基于新型四开关逆变器的集成式电动汽车充电器

2017-02-11 01:33宣圣谢贤
电源学报 2017年1期
关键词:集成式充电器绕组

宣圣谢贤,高 强

(上海交通大学电气工程系,上海200240)

基于新型四开关逆变器的集成式电动汽车充电器

宣圣谢贤,高 强

(上海交通大学电气工程系,上海200240)

对基于新型四开关逆变器的集成式电动汽车充电器进行研究。这种充电器通过重复利用逆变器、电机绕组、传感器以及控制和驱动电路,大幅降低了电机驱动和电池充电系统的成本、重量和体积。在分析集成式充电器的运行原理,并提出了其运行于电力拖动模式和电池充电模式时所采用的调制和控制策略,并在此基础上搭建了仿真模型。仿真结果表明,当这种集成式充电器运行于电力拖动模式时能够在电机绕组上产生正弦电流,使电机正常旋转;当其运行于电池充电模式时,能对电池进行充电,输入功率因数接近于1,输入电流谐波含量较低。

四开关逆变器;电池充电器;电动汽车

石油资源的日益紧张和空气污染问题的不断恶化促进了电动汽车的研究[1-3]。电动汽车的功率由电池提供,而电池通常通过交流电源进行充电,因此电动汽车都会配备一个车载充电器。车载充电器的重量和体积影响电动汽车的整体效率、性能和成本。另外国家对电池充电时的输入功率因数和输入电流谐波含量设立的相关标准,要求接近单位功率因数和输入电流谐波低,以提高交流电网的电能质量。因此亟待需要一种轻巧、廉价的充电器,使其在较低成本情况下仍能达到较高的性能。

文献[4]通过改变逆变器结构,使交流电压经过整流后能够直接加在逆变器一侧,以达到重复利用电机驱动用六开关逆变器和电机绕组的目的。其将六开关逆变器改造成一个boost升压充电电路或buck降压充电电路,并将电机绕组复用为充电电感,从而使充电器成本得到降低,但这些集成式充电器需要增加一些继电器或开关器件来改变逆变器结构或电机绕组结构,从而一定程度上增加了成本,且控制较复杂;文献[5-6]通过改变电机绕组结构,使三相或单相交流电压能够直接加在电机绕组上,将六开关逆变器重复利用为一个整流器,而电机绕组则成为一个交流输入电感,其将电机的每相绕组分成多段,并从中引出抽头,增加一些继电器后可能选择性的改变电机绕组的结构。但这些集成式充电器同样需要增加一些继电器,且电机结构需要重新设计,一定程度上会影响电机本身的性能。

本文将一种新型四开关逆变器[7,8]应用于电动汽车的电机控制中,并对四开关逆变器稍作修改,通过交流电压整流后施加在电机中性线处,将四开关逆变器重复利用为一个电池充电器。由于新型四开关逆变器较六开关逆变器的成本更低,又被重复利用为电池充电器,从而使电动汽车的驱动系统和充电系统的成本大幅降低。电机绕组被重复利用为充电电感使得系统的体积和重量也大幅缩小。另外由于流过电机绕组的电流为单方向电流,不会产生电磁转矩,从而电机转子可以保持静止。本文深入分析了这种集成式充电器的运行原理,并搭建了仿真模型对运行理论进行了验证。结果表明当集成式充电器运行于电力拖动模式时,电机绕组上能产生三相正弦半波电流,减去零序电流后呈正弦波,使电机能够正常旋转。当集成式充电器运行于电池充电模式时,能够对输入电流进行有效控制,实现功率因数接近于1;且输入电流谐波含量较低,符合IEC61000-3-2标准。

1 集成式充电器拓扑

基于新型四开关逆变器的集成式电动汽车充电器主电路拓扑如图1所示。主电路拓扑主要包括1个新型四开关逆变器、1个不控整流桥、1个引出中心线的电机和1个电池组。整个拓扑共使用4个功率开关器件和7个功率二极管,且将电机绕组复用为boost电感,系统的整体成本、体积和重量被大幅降低。除了主电路器件的重复利用,电流传感器、驱动及控制电路都可以被重复利用,这使得系统的成本进一步降低。

图1 集成式电动汽车充电器主电路拓扑Fig.1 The main circuit topology of the integrated battery charger for electric vehicles

当系统运行于电力拖动模式时,单相电网电压被断开,系统由电池组直接供电驱动电机,此时不控整流桥(D4~D7)在新型四开关逆变器中等效为一个二极管,通过控制4个功率开关器件的通断可控制电机正常旋转;当系统运行于电池充电模式时,单相电网电压被连接,系统给电池组进行充电,此时整流桥将单相交流电压整流成一个2倍电网频率波动的直流电压。开关S4恒关断,主电路等效为3个升压斩波电路并联,且电机处于停滞状态,三相绕组等效为3个boost电感。

2 集成式充电器运行模式

集成式充电器主要有2种运行模式:电力拖动模式和电池充电模式。

2.1 电力拖动模式

当系统运行于电力拖动模式,单相电网不再连接系统,不控整流桥被等效为一个二极管。此时用新型四开关逆变器对电机进行调速的控制方法可以与传统六开关逆变器一样,如磁场导向控制等。主要的不同在于空间电压矢量脉宽调制时各矢量对应的开关状态不同,另外新型四开关逆变器在调制时需要进行零序电流的抑制[8]。

新型四开关逆变器各开关状态对应的合成空间电压矢量如表1所示,其中开关导通状态以1表示,开关关断状态以0表示。其中6个S4恒关断的开关状态1000、1100、0100、0110、0010和1010输出的电压矢量与S1、S2、S3导通时对应绕组上是否有电流有关:若电流为0,则这一矢量为零矢量;若电流不为0,则对应矢量分别与S4导通时相同。得到了新型四开关逆变器的基本矢量和4个零矢量,就可利用空间矢量脉宽调制方法对电机进行控制,使电机磁链轨迹更接近圆形,从而运行更加平稳。

表1 新型4开关逆变器的电压空间矢量Tab.1 Voltage space vectors of the novel four-switch inverter

由于6个基本矢量对应的开关S4恒导通的开关状态(0111、0011、1011、1001、1101、0101)只会在电机绕组上产生负的母线电压,会引起零序电流过大问题。零序电流虽然不会对电机产生有效转矩,但当其流经电机绕组时,会在绕组上产生较大的损耗,从而降低系统效率。另外零序电流过大时,三相电流可能会超过开关管或电机的最大允许电流。为了减小零序电流,使电机能够正常运转,需当对应相电流不为0时使用S4恒关断的开关状态(0110、0010、1010、1000、1100、0100)来产生相同的电压空间矢量,这些开关状态能在电机绕组上施加正的母线电压,降低零序电压的平均值。

2.2 电池充电模式

当系统运行于电池充电模式,单相电网连接系统经不控整流桥后产生一个2倍电网频率波动的直流电压。而开关S4保持关断状态,开关S1、S2和S3根据电池充电情况同时进行开通和关断,主电路等效为3个升压斩波电路的并联。由于S1、S2和S3同时导通,总充电电流将在3个开关管上进行分流。较仅有单个开关管承受总电流的充电器,导通损耗被有效降低,从而提高了系统效率。

电池充电一般采用三段式充电方式[9,10]:恒流充电阶段、恒压充电阶段和浮充充电阶段,其中恒流充电和恒压充电是电池充电的主要阶段。为了控制输入电流实现输入功率因数接近于1和输入电流低谐波含量,采用双闭环控制方法,如图2所示。

当电池荷电状态SOC(state of charge)低于83%时,采用恒流充电模式。给定充电电流Io*与实际充电电流的差值ΔIo,经过一个PI控制器后再乘以|sin θ|得到输入直流侧电流的给定值ig*。ig*与输入直流侧电流实际值ig的差值经过一个PI控制器后得到3个升压斩波电路开关的占空比D,由PWM发生器产生对应的开关信号控制开关的导通与关断。当电池荷电状态SOC高于83%时,采用恒压充电模式。较恒流充电模式在控制上的不同之处在于输入直流侧电流的给定值ig*由给定电池电压Uo*与实际电池电压Uo的差值ΔUo,经过一个PI控制器后再乘以|sin θ|得到。其中θ为由锁相环得到的电网电压角度。通过乘以|sin θ|得到的输入直流侧电流给定值,能够使输入电流与电网电压同相,从而实现单位功率因数。另外当外环跟踪较好,外环PI输出为一个较稳定的值时,输入直流侧电流的给定值将是一个标准的正弦半波,若同时电流内环跟踪较好,则输入电流将呈低谐波含量的正弦波。

图2 电池充电模式时的控制框图Fig.2 Control block diagram of battery charging mode

3 系统建模与仿真

3.1 系统仿真模型

为验证本文所提出的集成式充电器及其控制策略的有效性,在Simulink环境下建立对应的仿真模型,如图3所示。本文主要侧重说明此变流器拓扑工作于逆变状态时的调制策略,而在永磁同步电机负载下,尽管通常还会存在电流环和转速环,但是与简单的阻感负载相比,两种负载下的变流器调制策略是完全一致的,故为突出重点,选择使用阻感负载代替电机负载来进行调制策略的解释。取每相电阻和电感分别为8 Ω和3 mH。交流电源电压为220 V,直流侧电容为3 000 μF,开关频率为10 kHz。电池参数如表2所示。

图3 集成式充电器的仿真模型Fig.3 Simulation model of the integrated charger

表2 电池参数Tab.2 Battery parameters

3.2 电力拖动模式下的仿真

设置电池处于充满状态(SOC为100%),将交流电源断开,由电池给新型四开关逆变器供电用于驱动电机。为了验证系统能够带动电机正常旋转,给定变频变压的参考电压矢量模拟电机的变频启动过程,并利用第2.1节的空间电压矢量进行空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation),得到的滤波后的三相电压波形、三相电流波形和三相电流减去零序电流后的波形如图4~图6所示。

图4 电机三相电压波形Fig.4 Three phases voltage waveforms of the motor

图5 电机三相电流波形Fig.5 Three phases current waveforms of the motor

图6 电机三相电流减去零序电流后的电流波形Fig.6 Three phases current waveforms of the motor minus the zero sequence current

由图4可知,电机绕组上的电压幅值和频率均缓慢增加并最终稳定,与设定的参考电压一致。由图5和图6可知,虽然相电流为正弦半波,但实际作用在电机各相绕组上的电流为三相正弦电流,故能够在电机定子上形成圆形磁链使电机正常旋转。

3.3 电池充电模式下的仿真

当电池荷电状态SOC低于83%时,采用恒流充电模式。设置电池的荷电状态SOC为50%,恒流充电的给定充电电流为8 A。利用第2.2节的控制方法对电池进行恒流充电,由于电池的充电电流呈波动状态,对于图2中的Io需先进行有效值求取后再与给定充电电流Io*相减求差值ΔIo。当充电电流有效值稳定在8 A时,电池荷电状态SOC、电流和电压波形如图7所示。交流侧输入电流和电压波形如图8所示,其中输入电流被放大了15倍。输入电流的FFT分析结果及其与IEC61000-3-2标准的对比如图9所示。由图7可知,系统运行在充电模式时,能够对电池进行充电,充电过程中SOC和电池电压缓慢上升。由图8和图9可知此时输入电流与电网电压同相位,输入功率因数达到98%以上。输入电流波形呈标准的正弦波,谐波含量较低,符合IEC61000 -3-2标准。

图7 电池荷电状态SOC、电流和电压波形Fig.7 Waveforms of SOC,current and voltage of the battery

图8 交流侧输入电流和电压波形Fig.8 Waveforms of input current and voltage on AC side

图9 交流侧输入电流FFT分析结果Fig.9 FFT analysis results of the input current on AC side

4 结语

本文提出了一种基于新型四开关逆变器的集成式电动汽车充电器,该充电器通过重复利用逆变器、电机绕组、传感器以及控制和驱动电路,大幅降低了电机驱动和电池充电系统的成本、重量和体积。本文对这种集成式充电器的运行原理进行了深入分析,提出了其运行于电力拖动模式和电池充电模式时所采用的调制和控制策略。最后在Simulink环境下搭建了仿真模型,仿真结果与理论分析相一致,为基于这种集成式充电器的进一步研究奠定了理论基础。由于时间和条件限制,暂无法提供实验结果,但是实验平台正在规划中。

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Novel Integrated Battery Charger Based on a Four-switch Inverter for Electric Vehicles

XUAN Shengxiexian,GAO Qiang
(Department of Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

A novel integrated battery charger based on a four-switch inverter for electric vehicles is presented, which reuses the inverter,motor windings,sensors,control and drive circuits,and hence the cost,weight and size of the drive system and charging system are greatly reduced.The operating modes of the integrated charger is analyzed. Modulation and control strategies are proposed for electric drive mode and the battery charge mode.Finally,a simulation model has been built,and the simulation results verify that the motor can run properly when the integrated battery charger is operated under electric drive mode.Also,when the integrated battery charger is operated under battery charge mode,the input power factor is closed to 1,and the input current has very low harmonic content.

four-switch inverter;battery charger;electric vehicles

宣圣谢贤(1990-),男,硕士研究生,研究方向:电力电子及电力传动,E-mail:xuanshen_4401@qq.com。

宣圣谢贤

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.69

:TM 910

:A

2015-11-23

国家自然科学基金资助项目(51477101)

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51477101)

高强(1975-),男,通信作者,博士,副教授,研究方向:电机及其控制、风力发电、电力电子,E-mail:gaoqiang@sjtu.edu. cn。

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