电器与能效管理技术（2019NO.6）
一种融合于驱动的电动汽车
车载充电器*
*汪元鑫（1995-），男，硕士研究生，研究方向为电力电子应用。 胡金高（1962-），男，副教授，研究方向为电力传动与电子应用等。
*基金项目：福建省自然科学基金（2017J01747）
—32 —
苏瑾，汪元鑫，胡全高
（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108）
摘要：基于车载充电器改善了电动汽车对充电桩的数量和分布范围的局限性，
提出了利用电动汽车的驱动电路和电机电感，实现电池的整个充电过程。前级单相
PWM 电压变换器将市电转换成平稳的直流电，减小了电网侧电流谐波，实现功率因数 校正；后级DC/DC 变换器对电池提供以电压预定值的恒定最大电流充电过程。采用前 后级两个双闭环和前馈控制更好地实现电网谐波补偿和负载电流补偿。仿真结果验 证了系统的可实现性和算法的有效性。
关键词：车载充电器；功率因数校正；前馈控制；恒流/恒压
中图分类号：TM910.6 文献标志码：A 文章编号：2095-8188（2019）06003245
DOI ： 10. 16628/jki. 2095-8188.2019.06.006
苏瑾（ 1994—）, 女，硕士研究生，研
究方向为控制理论 与控制工程。
An Integrated On-Board Charger Mixed with Driver
for Battery Electric Vehicle
SU Jin, WANG Yuanxin, HU Jingao
(College of Electrical Engineering and Automation , Fuzhou University ,Fuzhou 350108 ,China)
Abstract : On-board charger breaks through the limitations of electric vehicles on the number and distribution
of charging piles. This paper proposed a charging process of battery that utilizes the driving circuit of electric vehicle and the winding inductance of motor. The front-stage is a single-phase PWM voltage source converter ( VSC) ,an AC supply is converted into a smooth DC power so as to reduce the current harmonics of grid and achieve PFC. In the back-stage , the DC-DC converter provides a maximum current constant voltage charging process of a predetermined
value. Double-closed loop control of both front and back stages and feedforward control are adopted to better achieve
the harmonic compensation of the power grid and current compensation of the load. The simulation results prove the
validity of the proposed algorithm and the feasibility of the system.
Key words : on-board charger ； power factor correction ( PFC ) ； feedforward control ； constant
current/ c onstant-voltage
0引言
电动汽车能够有效缓解能源危机并降低大气 污染，为此国家设立了电动汽车重大专项研 究⑴。电动汽车充电技术的核心是电池发展和
充电技术的发展。对配置蓄电池的电动汽车来 说，现有的充电技术有车载充电和独立充电。车
载充电能够实现电动汽车的快速充电，避开电网
用电髙峰充电，削峰填谷，提高电网利用率，节约 资源。在2017年的统计中，客车和乘用车的数量
占新能源汽车数量的主要地位。
传统的充电方式将充电装置与驱动装置分离
开,2套变流系统不仅使得散热困难，而且增加了
电动汽车的重量和成本，占用了电动汽车的有限
•电动汽车与充电桩•电器与能效管理技术(2019NO.6)
空间3】。国内外学者提出了不同的电动汽车驱
动系统与蓄电池充电一体化混合拓扑结构，即使
用一个转换开关来实现多电机驱动充电结构⑷;
电机的3个电感并联作为Boost电路，降低谐波
失真的影响，三相电流平衡，消除电机转矩曲］;
文献［3,10］提出一种交错配置三相电机的3个
绕组和3个逆变桥臂，电动机的绕组电感使能量
双向传输，替代了充电器与车辆到电网所需要的
电感，但并未给出具体的实现电路；文献［11］中
使用单相AC/DC转换器和DC/DC转换器将
230V、50Hz交流电整流给电池充电，在放电模
式下反向输送相同幅频的交流电给电网。在充电
模式下，由于谐波率较高，容易影响电网的稳定
运行。
为了最大限度地满足用电车辆的充电需求,
本文提出了把电动汽车的驱动和充电融合成一体
化控制系统。在电动汽车的驱动电路基础上，重
构两级充电拓扑结构。当电动汽车在充电时刻,
将电动汽车电机驱动电路的两个桥臂作为前级
AC/DC变换器，实现功率因数校正，将电动汽车驱动电路的另外一个桥臂作为后级的DC/DC变换器，对电池充电过程进行控制。该设计使得电动汽车的各个部件能够得到充分利用，减少了电动汽车重量、降低了制造成本、保护了环境和有限资源。通过试验证明了系统能够很好地达到预期效果。
1系统原理
车载充电主电路如图1所示。其拓扑结构包括两级充电电路：前级是单相PWM整流电路，后级是直流Bu
ck电路。当继电器连通1时，厶~厶是电机绕组,S1~S6组成电机驱动电路。当继电器连通2时，厶、厶2和SI-S4构成单相PWM整流电路，S5、S6和厶与后续电路元件构成直流Buck电路。通过开关的切换可以实现电动汽车的正常行驶和停车充电功能，提高了元件利用率。
1.1AC/DC控制
前级AC/DC整流电路的等效控制框图如图2所示。G,(s)是电流环PI控制器的参数,K”是PWM整流器的放大倍数。执行器中的电流推
(b)AC-DC控制等效框图
图2前级AC-DC整流电路的等效控制框图
导如下：
必=晋U)
前级电路的电压关系推导如下：
〃。wm=U*+2U l=仄+2L普=
+2厶牛⑵在PWM整流器中，=aU.,a是放大系数。
调制系数P=~，其中4是调制波幅值,1：是
Ucm
双极性三角载波幅值，故占空比为D=
*(l+P)。
S1与S4的导通时间是t s=D7；=*(1+ P)G
di.△，+,_.
aU°_U.=2L==2L-———(3)
y(l+P)T,
故Ld+=y(l+p)(aU,-UJT,
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—
电器与能效管理技术(2019NO.6)
•电动汽车与充电桩•
S2与S3的导通时间是t s _d = (1 - D) 7； y(l ~P )T sO
di A/
叭讥=2忙
(4)
故厶&一 =#(p
整理以上公式，可得
LM = £Ai\ + £Ai_ = ypr s al/c - *I \U,
在单相系统中a = 1 ，故p = KA +K"。
苴中K = 厶-K =—貝屮''2T *U J 、U c
_L =
2K 、K 、、
U ： ~ Ls+ 2K 、K *、
第一级系统等效框图如图3所示。
(5)
(7)
图3第一级系统等效框图
1.2 DC/DC 控制
后级电路拓扑图如图4所示。当S1闭合时,
电压关系为
bU c - U b =
+ Ri b
(8)
式中：b ——PWM 开关的放大系数。
式(8)经过整理，可以得到电流几的关系为2变流控制
充电过程控制被分为两部分：第一部分是对
单相PWM 整流电路实现PFC 控制，采用前馈-串 级复合控制结构，对G 实现恒流恒压充电；第二 部分是对直流Buck 电路实现DC/DC 控制，采用 串级控制结构，使得输入电池的电流保持恒定。
2.1 PFC 控制
前级电路采用前馈-串级复合控制结构。前
级控制结构框图如图5所示。为了实现高功率因 数下恒流、恒压充电控制，电压环通过检测给定
与电容两端电压〃c，的差值，经过PI 调节后的 幅值与正弦基波相乘，作为电流环给定心。电流
环给定広与电网侧电流厶的差值，经过PI 控制 器调节后，与三角波比较，输出占空比，控制S1 ~
S4的开断，使得输入电流跟踪电压波形变化，从
而实现单位输入功率因数。
|电容电压
图5
由于后级电路投入使用会引起电网侧电流畸 变，所以在PI 控制的基础上加入一个电流前馈控
制，平衡第二级电路消耗的电流。不仅使得电流 环的给定只受电压环PI 控制器输出的影响，而且 提高了电路的功率因数。串级控制均采用PI 调
节，导致调节时间增长，容易引起系统不稳定。为 了提高系统的跟踪特性，又加入一个前馈控制，加
快了电流环的调节，抵消了电网电压与电容电压
前级控制结构框图
之间不平衡所产生的电流，使得电流环输出的幅 值变化仅跟随输入的误差变化。在系统运行前, 需要对电容C 进行预充电，确保电路的安全有效
运行。
2.2 DC/DC 控制
后级控制电路采用一个简单的串级控制结
构。后级控制结构框图如图6所示。在控制电路 中，电压环的误差经过PI 调节，输入电流环与电
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•电动汽车与充电桩•电器与能效管理技术(2019NO.6)
图6后级控制结构框图电容间电压差值减小，电流不断减小到零。通过图8(b)的畸变率分析，输入电流的畸变率为4.64%，输入电流很好地实现了正弦化，提高了系统的功率因数。
电容两端电压波形如图8所示。
池充电电流人比较，来控制半桥斩波电路的开断。电流环具有很强的抗干扰能力，使得充电电流平稳，减小电流大幅波动影响电池使用寿命。
3仿真与验证
使用MATLAB对上述系统进行仿真。电网输入电压幅值/=220住V，频率为50Hz，电感厶=厶2=厶3=1X10-3H，前级充电电容C=0.01 F，加入预充电电压为320V，后级充电电路中电池等效为0.1Q电阻和0.1F电容串联。假设电池有剩余电量，故加入一个200V电源。前级电压环控制参数=0.9、岛=200，电流环控制参数/^=2、&2=100。后级电压环控制参数K n= 10、心=100，电流环控制参数心=0.5、K l4=500。
3.1PFC控制电路仿真分析
网侧电流波形及傅里叶分析如图7所示。
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
02468101214161820
谐波次数
(b)傅里叶分析
图7网侧电流波形及傅里叶分析
由图7(a)可见，电流跟随电压变化，而且电流基本上是按照正弦规律变化。系统开始时，电网以10A电流给电容充电，电容电压上升，电网与
时间/s
图8电容两端电压波形
由图8可见，在0.5s前电压从320V稳步上升到500V，达到预定电压后，系统退出饱和，电流下降到零，保持电压稳定。在上升过程中，超调量小，不存在稳态误差，符合恒流恒压充电的要求。
3.2DC/DC控制电路仿真分析
在1s时刻，后级系统投入使用。由于负载发生变化，电容向后级系统放电，电网向电容输入功率。后级电路运行过程中电流、电压变化曲线如图9所示。由图9可见，加入后级系统使得电容电压在500V左右发生小幅度的波动，在电池充电完成后，电容电压立即保持恒定500V o由如图9(b)可见，由于电池电压升高，电流恒定不变10A，因为功率守恒原理，网侧电流幅值不断增大。
由图9(c)和图9(d)可见，在2.7s前，充电电压呈线性上升，电流稳定在5A，该阶段为恒流充电，恒流充电时电流很稳定;2.7s后，充电电压即将到达电池电压，系统开始退饱和，退饱和时间很短，到380V时充电结束。从分析可得，输出电压和电流符合预期的要求，很好地满足了先恒流，再恒压的要求。
充电汽车3.3电机转矩分析
电机在充电时刻，电机电感的电流矢量图如图10所示。厶和L2通过电网侧正弦交流电，厶通过整流滤波后的直流电。厶和厶2电流相反，当通过电流正半波时，厶的电流为i a,L2的电流为几'上3的电流固定不变为经过矢量合成电流为厂。同理可得，当通过电流负半波时，电流i不
—
35
—
电器与能效管理技术(2019NO.6)・电动汽车与充电桩・
(a)后级运行后电容电压变化
15r
10
<5
穆0
-5
-10
-15
1.0 1.5
2.0 2.5
3.0
10
煤4 -tf2
时间/s
(b)后级运行后网侧电流变化
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
时间/s
(c)电池的电流
A
、
出
曲
00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
时间/s
(d)电池两端电压
图9后级电路运行过程中电流、电压变化曲线
o
图10电机电感的电流矢量图
断在以上变换。
由于电机转矩匚与电流i成正比，故电机转矩7；在力'方向上不断脉动。电机转矩曲线如图11所示。在充电时刻，电机上的三相电感通过不平衡电流，在10个电网周期内脉动了5次，故脉动频率为25Hz0电机的平均转矩恒定为零，可得电动汽车在充电时刻不会自启动。电机转矩—36—
3.00 3.053」0 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45 3.50
时间/s
图11电机转矩曲线
频谱分析表如表1所示。由表1可见，电机转矩产生的谐波分量主要为2次谐波最高,4次谐波其次。
表1转矩人频谱分析
频率/Hz幅值频率/Hz幅值00750.23
25 4.601000.82
50 3.381250.26
4结语
本文提出了一种AC/DC转换器和DC/DC转换器实现了电网与电池之间的功率转换，并且经过MATLAB/Simulink仿真试验，验证了系统可行性，实现了恒流恒压充电。加入前馈控制后，系统能够更加有效地实现功率因数校正和降低系统谐波。电机转矩分析有利于增强电动汽车的稳定性。由于充电电
路利用了驱动电路的6个IGBT 和散热器，同时电感都采用电机线绕组电感，所以提高了各个部件的使用率，减少了汽车的重量，使得电动车的充电更加方便。
【参考文献)
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