一种电动汽车双电池交直流集成充电电路及其控制策略

本发明涉及电力电子与电力传动，特别是涉及一种电动汽车双电池交直流集成充电电路及其控制策略。

背景技术：

1、目前电动汽车常见的充电方案有三种：独立充电桩充电、便携充电枪充电、车载集成充电器充电，与前两种方法相比，车载集成充电在保留较大充电功率的同时，降低了电动汽车的充电成本，提高了充电的方便性。其中，基于高压动力电池的上述充电方案均是以直流充电和单相交流充电为主要充电方式。但目前车载集成充电器在直流充电时，存在着充电电源与高压动力电池电压适配的问题，单相交流充电时，存在着固有的二次脉动功率问题会导致电池寿命下降。针对多高压动力电池供电的电动汽车系统，由于电池充放电特性难以保证完全一致，必然会存在不平衡充电功率的需求，如何在实现不平衡充电功率的同时实现转矩脉动的抑制是亟须解决的问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种电动汽车双电池交直流集成充电电路及其控制策略，确保在单个充电电源的场景下通过所提充电电路及控制策略能够适应双电池供电系统不平衡充电功率的需求，同时能够抑制充电时带来的转矩脉动问题并通过有源滤波电路有效解决单相充电二次脉动功率问题。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明所述的一种电动汽车双电池交直流集成充电电路，工作于基于单相交流电网的交流充电模式和基于直流源的直流充电模式，所述电路包括具有n相绕组的开绕组永磁同步电机、双n相逆变器、双高压动力电池、滤波电容cf；其中，开绕组永磁同步电机的每相绕组两端分别与双n相逆变器对应相的桥臂中点相连，双高压动力电池的正极与双n相逆变器的正极连接，双高压动力电池的负极与双n相逆变器的负极连接；交流充电模式下，单相交流电网的两端分别与开绕组永磁同步电机其中两相开绕组的中心抽头相连，滤波电容cf的正极与不同于单相交流电网连接的绕组相中心抽头相连，负极与双高压动力电池的负极相连；直流充电模式下，直流源和滤波电容cf的正极均与开绕组永磁同步电机其中一相开绕组中心抽头相连，负极均与双高压动力电池的负极相连。

3、其中，当运行于驱动模式时，单相交流电网、直流源、滤波电容cf与充电电路断开，双高压动力电池输出的直流电通过双n相逆变器逆变为n相交流电驱动开绕组永磁同步电机。

4、其中，所述双n相逆变器和n相绕组在直流充电模式下重构为boost变换器和并联双向buck/boost变换器，交流充电模式下重构为带有源滤波的单相pwm整流器和buck型有源滤波电路。

5、其中，在直流充电模式下，所述直流源正极所连接的对应相绕组以及该相绕组两端连接的对应相逆变器所包含的mosfet开关管重构为boost变换器；充电电路中剩余相绕组以及剩余相绕组两端连接的对应相逆变器所包含的mosfet开关管重构为并联双向buck/boost变换器。

6、其中，在交流充电模式下，所述单相交流电网两端所连接的对应相绕组以及该相绕组两端连接的对应相逆变器所包含的mosfet开关管重构为单相pwm整流器，充电电路中剩余相绕组以及剩余相绕组两端连接的对应相逆变器所包含的mosfet开关管重构为buck型有源滤波电路。

7、其中，所述滤波电容cf在直流充电模式下作为boost变换器的输入滤波电容，在交流充电模式下作为buck型有源滤波电路的有源滤波电容。

8、其中，所述开绕组永磁同步电机具有abc三相绕组，每相绕组引出中心抽头，分别为a1与a2、b1与b2、c1与c2共六段绕组，所述逆变器为双三相逆变器，每相包含4个开关管，a相绕组两端连接的mosfet开关管包括q1、q2、q7、q8，b相绕组两端连接的mosfet开关管包括q3、q4、q9、q10，c相绕组两端连接的mosfet开关管包括q5、q6、q11、q12；交流充电模式时，单相交流电网的两端通过双联动开关k1分别与ab两相绕组的中心抽头相连；直流充电模式时，直流源通过双联动开关k3，使得其正极与c相绕组中心抽头相连，负极与双高压动力电池的负极相连；交流或直流充电模式时，滤波电容cf通过三联动开关k2，使得其正极与c相绕组中心抽头相连，负极与双高压动力电池的负极相连。

9、其中，所述直流充电模式下，mosfet开关管q5、q6、q11、q12以及绕组c1、c2重构为boost变换器；mosfet开关管q1、q2、q3、q4和q7、q8、q9、q10以及绕组a1、a2、b1、b2重构为并联双向buck/boost变换器；

10、所述交流充电模式下，mosfet开关管q1、q2、q3、q4和q7、q8、q9、q10以及绕组a1、a2、b1、b2重构为单相pwm整流器，mosfet开关管q5、q6、q11、q12以及绕组c1、c2重构为buck型有源滤波电路。

11、一种如上所述的电动汽车双电池交直流集成充电电路的控制策略，所述双n相逆变器和n相绕组在直流充电模式下重构为boost变换器和并联双向buck/boost变换器，交流充电模式下重构为带有源滤波的单相pwm整流器和buck型有源滤波电路；

12、在直流充电模式下，通过控制并联双向buck/boost变换器对动力电池i与动力电池ii充电功率不一致时复用绕组c1、c2产生的转矩脉动进行抑制，通过控制boost变换器给动力电池i与动力电池ii充电；

13、交流充电模式下，通过控制单相pwm整流器给动力电池i与动力电池ii充电，通过控制buck型有源滤波电路滤除两个高压动力电池在交流充电过程中电压中的二次脉动，结合转矩脉动抑制策略模块，对动力电池i与动力电池ii充电功率不一致时的转矩脉动的抑制，所述绕组c1、c2为直流源正极所连接的对应相绕组。

14、其中，所述控制策略包括以下步骤：

15、(1)采集单相交流电网电压瞬时值ug、动力电池i实际电压uhv1、动力电池ii实际电压uhv2、动力电池i电流ihv1、动力电池ii电流ihv2、分段绕组上流过的实际电流ia1、ia2、ib1、ib2、ic1、ic2、滤波电容cf电压ucf、滤波电容电流icf；其中，ia1、ia2、ib1、ib2为单相交流电网两端所连接的绕组相对应的分段绕组上电流；ic1、ic2为为直流源正极所连接的绕组相对应的分段绕组上电流；

16、(2)通过锁相环跟踪并锁定电网电压瞬时值ug的相位，从而得到单相交流电网的相位角θg，将两个高压动力电池的给定电压udc的两倍与实际值电压uhv2、uhv1做差之后，经过低通滤波器滤除二次脉动分量，再经过pi调节器后得到将与相位角经过正弦运算的数值相乘得到单相交流电网电流给定值

17、(3)将两个高压动力电池的给定电压udc与动力电池i的实际电压uhv1做差之后经过pr调节器得到滤波电容cf的交流分量电流给定值，将udc给定值的一半与滤波电容电压做差经过低通滤波器之后输入pi调节器得到滤波电容cf的直流分量电流给定值，再将滤波电容的交流分量给定值与直流分量给定值做差得到滤波电容电流给定的负值

18、(4)将两个动力电池电压实际值uhv2、uhv1做差后，经过低通滤波器滤除二次脉动分量，再经过pi调节器得到功率分配电流给定

19、(5)在交流充电模式下，通过兼顾功率分配的转矩脉动抑制策略模块分别得到a1、a2、b1、b2、c1、c2各分段绕组的电流给定值再将各分段绕组的电流给定值与各分段绕组实际电流做差后经过占空比计算模块得到单相pwm整流器、buck型有源滤波电路中mosfet开关管的驱动信号；

20、(6)在直流充电模式下，通过转矩脉动抑制策略模块分别得到a1、a2、b1、b2、c1、c2各分段绕组的电流给定值再将各分段绕组的电流给定值与各分段绕组实际电流做差后经过占空比计算模块得到boost变换器、并联双向buck/boost变换器中mosfet开关管的驱动信号；

21、其中，交流充电模式下转矩脉动抑制策略模块的计算公式为：

22、

23、其中，直流充电模式下转矩脉动抑制策略模块的计算公式为：

24、

25、有益效果：本发明具有如下优点：相较于现有技术，当电动汽车从驱动运行模式切换至充电运行模式时，本发明所述充电电路通过滤波电容、开绕组永磁同步电机和逆变器重构，在单个充电设备场景下，满足单相交流与直流两种充电模式下双电池充电系统不平衡充电功率的需求，同时结合不同充电模式下的控制策略，本发明能够有效抑制电机绕组复用带来的电磁转矩，进一步降低了汽车充电时的振动与噪声，通过重构的有源滤波电路还能解决单相充电固有的二次功率脉动的问题。