宣圣謝賢，高 強(qiáng)

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200240）

基于新型四開(kāi)關(guān)逆變器的集成式電動(dòng)汽車充電器

宣圣謝賢，高 強(qiáng)

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200240）

對(duì)基于新型四開(kāi)關(guān)逆變器的集成式電動(dòng)汽車充電器進(jìn)行研究。這種充電器通過(guò)重復(fù)利用逆變器、電機(jī)繞組、傳感器以及控制和驅(qū)動(dòng)電路，大幅降低了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池充電系統(tǒng)的成本、重量和體積。在分析集成式充電器的運(yùn)行原理，并提出了其運(yùn)行于電力拖動(dòng)模式和電池充電模式時(shí)所采用的調(diào)制和控制策略，并在此基礎(chǔ)上搭建了仿真模型。仿真結(jié)果表明，當(dāng)這種集成式充電器運(yùn)行于電力拖動(dòng)模式時(shí)能夠在電機(jī)繞組上產(chǎn)生正弦電流，使電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)；當(dāng)其運(yùn)行于電池充電模式時(shí)，能對(duì)電池進(jìn)行充電，輸入功率因數(shù)接近于1，輸入電流諧波含量較低。

四開(kāi)關(guān)逆變器；電池充電器；電動(dòng)汽車

石油資源的日益緊張和空氣污染問(wèn)題的不斷惡化促進(jìn)了電動(dòng)汽車的研究［1-3］。電動(dòng)汽車的功率由電池提供，而電池通常通過(guò)交流電源進(jìn)行充電，因此電動(dòng)汽車都會(huì)配備一個(gè)車載充電器。車載充電器的重量和體積影響電動(dòng)汽車的整體效率、性能和成本。另外國(guó)家對(duì)電池充電時(shí)的輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波含量設(shè)立的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求接近單位功率因數(shù)和輸入電流諧波低，以提高交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此亟待需要一種輕巧、廉價(jià)的充電器，使其在較低成本情況下仍能達(dá)到較高的性能。

文獻(xiàn)［4］通過(guò)改變逆變器結(jié)構(gòu)，使交流電壓經(jīng)過(guò)整流后能夠直接加在逆變器一側(cè)，以達(dá)到重復(fù)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)用六開(kāi)關(guān)逆變器和電機(jī)繞組的目的。其將六開(kāi)關(guān)逆變器改造成一個(gè)boost升壓充電電路或buck降壓充電電路，并將電機(jī)繞組復(fù)用為充電電感，從而使充電器成本得到降低,但這些集成式充電器需要增加一些繼電器或開(kāi)關(guān)器件來(lái)改變逆變器結(jié)構(gòu)或電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)，從而一定程度上增加了成本，且控制較復(fù)雜；文獻(xiàn)［5-6］通過(guò)改變電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)，使三相或單相交流電壓能夠直接加在電機(jī)繞組上，將六開(kāi)關(guān)逆變器重復(fù)利用為一個(gè)整流器，而電機(jī)繞組則成為一個(gè)交流輸入電感，其將電機(jī)的每相繞組分成多段，并從中引出抽頭，增加一些繼電器后可能選擇性的改變電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)。但這些集成式充電器同樣需要增加一些繼電器，且電機(jī)結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)，一定程度上會(huì)影響電機(jī)本身的性能。

本文將一種新型四開(kāi)關(guān)逆變器［7,8］應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)控制中，并對(duì)四開(kāi)關(guān)逆變器稍作修改，通過(guò)交流電壓整流后施加在電機(jī)中性線處，將四開(kāi)關(guān)逆變器重復(fù)利用為一個(gè)電池充電器。由于新型四開(kāi)關(guān)逆變器較六開(kāi)關(guān)逆變器的成本更低，又被重復(fù)利用為電池充電器，從而使電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的成本大幅降低。電機(jī)繞組被重復(fù)利用為充電電感使得系統(tǒng)的體積和重量也大幅縮小。另外由于流過(guò)電機(jī)繞組的電流為單方向電流，不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而電機(jī)轉(zhuǎn)子可以保持靜止。本文深入分析了這種集成式充電器的運(yùn)行原理，并搭建了仿真模型對(duì)運(yùn)行理論進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明當(dāng)集成式充電器運(yùn)行于電力拖動(dòng)模式時(shí)，電機(jī)繞組上能產(chǎn)生三相正弦半波電流，減去零序電流后呈正弦波，使電機(jī)能夠正常旋轉(zhuǎn)。當(dāng)集成式充電器運(yùn)行于電池充電模式時(shí)，能夠?qū)斎腚娏鬟M(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)接近于1；且輸入電流諧波含量較低，符合IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。

1 集成式充電器拓?fù)?/h2>

基于新型四開(kāi)關(guān)逆變器的集成式電動(dòng)汽車充電器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。主電路拓?fù)渲饕?個(gè)新型四開(kāi)關(guān)逆變器、1個(gè)不控整流橋、1個(gè)引出中心線的電機(jī)和1個(gè)電池組。整個(gè)拓?fù)涔彩褂?個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和7個(gè)功率二極管，且將電機(jī)繞組復(fù)用為boost電感，系統(tǒng)的整體成本、體積和重量被大幅降低。除了主電路器件的重復(fù)利用，電流傳感器、驅(qū)動(dòng)及控制電路都可以被重復(fù)利用，這使得系統(tǒng)的成本進(jìn)一步降低。

圖1 集成式電動(dòng)汽車充電器主電路拓?fù)銯ig.1 The main circuit topology of the integrated battery charger for electric vehicles

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于電力拖動(dòng)模式時(shí)，單相電網(wǎng)電壓被斷開(kāi)，系統(tǒng)由電池組直接供電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)不控整流橋（D4～D7）在新型四開(kāi)關(guān)逆變器中等效為一個(gè)二極管，通過(guò)控制4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷可控制電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于電池充電模式時(shí)，單相電網(wǎng)電壓被連接，系統(tǒng)給電池組進(jìn)行充電，此時(shí)整流橋?qū)蜗嘟涣麟妷赫鞒梢粋€(gè)2倍電網(wǎng)頻率波動(dòng)的直流電壓。開(kāi)關(guān)S4恒關(guān)斷，主電路等效為3個(gè)升壓斬波電路并聯(lián)，且電機(jī)處于停滯狀態(tài)，三相繞組等效為3個(gè)boost電感。

2 集成式充電器運(yùn)行模式

集成式充電器主要有2種運(yùn)行模式：電力拖動(dòng)模式和電池充電模式。

2.1 電力拖動(dòng)模式

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于電力拖動(dòng)模式，單相電網(wǎng)不再連接系統(tǒng)，不控整流橋被等效為一個(gè)二極管。此時(shí)用新型四開(kāi)關(guān)逆變器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的控制方法可以與傳統(tǒng)六開(kāi)關(guān)逆變器一樣，如磁場(chǎng)導(dǎo)向控制等。主要的不同在于空間電壓矢量脈寬調(diào)制時(shí)各矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)不同，另外新型四開(kāi)關(guān)逆變器在調(diào)制時(shí)需要進(jìn)行零序電流的抑制［8］。

新型四開(kāi)關(guān)逆變器各開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的合成空間電壓矢量如表1所示，其中開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)以1表示，開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)以0表示。其中6個(gè)S4恒關(guān)斷的開(kāi)關(guān)狀態(tài)1000、1100、0100、0110、0010和1010輸出的電壓矢量與S1、S2、S3導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)繞組上是否有電流有關(guān)：若電流為0，則這一矢量為零矢量；若電流不為0，則對(duì)應(yīng)矢量分別與S4導(dǎo)通時(shí)相同。得到了新型四開(kāi)關(guān)逆變器的基本矢量和4個(gè)零矢量，就可利用空間矢量脈寬調(diào)制方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，使電機(jī)磁鏈軌跡更接近圓形，從而運(yùn)行更加平穩(wěn)。

表1 新型4開(kāi)關(guān)逆變器的電壓空間矢量Tab.1 Voltage space vectors of the novel four-switch inverter

由于6個(gè)基本矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)S4恒導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)狀態(tài)（0111、0011、1011、1001、1101、0101）只會(huì)在電機(jī)繞組上產(chǎn)生負(fù)的母線電壓，會(huì)引起零序電流過(guò)大問(wèn)題。零序電流雖然不會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)其流經(jīng)電機(jī)繞組時(shí)，會(huì)在繞組上產(chǎn)生較大的損耗，從而降低系統(tǒng)效率。另外零序電流過(guò)大時(shí)，三相電流可能會(huì)超過(guò)開(kāi)關(guān)管或電機(jī)的最大允許電流。為了減小零序電流，使電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需當(dāng)對(duì)應(yīng)相電流不為0時(shí)使用S4恒關(guān)斷的開(kāi)關(guān)狀態(tài)（0110、0010、1010、1000、1100、0100）來(lái)產(chǎn)生相同的電壓空間矢量，這些開(kāi)關(guān)狀態(tài)能在電機(jī)繞組上施加正的母線電壓，降低零序電壓的平均值。

2.2 電池充電模式

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于電池充電模式，單相電網(wǎng)連接系統(tǒng)經(jīng)不控整流橋后產(chǎn)生一個(gè)2倍電網(wǎng)頻率波動(dòng)的直流電壓。而開(kāi)關(guān)S4保持關(guān)斷狀態(tài)，開(kāi)關(guān)S1、S2和S3根據(jù)電池充電情況同時(shí)進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷，主電路等效為3個(gè)升壓斬波電路的并聯(lián)。由于S1、S2和S3同時(shí)導(dǎo)通，總充電電流將在3個(gè)開(kāi)關(guān)管上進(jìn)行分流。較僅有單個(gè)開(kāi)關(guān)管承受總電流的充電器，導(dǎo)通損耗被有效降低，從而提高了系統(tǒng)效率。

電池充電一般采用三段式充電方式［9,10］：恒流充電階段、恒壓充電階段和浮充充電階段，其中恒流充電和恒壓充電是電池充電的主要階段。為了控制輸入電流實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)接近于1和輸入電流低諧波含量，采用雙閉環(huán)控制方法，如圖2所示。

當(dāng)電池荷電狀態(tài)SOC（state of charge）低于83%時(shí)，采用恒流充電模式。給定充電電流Io*與實(shí)際充電電流的差值ΔIo，經(jīng)過(guò)一個(gè)PI控制器后再乘以|sin θ|得到輸入直流側(cè)電流的給定值ig*。ig*與輸入直流側(cè)電流實(shí)際值ig的差值經(jīng)過(guò)一個(gè)PI控制器后得到3個(gè)升壓斬波電路開(kāi)關(guān)的占空比D，由PWM發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)電池荷電狀態(tài)SOC高于83%時(shí)，采用恒壓充電模式。較恒流充電模式在控制上的不同之處在于輸入直流側(cè)電流的給定值ig*由給定電池電壓Uo*與實(shí)際電池電壓Uo的差值ΔUo，經(jīng)過(guò)一個(gè)PI控制器后再乘以|sin θ|得到。其中θ為由鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)電壓角度。通過(guò)乘以|sin θ|得到的輸入直流側(cè)電流給定值，能夠使輸入電流與電網(wǎng)電壓同相，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。另外當(dāng)外環(huán)跟蹤較好，外環(huán)PI輸出為一個(gè)較穩(wěn)定的值時(shí)，輸入直流側(cè)電流的給定值將是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦半波，若同時(shí)電流內(nèi)環(huán)跟蹤較好，則輸入電流將呈低諧波含量的正弦波。

圖2 電池充電模式時(shí)的控制框圖Fig.2 Control block diagram of battery charging mode

3 系統(tǒng)建模與仿真

3.1 系統(tǒng)仿真模型

為驗(yàn)證本文所提出的集成式充電器及其控制策略的有效性，在Simulink環(huán)境下建立對(duì)應(yīng)的仿真模型，如圖3所示。本文主要側(cè)重說(shuō)明此變流器拓?fù)涔ぷ饔谀孀儬顟B(tài)時(shí)的調(diào)制策略，而在永磁同步電機(jī)負(fù)載下，盡管通常還會(huì)存在電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，但是與簡(jiǎn)單的阻感負(fù)載相比，兩種負(fù)載下的變流器調(diào)制策略是完全一致的，故為突出重點(diǎn)，選擇使用阻感負(fù)載代替電機(jī)負(fù)載來(lái)進(jìn)行調(diào)制策略的解釋。取每相電阻和電感分別為8 Ω和3 mH。交流電源電壓為220 V，直流側(cè)電容為3 000 μF，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。電池參數(shù)如表2所示。

圖3 集成式充電器的仿真模型Fig.3 Simulation model of the integrated charger

表2 電池參數(shù)Tab.2 Battery parameters

3.2 電力拖動(dòng)模式下的仿真

設(shè)置電池處于充滿狀態(tài)（SOC為100%），將交流電源斷開(kāi)，由電池給新型四開(kāi)關(guān)逆變器供電用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)能夠帶動(dòng)電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，給定變頻變壓的參考電壓矢量模擬電機(jī)的變頻啟動(dòng)過(guò)程，并利用第2.1節(jié)的空間電壓矢量進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（space vector pulse width modulation），得到的濾波后的三相電壓波形、三相電流波形和三相電流減去零序電流后的波形如圖4～圖6所示。

圖4 電機(jī)三相電壓波形Fig.4 Three phases voltage waveforms of the motor

圖5 電機(jī)三相電流波形Fig.5 Three phases current waveforms of the motor

圖6 電機(jī)三相電流減去零序電流后的電流波形Fig.6 Three phases current waveforms of the motor minus the zero sequence current

由圖4可知，電機(jī)繞組上的電壓幅值和頻率均緩慢增加并最終穩(wěn)定，與設(shè)定的參考電壓一致。由圖5和圖6可知，雖然相電流為正弦半波，但實(shí)際作用在電機(jī)各相繞組上的電流為三相正弦電流，故能夠在電機(jī)定子上形成圓形磁鏈?zhǔn)闺姍C(jī)正常旋轉(zhuǎn)。

3.3 電池充電模式下的仿真

當(dāng)電池荷電狀態(tài)SOC低于83%時(shí)，采用恒流充電模式。設(shè)置電池的荷電狀態(tài)SOC為50%，恒流充電的給定充電電流為8 A。利用第2.2節(jié)的控制方法對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，由于電池的充電電流呈波動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于圖2中的Io需先進(jìn)行有效值求取后再與給定充電電流Io*相減求差值ΔIo。當(dāng)充電電流有效值穩(wěn)定在8 A時(shí)，電池荷電狀態(tài)SOC、電流和電壓波形如圖7所示。交流側(cè)輸入電流和電壓波形如圖8所示，其中輸入電流被放大了15倍。輸入電流的FFT分析結(jié)果及其與IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比如圖9所示。由圖7可知，系統(tǒng)運(yùn)行在充電模式時(shí)，能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電，充電過(guò)程中SOC和電池電壓緩慢上升。由圖8和圖9可知此時(shí)輸入電流與電網(wǎng)電壓同相位，輸入功率因數(shù)達(dá)到98%以上。輸入電流波形呈標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，諧波含量較低，符合IEC61000 -3-2標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 電池荷電狀態(tài)SOC、電流和電壓波形Fig.7 Waveforms of SOC,current and voltage of the battery

圖8 交流側(cè)輸入電流和電壓波形Fig.8 Waveforms of input current and voltage on AC side

圖9 交流側(cè)輸入電流FFT分析結(jié)果Fig.9 FFT analysis results of the input current on AC side

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于新型四開(kāi)關(guān)逆變器的集成式電動(dòng)汽車充電器，該充電器通過(guò)重復(fù)利用逆變器、電機(jī)繞組、傳感器以及控制和驅(qū)動(dòng)電路，大幅降低了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池充電系統(tǒng)的成本、重量和體積。本文對(duì)這種集成式充電器的運(yùn)行原理進(jìn)行了深入分析，提出了其運(yùn)行于電力拖動(dòng)模式和電池充電模式時(shí)所采用的調(diào)制和控制策略。最后在Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，仿真結(jié)果與理論分析相一致，為基于這種集成式充電器的進(jìn)一步研究奠定了理論基礎(chǔ)。由于時(shí)間和條件限制，暫無(wú)法提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正在規(guī)劃中。

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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

宣圣謝賢（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子及電力傳動(dòng)，E-mail：xuanshen_4401@qq.com。

宣圣謝賢

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.69

：TM 910

：A

2015-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51477101）

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

高強(qiáng)（1975-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：電機(jī)及其控制、風(fēng)力發(fā)電、電力電子，E-mail：gaoqiang@sjtu.edu. cn。