电动汽车驱动充电一体化控制策略研究

高　峰， 谈　韵， 陶远鹏，许竹发， 李晓飞， 郑昕昕

(1. 国网合肥供电公司, 安徽 合肥 230009；2. 合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0　引言

随着能源危机和环境污染的加剧，由节能环保电动汽车替代传统燃油汽车是未来社会和经济发展的必然趋势[1]。然而，电动汽车采用车载动力电池作为能量来源，意味着传统汽车的燃油发动机系统将被电驱动系统所替代，且需要通过充电机给动力电池进行充电[2-6]。实际上，电动汽车电机驱动器和充电机主电路可以采用同一种拓扑和控制策略实现[7]，但目前的驱动器和充电机仍是相互独立的2个部分，这就导致两者占用了较大的车内空间，且增加了车辆的重量。

目前关于电动汽车驱动充电一体化的研究主要集中在主功率拓扑的改进方面，从理论上说，只要能够实现能量双向流动的交直流变换(AC/DC)变流器都可以作为驱动充电一体化的主功率拓扑[8]。常见的拓扑包括三相桥式拓扑、桥式组合拓扑和改变电机结构的混合拓扑等[9-12]。

虽然针对电动汽车驱动器和充电机的一体化技术已有较多的研究，但其仍存在一定的问题。对于改变电机结构的混合拓扑，虽然能够巧妙利用电机绕组减小滤波器体积，但需要对电机进行专门设计，通用性较弱。对于三相桥式拓扑和桥式组合拓扑，针对变流器作为电机驱动器和充电机的工作模式，目前大多仍采用2套独立的控制策略，虽然主功率电路的复用能够减小系统体积和重量，但对应的控制系统仍然较为复杂[13]。

针对上述问题，采用桥式拓扑作为变流器主功率电路，不需要改变电机本身的结构，可扩展性强，既可以工作在逆变状态，也可以工作在整流状态[14-16]，分别对应了变流器作为电机驱动器和充电机的工作模式，能够节省体积和成本[17]。在此基础上，采用矢量控制策略，该方法能够实现对交流信号的无静差跟踪，控制精度高[18-20]，探讨2种工作模式下矢量控制策略下的统一性，从而简化控制系统。

文中采用三相桥式拓扑实现驱动和充电时能量的双向流动，介绍了复用型主功率拓扑的工作原理，将统一矢量控制应用于电动汽车驱动充电一体化控制，提出工作状态的切换逻辑。最后通过搭建基于MATLAB/Simulink的驱动充电一体化系统仿真模型对理论分析进行验证。

1　复用型主功率电路工作原理

图1给出了复用型AC/DC变流器拓扑，为三相桥式结构，通过开关继电器控制驱动和充电2种模式的切换。当变流器作为电机驱动器工作时，其工作在逆变状态，交流侧与电机相连；当作为充电机工作时，其工作在整流状态，交流侧与滤波器和电网相连。无论是作为电机驱动器还是充电机进行工作，变流器直流侧始终与车载动力电池相连接。由于复用拓扑中增加了滤波器，因此采用该拓扑时，应考虑将滤波器安装在车外的交流充电桩内，避免占用车辆空间，增加重量。

图1　复用型AC/DC变流器拓扑Fig. 1　Topology of the multiplexed AC/DC converter

图2给出了永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)的等效电路。Ru，Rv和Rw为定子相电阻;Lu，Lv和Lw为绕组电感;eu，ev和ew为三相电势。变流器能够实现能量的双向流动，说明了三相桥式拓扑应用于电动汽车驱动一体化系统的可行性。对比图1中的电网端电路，ea，eb和ec为电网电压，当采用电感滤波器时，每相滤波器均可看作电感和等效线路阻抗的串联，变流器交流侧所接的PMSM或电网具有类似的结构，都可以看作电阻、电感和交流电源的串联，两者的区别在于电阻和电感值不同，交流电源的幅值和频率不同。

图2　PMSM等效电路Fig. 2　Equivalent circuit of PMSM

2　统一矢量控制策略

2.1　变流器模型的建立

根据基尔霍夫电压方程，可得到变流器电压电流关系为：

(1)

式中：uNO为直流侧负端与交流侧中点的电压差值；x为对应的相，当变流器作为电机驱动器工作时，x=u，v，w，当变流器作为充电机工作时，x=a，b，c；Sx为对应桥臂功率管的开关函数，当上桥臂功率管导通且下桥臂功率管关断时候，其值为1，当上桥臂功率管关断且下桥臂功率管导通时，其值为0。根据式(1)可得到变流器在dq坐标系下的数学模型为：

(2)

式中：y表示变流器的工作模式，当y=0时，变流器作为电机驱动器工作；当y=1时，变流器作为充电机工作。当变流器交流侧与电网连接时，ed1和eq1由电网本身状态所决定，与id1和iq1无关，而当变流器交流侧与PMSM连接时，ed0和eq0受到id0和iq0的影响，两者的对应关系为：

(3)

2.2　矢量控制策略及参数设计

图3给出了矢量控制策略流程，根据图2，变流器交流侧可以统一为电阻、电感和交流电源串联的形式，可以看出，2种工作模式下可以采用完全相同的控制流程。图中3(a)中PLL为锁相环，其输出的交流相位角参与坐标变换，对于电机驱动器，交流相位角由电机位置传感器得到，对于充电机，交流相位角由电网电压传感器得到。根据上文的分析可以得出结论，变流器2种工作模式下的电路结构和控制策略均相同，但在参数上存在以下区别：

(1) 2种模式下的电阻、电感和交流电源串联结构中，电阻和电感值不同，交流电源的幅值和频率不同；

(2) 参与坐标变换的相位角生成方式不同，需要采用不同的传感器。

图3　矢量控制策略流程Fig. 3　Diagram of vector control

对控制参数进行设计，需要建立电流环闭环传递函数，对于第一点区别，参数的差异仅会影响2种模式控制策略的传函系数，不会影响传递函数的结构；而对于第2种差异，由于传递函数在dq坐标系下获得，相位角生成方式对传递函数没有影响。由此可得到2种模式下控制策略的电流环结构框图，如图4所示。

图4　电流环结构框图Fig. 4　Structure diagram of the current loop

图中GPIy(s)为电流环误差调节器的传递函数，即：

(4)

式中：Kpy和Kiy分别为电流环误差调节器的比例和积分系数；KPWM为PWM调制环节传递系数，当电流反馈采样系数为1时，KPWM=1。GPCS(s)为变流器的传递函数，相当于一个比例延时环节，其表达式为：

(5)

式中：Ts为采样周期。当采用同一套控制系统时，2种模式下的GPCS(s)和KPWM相同。由此可以得到电流环闭环传递函数表达式为：

(6)

化简得：

(7)

可以看出，式中三阶系数远小于二阶系数，因此系统能够近似看作二阶系统，可以按照典型二阶系统进行电流环误差调节器的参数设计。

对比2种工作模式下的电路参数，电机绕组电感和定子等效电阻均大于充电机滤波电感和等效电阻，即L1

为分析驱动与充电时电流的控制效果和动态响应特性，在相同的开关频率和控制参数下，忽略等效电阻的影响，做出不同电感值对应的电流环响应曲线(Ki/Kp=1000)，如图5所示。可以看出，若共用一套控制参数，电机驱动工作模式下系统响应时间和超调量较大。

图5　电流环响应曲线Fig. 5　Response curve of the current loop

3　仿真验证

根据上述分析，搭建了基于MATLAB/Simulink的驱动充电一体化系统仿真模型，当采用同一套控制参数时，PMSM和充电机的三相启动电流波形如图6所示，此时Kp=2，Ki=2000。可以看出，电机驱动工作模式下系统响应时间相对充电模式下较大，而充电模式在启动时会有较大的冲击，是变流器固有特性导致的。

图6　三相启动电流波形Fig. 6　Three-phase starting current waveform

根据二阶系统设计方法重新设计参数，相关数据如表1所示。

表1　一体化系统相关参数Tab. 1　Parameters of the integration system

图7　dq轴电流的变化情况Fig.7　Current change of the dq coordinate

图7(b)所示为电流基准idy和iqy的变化，电流反馈能够跟随电流基准，在所设计的参数下，电动汽车驱动充电一体化控制策略能够有效实现充电和驱动的切换和控制。

图8为电网侧电压和电流波形，在0.03 s时，变流器由电模式切换为电驱动模式，因此，在0.03 s之前，电网电流与电压同频反相，变流器工作在整流模式，在0.03 s之后，电网与一体化充电机断开。

图8　电网侧电压和电流波形Fig.8　Voltage and current of the grid side

图9给出了稳定后电机三相电流波形，为三相正弦波，能够实现电机稳定运行。

图9　PMSM三相电流波形Fig.9　Three-phase current of the PMSM

4　结论

文中以实现电动汽车驱动充电一体化为目标，研究了驱动和充电2种工作模式下共用变流器工作原理，并给出了统一的一体化控制策略，讨论了2种工作模式下控制系统参数设计的异同点，并推导出了统一的系统闭环传递函数，从而进行控制系统参数设计，在此基础上通过仿真验证了理论分析，所得到结论如下：

(1) 电动汽车驱动充电一体化能够通过共用变流器和控制系统实现，减少了电动汽车体积和重量；

(2) 由于充电和驱动2种工作模式下电路等效参数不同，因此2种工作模式下电流误差调节器的设计应采用不同的参数；

(3) 应用驱动充电一体化控制策略的系统能够实现工作模式的灵活切换，应能够实现系统稳定可靠运行；

(4) 为避免增加车辆体积重量，复用拓扑中的滤波器应安装在地面交流充电桩内，后续研究将进一步优化电路结构，并考虑用电机绕组电感进行滤波。

参考文献：

[1] SALEHIFAR M, MORENO-EGUILAZ M, PUTRUS G, et al. Simplified fault tolerant finite control set model predictive control of a five-phase inverter supplying BLDC motor in electric vehicle drive[J]. Electric Power Systems Research, 2016, 132: 56-66.

[2] 韩华春, 丁昊, 黄地, 等. 面向主动配电网的电动汽车充放电功率控制技术[J]. 电力工程技术, 2017,36(4): 5.

HAN Huachun, DING Hao, HUANG Di, et al. Electric vehicle power control strategy for active distribution network [J]．Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(4):5.

[3] 陈庆, 魏丽君, 熊异. 基于 DSP 和弱磁控制算法的纯电动汽车电机控制系统[J]. 微特电机, 2016, 44(5): 48-51.

CHEN Qin, WEI Lijun, XIONG Yi. Motor control system of pure electric vehicles based on DSP and the flux weakening control algorithm[J]. Small & Special Electrical Machines, 2016, 44(5): 48-51.

[4] TENG J H, LIAO S H, WEN C K. Design of a fully decentralized controlled electric vehicle charger for mitigating charging impact on power grids[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(2): 1497-1505.

[5] 刘东奇, 钟庆昌, 王耀南, 等. 基于同步逆变器的电动汽车 V2G 智能充放电控制技术[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(2): 544-556.

LIU Dongqi, ZHONG Qingchang, WANG Yaonan, et al.Electric vehicles based on synchronization inverter V2G intelligent charge and discharge control technology [J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 544-556.

[6] 管永高,牛涛,倪盼盼. 电动汽车直流充电桩接入对电网谐波的影响分析[J]. 电力需求侧管理，2017,19(3):10-14.

GUAN Yonggao，NIU Tao，NI Panan. Study on the impact of electric vehicle DC chargers on power grid harmonics. Power Demand Side Mangment, 2017,19(3):10-14.

[7] 高健勋. 纯电动汽车充电与驱动一体化研究[D]. 淮南：安徽理工大学, 2016.

GAO Jianxun. The research based on the integration of the charging and driving of electric vehicle[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2016.

[8] 赵剑飞, 薛洋, 刘建波. 电动汽车用充电器与驱动器一体化拓扑研究[J]. 电子器件, 2016,39 (5): 1215-1219.

ZHAO Jianfei, XUE Yang, LIU Jianbo. Research on the integration of charger and driver for electric vehicle [J]. Electronic Devices, 2016 ,39(5): 1215-1219.

[9] 孙鹤旭, 张厚升, 井延伟. 电动汽车一体化驱动系统三相 3H 桥逆变器的故障相短接容错控制策略[J]. 电机与控制学报, 2016, 20(11): 107-116.

SUN Hexu, ZHANG Housheng, JING Yanwei. Tolerant control strategy for 3H bridge inverter short circuitfault of electric vehicle integrated drive system [J]. Electric Machines and Control, 2016, 20(11): 107-116.

[10] 刘莹, 王辉, 漆文龙. 电动汽车驱动系统与蓄电池充电一体化混合拓扑研究综述[J]. 电力自动化设备, 2013, 33(10): 143-149.

LIU Ying, WANG Hui, QI Wenlong. Summary of integrated topology of EV traction system and battery charging system [J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(10): 143-149.

[11] HAGHBIN S, KHAN K, LUNDMARK S, et al. Integrated chargers for EV′s and PHEV′s: examples and new solutions[C]∥ Electrical Machines (ICEM), 2010 XIX International Conference on IEEE, 2010: 1-6.

[12] 李为汉. 含电机绕组的电动汽车Z源一体化充电机研究初探[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2015.

LI Weihan. Including motor winding of the electric car charger Z source integration research [D]. Harbin ：Harbin Institute of Technology, 2015.

[13] 孙鹤旭, 张厚升. 电动汽车驱动一体化系统牵引模式下逆变器的开路容错控制策略[J]. 电测与仪表, 2016, 53(17): 34-38.

SUN Hexu, ZHANG Housheng. A novel tolerant control strategy for the inverter of the EV integrated traction system.

[14] 杨刚, 杨奇逊, 张涛, 等. 微网中双向 DC-AC 变流器的性能优化控制[J]. 电工技术学报, 2016, 31(7): 81-91.

YANG Gang, YANG Qixun, ZHANG Tao, et al. Improvement control of dual-direction DC-AC converters for microgrids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(7): 81-91.

[15] 张军, 韩华春, 原增泉. 基于两级充电管理系统的电动汽车智能充电控制系统研究[J]. 电力工程技术, 2017, 36(5): 86-92.

ZHANG Jun, HAN Huachun, YUAN Zengquan. Smart charging control electrical vehicles based on two-level charge management system [J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(5): 86-92.

[16] 李生民, 韩钊, 余雷. 电动汽车双向变换器快速充电仿真研究[J]. 计算机仿真, 2016 (7): 223-228.

LI Shengmin, HAN Zhao, YU Lei. The simulation research on the fast charge of electric vehicle bidirectional converter [J]. Computer Simulation, 2016 (7): 223-228.

[17] HU Y, SONG X, CAO W, et al. New SR drive with integrated charging capacity for plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs)[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(10): 5722-5731.

[18] AHMED I, BORGHATE V B, MATSA A, et al. Simplified space vector modulation techniques for multilevel inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(12): 8483-8499.

[19] 张婧,周孔均.重庆市新能源汽车发展现状及对策建议[J]. 电力需求侧管理，2017,19(1):58-59, 64.

ZHANG Jing，ZHOU Kongjun. Status and suggestions for the development of new energy vehicle industry in Chongqing[J]. Power Demand Side Mangment, 2017,19(1):58-59, 64.

[20] 巫志平.分布式电动汽车充电设施建设及推广[J]. 电力需求侧管理,2016,18(03):50-53.

WU Zhiping. Analysis of the problems of electric vehicle charging facilities construction and promotion[J]. Power Demand Side Mangment, 2016,18(03):50-53.