電動汽車用充電器與驅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）

電動汽車用充電器與驅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）

針對電動汽車驅動與充電系統分離所帶來的諸多問題，提出了一種電動汽車驅動和充電系統一體化電力電子拓撲結構及相應控制策略，該拓撲正向工作時驅動電機為電動狀態、反向工作時給蓄電池充電為充電狀態。一體化拓撲在充電時共用驅動系統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、降低了產品成本、降低了系統故障率、減少了安裝空間等，解決了傳統電動汽車驅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定在0.3%以內，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；汽車電池充電；一體化拓撲

隨著環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產業不斷涌現，電動汽車作為其中代表之一，其相關技術及產業在快速發展［1-4］。電動汽車的蓄電池及其充電技術是制約其發展的重要因素，蓄電池充電技術的好壞會直接影響到其充電時間與工作壽命。電動汽車充電系統包括車載型充電系統以及獨立型充電系統［5-6］，兩者最大區別即車載型充電系統將充電整流器安裝在車上，而獨立型充電系統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包括充電變換器、蓄電池組、驅動變換器及電機，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。車載型充電系統大多采用多整流器拓撲結構，包括驅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動逆變器不同時運行；這就使得充電系統中的大電感和大電容數量等級較高，造成了車載型充電系統普遍存在成本高、體積大、功率密度等級低等問題，在此背景下，驅動、充電一體化結構被廣泛研究［7，8］，一體化拓撲通過利用驅動系統中原有的主電路及控制電路來重構充電系統，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空間有巨大節省，同時也降低了汽車工作時的故障率，一體化拓撲結構如圖2所示，本文在雙輪驅動電動汽車的驅動系統硬件拓撲上，將原驅動系統重構為驅動、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　電動汽車驅動與充電常規拓撲結構

圖2　驅動與充電一體化拓撲結構

1　主拓撲電路

本文所提出的驅動、充電一體化拓撲結構如圖3所示，該拓撲在原有雙輪驅動系統的基礎上，就可將原有驅動系統改變為兼顧充電功能的雙工作模式拓撲，同時控制電路結構也無需改變。

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

圖3　一體化拓撲結構

當該系統工作在充電模式時，需要提前停止電機驅動，首先將開關K1從1口分離，然后閉合充電開關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三相交錯并聯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繞組構成的三相交錯并聯Buck斬波電路將Uc調壓為充電所需電壓。同時，三相并聯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，所以不存在電磁轉矩。這樣在原有驅動系統的基礎上，就重構了車載充電系統，降低了產品成本，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及控制策略

充電模式時等效拓撲結構如圖4所示，充電時，交流源Us首先經過不控整流成直流源Uc，并向電容C充電，電容C在此起到穩壓作用，然后直流源Uc通過三相交錯并聯［9-10］的Buck電路降壓成所需充電電壓Udc，其中三相交錯并聯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Buck電路

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

圖6　各工作模態時相電流

式中，L2=2M+L為該模態下等效電感。

模態3：

在該模態中，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1：

如圖6所示，在該模態中，a相Buck電路的開關管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2：

該模態處于各Buck電路換相導通之間，各相可控開關管均未導通，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中，各相電感繞組之間實現了解耦，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，并結合電壓環構成優化的雙閉環控制策略；即當Buck電路開關管通斷時，根據電機繞組上電流瞬時變換情況來調節占空比D的變化，并加入電壓環來增加系統穩定性。其中Buck電路中開關K通斷時，電感L上的電流變化如圖6所示，當開關K導通時，電感L上電流增加，根據電感電壓、電流關系可以得到：

當開關K關斷時，可得：

式中，Ton與Toff分別為開關K的通斷時間，開關周期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定性，加入電壓環進行控制，將蓄電池的給定值Udc?與測量值的差值經PI調節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動主電路基礎上可以完全滿足，不需額外增加控制電路，實際控制時簡單、方便。

3　實驗結果

基于以上所提雙輪驅動、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經不控整流為直流母線電壓UC，通過交錯并聯的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過A/D轉換后反饋給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過雙閉環控制后，輸出PWM驅動信號給各Buck電路開關管Ki，通過控制開關管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控制系統芯片為TMS320F28335，PWM輸出信號的驅動模塊采用EXP841。

圖7　實驗電路框圖

具體實驗參數如表1所示。

表1　系統參數

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；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、電流可以迅速穩定到給定充電電壓，并且經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，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

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

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

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

（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，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。

［1］Jung D，JI Y，Won C，et al.Grid-Connected Electric Vehicles Charger Station Based on Lithium Polymer Battery Energy Storage System［C］//IEEE 2010 Vehicle Power and Propulsion Conference（VPPC）.Lille，France：IEEE，2010：1-5.

［2］Egan G，Sullivan，Hayes G，et al.Power-Factor-Corrected Single-Stage Inductive Charger for Electric Vehicle Batteries［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（2）：1217-1226.

［3］郭建龍，文福拴.電動汽車充電對電力系統的影響及其對策［J］.電力自動化設備，2015，35（6）：1-7. Guo Jianlong，Wen Fushuan.High-Efficient Battery Charging System Based on Current-Source PWM Rectifiers［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（6）：1-7.

［4］任玉瓏，史樂峰，張謙，等.電動汽車充電站最優分布和規模研究［J］.電力系統自動化，2011，35（14）：53-57. RenYulong，Shi Lefeng，Zhang Qian，et al.Optimal Distribution and Scale of Charging Stations for Electric Vehicles［J］.Automation of Electric Power Systems，2011，35（14）：53-57.

［5］段朝偉，徐海剛.電動汽車電池智能充電系統設計與實現［J］.電子器件，2013，36（2）：256-259. Duan Chaowei，Xu Haigang.Design and Implementation of Electric Car Battery Intelligent Charging System［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2013，36（2）：256-259.

［6］Lacressonniere F，Cassoret B.Converter Used as a Battery Charger and a Motor Speed Controller in an Industrial Truck［C］//2005 European Conference on Power Electronics andApplications. Dresden，Germany：IEEE，2005：1-7.

［7］Gilanmatio P，Eric A，Paolo G.Integrated Battery Charger for Electric Scooter［C］//13th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE'09）.Barcelona，Spain：IEEE，2009：1-7.

［8］Lacroix S，Hilairet M，Laboure E.Design of a Batterycharger Controller for Electric Vehicle Based on RST Ontroller［C］//IEEE 2011 Vehicle Power and Propulsion Conference.Chicago，IL，USA：IEEE，2011：1-6.

［9］盧增藝，陳為.多通道交錯并聯反激變換器磁集成技術研究［J］.中國電機工程學報，2009，29（18）：41-46. Lu Zengyi，Chen Wei.Research on Magnetic Integration of Multi-Phase Interleaving Flyback Converter［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（18）：41-46.

［10］汪東，趙一，石健將，等.具有開關電容的隔離型交錯并聯Boost變換器［J］.中國電機工程學報，2009，29（21）：14-20. Wang Dong，Zhao Yi，Shi Jianjiang，et al.Interleaved and Isolated Boost Converters with Switched Capacitors［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（21）：14-20.

［11］Li Wuhua，He Xiangning.A Family of Isolated Interleaved Boost and Buck Converters with Winding-Cross-Coupled Inductors［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（6）：3164-3173.

［12］封焯文，粟梅，孫堯，等.用于電動汽車的雙向交錯式DC/DC變換器的設計［J］.電力電子技術，2010，44（9）：16-17. Feng Zhuowen，Su Mei，Sun Yao，et al.A Bidirectional Interleaved DC/DC Converter for Electric Vehicleapplications［J］.Power Electronics，2010，44（9）：16-17.

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電、微網，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