的理想内移相角；然后，判断所述理想内移相角是否满足预设的零电压开通边界约束条件；当所述实时电压转换比时，所述理想内移相角满足所述零电压开通边界约束条件，直接将所述理想内移相角作为全桥侧最优内移相角；当所述实时电压转换比时，所述理想内移相角超出所述零电压开通边界约束条件的范围，将所述全桥侧最优内移相角强制限幅于所述零电压开通边界约束条件的上限临界值，以保持开关管软开关运行。

13、进一步地，所述步骤s4中，分段计算得到全桥侧最优内移相角的具体数学关系式为：

14、当所述实时电压转换比时，

15、

16、当所述实时电压转换比时，

17、

18、其中，为所述全桥侧外移相角，且所述预设的零电压开通边界约束条件为：

19、。

20、本发明还提供一种模块化半桥-全桥变换器的电池均衡与回流优化控制系统，应用于输入串联输出并联的功率变换系统，所述系统包含多个高压侧串联且低压侧并联的变换器模块，针对每个变换器模块，所述控制系统包括：

21、采样模块，用于采集当前变换器模块内各串联电池单体的电压、半桥侧的电感电流实际直流分量、低压侧全桥的输出电压、低压侧的实际输出电流以及输出功率需求，并计算所有变换器模块对应的高压侧电池组电压的全局平均电压；

22、组内均衡控制单元，用于根据当前变换器模块内两节串联电池单体之间的电压差生成直流偏置电流参考值；将所述直流偏置电流参考值与所述半桥侧的电感电流实际直流分量进行比较，并经闭环调节和限幅处理，生成用于控制半桥侧开关管的直流调节占空比；

23、功率传输与组间均衡控制单元，用于将当前变换器模块的高压侧电池组电压与所述全局平均电压进行比较，生成组间均衡电流修正量；将所述组间均衡电流修正量与基于所述输出功率需求得到的系统基础电流给定值叠加，合成低压侧输出电流给定值，并将所述低压侧输出电流给定值与所述低压侧的实际输出电流进行比较，闭环生成全桥侧外移相角，所述全桥侧外移相角为原边半桥与副边全桥超前桥臂之间的相位差；以及用于计算当前变换器模块的实时电压转换比，结合预设的零电压开通边界约束条件，根据所述实时电压转换比所处的不同数值区间，分段计算得到全桥侧最优内移相角，所述全桥侧最优内移相角为副边全桥超前桥臂与滞后桥臂之间的相位差；

24、驱动单元，用于根据所述直流调节占空比、所述全桥侧外移相角和所述全桥侧最优内移相角，生成相应的控制信号以驱动对应的变换器模块内半桥侧与全桥侧的开关管。

25、所述系统实现过程和方法相同，不再赘述。

26、一种计算机设备，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行上述计算机程序时实现如上所述的模块化半桥-全桥变换器的电池均衡与回流优化控制方法的步骤。

27、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如上所述的模块化半桥-全桥变换器的电池均衡与回流优化控制方法的步骤。

28、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

29、(1)提高微小压差工况下的均衡速度并有效抑制变压器直流偏磁。本发明在组内均衡环节采用第一开关管导通占空比为0.5-di、第二开关管导通占空比为0.5+di的半桥侧不对称调制，并构建基于电感电流实际直流分量的闭环调节机制。相较于传统开环前馈或自然均衡方案，本方法能在微小压差下主动注入并维持稳定的均衡电流，提高均衡速度；同时通过闭环限幅控制将直流偏置电流约束在安全范围内，有效降低了高频变压器发生单向磁饱和的风险，提升了硬件运行的安全性。

30、(2)降低非单位电压增益工况下的回流功率并保障宽范围软开关运行。本发明在功率传输环节采用多自由度移相控制策略，结合实时电压转换比与零电压开通（zvs）边界约束，分段计算最优内移相角。该控制逻辑缩短了原副边电压与电流极性相反的时间区间，降低了系统回流功率、无功环流及通态损耗；同时通过边界约束使开关管维持zvs运行，减小了高频硬开关损耗，提升了变换器的整体转换效率。

31、(3)实现组内均衡、组间协同与功率传输的分层解耦控制。本发明构建了分层控制架构，利用半桥侧直流占空比调节组内均衡，全桥侧内外移相角调节功率传输，实现直流偏置与交流移相控制的相互解耦。在执行辅助降压供电任务的同时，兼顾了局部单体电池的快速均衡，并通过全局平均电压指令实现了系统级模块间的均衡调度，提升了一体化集成系统的运行稳定性。