趙劍飛，薛　洋，劉建波

（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

電動汽車用充電器與驅(qū)動器一體化拓撲研究*

趙劍飛*，薛洋，劉建波

（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

針對電動汽車驅(qū)動與充電系統(tǒng)分離所帶來的諸多問題，提出了一種電動汽車驅(qū)動和充電系統(tǒng)一體化電力電子拓撲結(jié)構(gòu)及相應控制策略，該拓撲正向工作時驅(qū)動電機為電動狀態(tài)、反向工作時給蓄電池充電為充電狀態(tài)。一體化拓撲在充電時共用驅(qū)動系統(tǒng)的主電路和控制電路，無需額外增加AC/DC和DC/DC充電器，提高了功率密度、降低了產(chǎn)品成本、降低了系統(tǒng)故障率、減少了安裝空間等，解決了傳統(tǒng)電動汽車驅(qū)動與充電分離帶來的問題。最后針對提出的一體化拓撲和控制策略進行了實驗驗證，試驗中所采用電機型號為80CB050C，結(jié)果表明該一體化拓撲在充電實驗時直流母線電壓紋波在6.9%附近，經(jīng)過Buck電路中電機繞組進一步濾波后，充電電壓及電流紋波基本穩(wěn)定在0.3%以內(nèi)，驗證了所提方法的正確性和可行性，具有一定的應用前景和實用價值。

電力電子技術(shù)；汽車電池充電；一體化拓撲

隨著環(huán)境污染問題的日益嚴峻以及化石能源的短缺，各種新型能源及相關(guān)產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)，電動汽車作為其中代表之一，其相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展［1-4］。電動汽車的蓄電池及其充電技術(shù)是制約其發(fā)展的重要因素，蓄電池充電技術(shù)的好壞會直接影響到其充電時間與工作壽命。電動汽車充電系統(tǒng)包括車載型充電系統(tǒng)以及獨立型充電系統(tǒng)［5-6］，兩者最大區(qū)別即車載型充電系統(tǒng)將充電整流器安裝在車上，而獨立型充電系統(tǒng)將充電整流器放置在地面上專門充電樁上。

一般車載型充電系統(tǒng)包括充電變換器、蓄電池組、驅(qū)動變換器及電機，由于使用方便而被廣泛采用，本文所研究即車載型充電系統(tǒng)。車載型充電系統(tǒng)大多采用多整流器拓撲結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動電機的功率逆變器以及充電時的整流器，如圖1所示，當電動汽車工作在牽引模式或者充電模式時，其相應變流器工作而對應變流器停運，即充電整流變換器和驅(qū)動逆變器不同時運行；這就使得充電系統(tǒng)中的大電感和大電容數(shù)量等級較高，造成了車載型充電系統(tǒng)普遍存在成本高、體積大、功率密度等級低等問題，在此背景下，驅(qū)動、充電一體化結(jié)構(gòu)被廣泛研究［7，8］，一體化拓撲通過利用驅(qū)動系統(tǒng)中原有的主電路及控制電路來重構(gòu)充電系統(tǒng)，不需要增加額外的拓撲電路及功率器件，不僅會對電動汽車成本及車內(nèi)空間有巨大節(jié)省，同時也降低了汽車工作時的故障率，一體化拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文在雙輪驅(qū)動電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)硬件拓撲上，將原驅(qū)動系統(tǒng)重構(gòu)為驅(qū)動、充電一體化拓撲電路，并針對此拓撲電路提出相應控制策略。

圖1　電動汽車驅(qū)動與充電常規(guī)拓撲結(jié)構(gòu)

圖2　驅(qū)動與充電一體化拓撲結(jié)構(gòu)

1　主拓撲電路

本文所提出的驅(qū)動、充電一體化拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，該拓撲在原有雙輪驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，就可將原有驅(qū)動系統(tǒng)改變?yōu)榧骖櫝潆姽δ艿碾p工作模式拓撲，同時控制電路結(jié)構(gòu)也無需改變。

當工作在驅(qū)動模式時，開關(guān)K1往1口閉合，K2打開，蓄電池Udc通過逆變器1和2分別向兩個驅(qū)動電機M1、M2供電，通過合適的控制策略，控制逆變器開關(guān)管的導通組合，將蓄電池直流電變換成驅(qū)動電機所需的交流電，該工作模式即為經(jīng)典的三相全橋驅(qū)動模式。

圖3　一體化拓撲結(jié)構(gòu)

當該系統(tǒng)工作在充電模式時，需要提前停止電機驅(qū)動，首先將開關(guān)K1從1口分離，然后閉合充電開關(guān)K2，并將K1向2口閉合，此時，該一體化拓撲等效為不控整流電路串聯(lián)三相交錯并聯(lián)Buck斬波電路，如圖4所示（圖4中Buck電路簡畫出一相）。充電工作時，交流電源Us首先通過逆變器1的二極管不控整流成直流源Uc，電機M1繞組起到濾波作用，通過逆變器2與電機M2繞組構(gòu)成的三相交錯并聯(lián)Buck斬波電路將Uc調(diào)壓為充電所需電壓。同時，三相并聯(lián)電路在消除電流紋波以及通流的能力等級上較單相電路均有巨大提升。在充電模式時，電機繞組中的流過的電流相同，所以不存在電磁轉(zhuǎn)矩。這樣在原有驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，就重構(gòu)了車載充電系統(tǒng)，降低了產(chǎn)品成本，提高了器件使用效率。

圖4　充電模式等效電路

2　充電模式時各工作模態(tài)及控制策略

充電模式時等效拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，充電時，交流源Us首先經(jīng)過不控整流成直流源Uc，并向電容C充電，電容C在此起到穩(wěn)壓作用，然后直流源Uc通過三相交錯并聯(lián)［9-10］的Buck電路降壓成所需充電電壓Udc，其中三相交錯并聯(lián)Buck電路如圖5所示，電機M2三相電感繞組上電流分別為ia、ib、ic，三相電感繞組上電壓分別為ua、ub、uc，假設：各相繞組自感值相同均為L，各相繞組之間的互感值均為M，各元器件均為理想元器件。

圖5　三相交錯并聯(lián)Buck電路

在充電模式時，該三相交錯并聯(lián)的Buck電路共有6種工作模態(tài)，各工作模態(tài)及各模態(tài)下電感電流變化情況如圖6所示。

圖6　各工作模態(tài)時相電流

式中，L2=2M+L為該模態(tài)下等效電感。

模態(tài)3：

在該模態(tài)中，ua=uc=-Udc，ub=Uc-Udc，將各相繞組電壓值代入式（1）求解可得：

其中各相繞組的電壓方程如式（1）所示：

模態(tài)1：

如圖6所示，在該模態(tài)中，a相Buck電路的開關(guān)管K導通，直流母線電壓Uc向蓄電池充電，此時a相電感電壓ua的值為Uc-Udc，ub、uc的值均為-Udc，電感繞組上電流線性增加，將ua、ub、uc的值代入式（1）求解方程組可得：

模態(tài)2：

該模態(tài)處于各Buck電路換相導通之間，各相可控開關(guān)管均未導通，此時ua、ub、uc的值均為-Udc，代入方程組（1）求解可得：

由以上分析可知，在一個周期的各工作模態(tài)中，各相電感繞組之間實現(xiàn)了解耦，同時若直流母線電容C足夠大，則直流母線電壓和蓄電池電壓也可以實現(xiàn)解耦［11-12］。因此，在充電模式時，可以通過控制Buck降壓斬波電路的占空比D來控制蓄電池充電電壓Udc。本文采用電感電流瞬時控制原理，并結(jié)合電壓環(huán)構(gòu)成優(yōu)化的雙閉環(huán)控制策略；即當Buck電路開關(guān)管通斷時，根據(jù)電機繞組上電流瞬時變換情況來調(diào)節(jié)占空比D的變化，并加入電壓環(huán)來增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中Buck電路中開關(guān)K通斷時，電感L上的電流變化如圖6所示，當開關(guān)K導通時，電感L上電流增加，根據(jù)電感電壓、電流關(guān)系可以得到：

當開關(guān)K關(guān)斷時，可得：

式中，Ton與Toff分別為開關(guān)K的通斷時間，開關(guān)周期T=Ton+Toff，將式（5）與式（6）相加，整理后可得：

為了增加控制的響應能力以及穩(wěn)定性，加入電壓環(huán)進行控制，將蓄電池的給定值Udc?與測量值的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后代替式中的測量值，此時，i3作為電流的指令值i?，i1則為檢測值，則占空比D的表達式為：

由于該拓撲工作在充電模式時所需的控制主電路在原來驅(qū)動主電路基礎(chǔ)上可以完全滿足，不需額外增加控制電路，實際控制時簡單、方便。

3　實驗結(jié)果

基于以上所提雙輪驅(qū)動、充電一體化拓撲及控制策略，本文進行了實驗驗證，實驗電路框圖如圖7所示，交流源Us經(jīng)不控整流為直流母線電壓UC，通過交錯并聯(lián)的Buck電路降壓為所需充電電壓。在Buck電路工作時，采樣電路所采樣的蓄電池實際充電電壓與電流經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后反饋給DSP控制電路，將給定充電電壓、電流值與采樣反饋得到實際值經(jīng)過雙閉環(huán)控制后，輸出PWM驅(qū)動信號給各Buck電路開關(guān)管Ki，通過控制開關(guān)管Ki的通斷最終控制充電電壓Udc。試驗中使用的兩個電機的型號為80CB050C，DSP控制系統(tǒng)芯片為TMS320F28335，PWM輸出信號的驅(qū)動模塊采用EXP841。

圖7　實驗電路框圖

具體實驗參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)參數(shù)

圖8所示為不控整流后的直流母線電壓UC，從實驗波形可以看出，直流母線電壓在140 V附件，并且具有一定的紋波，紋波約為6.9%，在可接受范圍內(nèi)；這是因為整流時采用的是二極管不控整流，同時電機繞組電感也不夠大。在實際情況中，若紋波大小在允許范圍外，則需要考慮在直流側(cè)額外增加直流濾波電感。

圖8　直流母線電壓實驗波形

圖9所示為蓄電池充電電壓以及電流波形，從實驗波形可以看出，充電電壓、電流可以迅速穩(wěn)定到給定充電電壓，并且經(jīng)過二號電機繞組電感的進一步濾波，充電電壓、電流紋波都較小，紋波都在0.3%以內(nèi)，說明本文所提拓撲電路及控制策略可行。

圖9　充電電壓電流實驗波形

4　小結(jié)

通過利用電動汽車已有驅(qū)動系統(tǒng)的主電路及控制電路來重構(gòu)其充電、驅(qū)動一體化系統(tǒng)，該拓撲正向工作時驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，反向工作時給蓄電池充電；無需增加額外功率拓撲電路，解決了傳統(tǒng)電動汽車驅(qū)動與充電分離帶來的各種問題，具有一定的使用價值。

（1）針對傳統(tǒng)電動汽車驅(qū)動、充電分離的情況，提出新型驅(qū)動、充電一體化拓撲，該一體化拓撲在原有驅(qū)動系統(tǒng)基礎(chǔ)上重構(gòu)了充電系統(tǒng)，同時無需增加額外器件。

（2）針對本文所提出的新型驅(qū)動、充電一體化拓撲給出一種優(yōu)化電壓、電流雙閉環(huán)控制策略。

（3）最后對本文所提一體化拓撲及控制策略進行了實驗驗證，實驗表明，充電電壓、電流紋波都在0.3%以內(nèi)，充電效果較好，證明了本文所提方法的可行性。

綜上所述，本文提出的一體化拓撲和控制策略進具有一定的應用性和實用性。

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趙劍飛（1977-），男，博士，遼寧人，上海大學，講師，研究方向為新能源發(fā)電、微網(wǎng)，jeanff@126.com。

Research on the Integration of Charger and Driver for Electric Vehicle*

ZHAO Jianfei*，XUE Yang，LIU Jianbo
（School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai200072，China）

In order to solve problems caused by the separation of electric vehicle driving and charging system，an integrated power electronic topology and control strategy for electric vehicle driving and charging system are proposed，this system works as an electrical drive mode under normal operation and a battery charging mode under reverse operation.The integrated topology sharing the main circuit and control circuit of the driving system，without additional AC/DC and DC/DC charger，improving power density，reducing product cost，reducing the system failure rate，reducing the installation space，and solving the problems caused by the separation of the driving and charging of the traditional electric vehicle.In the end，the integrated topology and control strategy is verified，the motor model used in the experiment is 80CB050C，the results show that the DC link voltage ripple is around 6.9%in the charging experiment，after the further filtered through themotor winding in Buck circuit，the charging voltage and current ripple are basically stable at 0.3%，which verified that the proposed method is correct and feasible，and it has a certain application prospect and practical value.

power electronic technology；vehicle battery charging；integrated topology

U469.72

A

1005-9490（2016）05-1215-05

項目來源：上海市自然科學基金項目（13ZR1417000）

2015-11-10修改日期：2015-11-03

EEACC:1210；836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.038