本發(fā)明涉及電力電子變換，具體涉及一種電動(dòng)汽車雙向充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、近十年來，電動(dòng)汽車的滲透率快速增長，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電成為重要課題。目前，主流電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電技術(shù)包括換電與充電，但是換電技術(shù)受限于企業(yè)資源等因素，現(xiàn)階段難以普及。而固定充電則主要依靠ac-dc變換器將電網(wǎng)中的交流電能轉(zhuǎn)化為直流為電池充電。大量動(dòng)力電池充電器的入網(wǎng)會(huì)對現(xiàn)有電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，合理利用動(dòng)力電池特性，調(diào)控電池的充放電計(jì)劃，在適當(dāng)時(shí)間將電池部分電能回饋至電網(wǎng)，在當(dāng)前實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)的背景下，不僅可以起到削峰填谷的作用，降低電網(wǎng)調(diào)度成本，也可以使用戶獲得經(jīng)濟(jì)效益。為了實(shí)現(xiàn)電池充電以及電池能量的回饋，大功率雙向隔離型ac-dc變換器成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2、大功率雙向隔離型ac-dc變換器一般可以分為兩級，前級與網(wǎng)側(cè)連接，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流。為了使系統(tǒng)滿足電網(wǎng)諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般需要輸入電流正弦，即前級具有pfc功能。后級通常為具有隔離功能的dc-dc變換器，可以現(xiàn)寬范圍增益調(diào)節(jié)。

3、目前，前級常用的pfc電路為六開關(guān)兩電平電壓源整流器或者t型三電平整流器等，這類變換器的特點(diǎn)是其母線電壓恒定，輸入電流正弦且相位任意可控，但所有開關(guān)工作在高頻開關(guān)狀態(tài)下，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。后級常用的拓?fù)渫ǔＳ蓚鹘y(tǒng)的隔離型單向dc-dc變換器演變而來，變壓器兩側(cè)可以采用推挽、半橋、全橋等多種結(jié)構(gòu)。但是考慮大功率雙向變換結(jié)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，且從系統(tǒng)功率方面考慮，變壓器兩側(cè)電路所使用的功率器件數(shù)量基本與處理的功率成正比，因此可以選擇的雙向隔離型dc-dc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極為有限。

4、雙有源全橋(dab)變換器是其中最具代表性、應(yīng)用最多的大功率dc-dc，其主要控制為移相控制，工作原理為：兩個(gè)全橋采用固定頻率、占空比為0.5的信號除法，通過兩個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)信號的移相角來調(diào)整漏感電流分方向和大小，從而控制能量傳輸方向和幅值。但是dab在輸入輸出電壓不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大環(huán)流，隨著負(fù)載的減輕zvs的實(shí)現(xiàn)范圍變小，這些均會(huì)增加損耗。為了解決此問題，各種擴(kuò)展移相控制被提出，盡管可以解決上述問題，但是控制難度也隨之增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的問題是：提出一種電動(dòng)汽車雙向充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法，用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電以及能量回饋電網(wǎng)功能，同時(shí)具有更高的運(yùn)行效率，可以更好地處理電池充電以及發(fā)電等多種復(fù)雜工況。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種電動(dòng)汽車雙向充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括：

3、結(jié)構(gòu)s1：輸入lc濾波器，包括濾波電感l(wèi)f和三個(gè)濾波電容cf，所述濾波電感l(wèi)f一端與網(wǎng)側(cè)電源連接，另一端連接至三相橋式整流電路橋臂中點(diǎn)，三個(gè)濾波電容cf星形連接，輸入端分別與結(jié)構(gòu)s2輸入電壓選擇器的三個(gè)輸出端x、y、z連接；

4、結(jié)構(gòu)s2：輸入電壓選擇器，包括三相橋式整流電路和三個(gè)雙向開關(guān)，每個(gè)雙向開關(guān)由兩個(gè)全控器件反向串聯(lián)組成，三個(gè)雙向開關(guān)星形連接，三個(gè)輸入端分別與所述三相橋式整流電路的橋臂中點(diǎn)連接；

5、結(jié)構(gòu)s3：諧波電流注入電路，包括一個(gè)橋臂和一個(gè)電感，所述橋臂與三相橋式整流電路的母線并聯(lián)，所述電感一端與三相橋式整流電路的橋臂中點(diǎn)連接，另一端與三個(gè)雙向開關(guān)的星形連接中點(diǎn)相連；

6、結(jié)構(gòu)s4：交錯(cuò)并聯(lián)clllc諧振變換器，包括三個(gè)clllc子模塊，每個(gè)clllc子模塊包括一個(gè)全橋電路和諧振腔，所述諧振腔中含有一個(gè)雙繞組變壓器，雙繞組變壓器原副邊均通過一個(gè)諧振電感和一個(gè)諧振電容與所述全橋電路中兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)相連，三個(gè)clllc子模塊中的三個(gè)諧振腔原副邊均星形連接。

7、本發(fā)明技術(shù)方案還包括：一種電動(dòng)汽車雙向充電拓?fù)涞目刂品椒?，?yīng)用于上述電動(dòng)汽車雙向充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括如下步驟：

8、步驟1、對結(jié)構(gòu)s2所描述的輸入電壓選擇器進(jìn)行控制：采樣三相輸入電壓，控制三相橋式整流電路以同步整流模式工作在低頻開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)管按照二極管不控整流的邏輯進(jìn)行導(dǎo)通；

9、步驟2、對結(jié)構(gòu)s3所描述的諧波電流注入電路進(jìn)行控制，控制一個(gè)橋臂工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦；

10、步驟3、對結(jié)構(gòu)s4所描述的交錯(cuò)并聯(lián)clllc諧振變換器進(jìn)行控制，根據(jù)不同工況確定clllc諧振變換器的工作模式，獲得每個(gè)clllc子模塊的驅(qū)動(dòng)信號，將clllc諧振變換器作為雙向變換器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電以及電池能量回饋電網(wǎng)。

11、具體地，對于結(jié)構(gòu)s2所描述的輸入電壓選擇器，控制策略包括以下內(nèi)容：

12、采樣三相輸入電壓，在不考慮電網(wǎng)電壓諧波時(shí)，采樣的三相電壓為：

13、

14、其中，un表示輸入電壓幅值，θ表示輸入電壓相角。

15、輸入電壓選擇器的三相橋式整流電路，其開關(guān)管按照二極管不控整流的邏輯導(dǎo)通，即可以認(rèn)為三相橋式整流電路工作在同步整流模式下。此時(shí)整流電路的母線獲得了三相電壓的最大值和最小值。對于電壓處于中間的一相，其對應(yīng)的雙向開關(guān)導(dǎo)通，其余的雙向開關(guān)關(guān)閉。

16、根據(jù)上述原則，輸入電壓選擇器的輸出電壓為

17、

18、雙向開關(guān)的導(dǎo)通邏輯為：

19、sb、sa、sc、sb、sa、sc……

20、具體地，對于結(jié)構(gòu)s3所描述的諧波電流注入電路，其控制策略包括以下內(nèi)容：

21、步驟3.1、獲取clllc諧振變換器的輸出功率p：這里將功率從網(wǎng)側(cè)流動(dòng)至動(dòng)力電池側(cè)定義為正值，將動(dòng)力電池側(cè)流動(dòng)至網(wǎng)側(cè)定義為負(fù)值。該功率可以由以下方法獲得：

22、方法1：通過電池側(cè)的電流傳感器與電壓傳感器獲得；

23、方法2：若clllc諧振變換器工作在恒定功率模式下，直接將功率指令值認(rèn)為是系統(tǒng)的實(shí)際功率。

24、步驟3.2、根據(jù)獲得的系統(tǒng)功率與輸入電壓獲得諧波注入電流的給定值iyref，給定電流的獲取與三相電壓瞬時(shí)值中間相所對應(yīng)的相位有關(guān)，其具體獲得電流給定iyref的表達(dá)式為：

25、

26、式中，un與相角θ通過采樣得到的三相電壓通過坐標(biāo)變換得到：

27、

28、步驟3.3、將獲取的iyref作為諧波注入電流的參考值，將實(shí)際電流iy作為反饋值，與參考值做差，并通過控制器gy(s)得到諧波注入電感l(wèi)y的附加電壓ul：

29、

30、式中，kpy、kiy分別表示諧波注入電流pi調(diào)節(jié)器的比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù)，s為拉普拉斯算子。

31、步驟3.4、將諧波注入電感附加電壓ul疊加上輸入電壓選擇器的輸出電壓uyz(定義為輸出結(jié)點(diǎn)y與輸出結(jié)點(diǎn)z的電壓之差)，并通過母線電壓uxz的倒數(shù)得到諧波電流注入電路的占空比dyp：

32、

33、步驟3.5、將獲取的占空比與載波交截比較后得到諧波電流注入的pwm驅(qū)動(dòng)信號。

34、具體地，對于結(jié)構(gòu)s4所描述的clllc諧振變換器，其控制策略包括以下內(nèi)容：

35、步驟4.1、根據(jù)不同工況確定clllc諧振電路的工作模式，主要可以分為以下幾個(gè)模式，不同模式下最終均需獲得clllc的等效增益meq。

36、模式1、充電狀態(tài)下的恒定電流模式：在動(dòng)力電池充電的起始階段(電池剩余電量較少)，需使變換器工作在恒定電流模式下。此時(shí)需根據(jù)動(dòng)力電池特性，給出充電電流給定值ioref。將獲取的ioref作為充電電流的參考值，將實(shí)際充電電流io作為反饋值，與獲取的參考值做差，并通過比例積分控制器得到clllc諧振變換器的等效增益meq：

37、

38、式中，kip、kii分別表示輸出電流pi調(diào)節(jié)器的比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù)。

39、模式2、充電狀態(tài)下的恒定電壓模式：在動(dòng)力電池充電的終了階段(電池剩余電量較多)。需使變換器工作在恒定電壓模式下。此時(shí)按照動(dòng)力電池的特性，給出充電電壓給定值uoref。將獲取的uoref作為充電電壓的參考值，將實(shí)際充電電壓uo作為反饋值，與獲取的參考值做差，并通過比例積分控制器得到clllc諧振變換器的等效增益meq：

40、

41、式中，kup、kui分別表示輸出電壓pi調(diào)節(jié)器的比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù)。

42、模式3：能量反轉(zhuǎn)狀態(tài)下的恒定功率模式。在能量反轉(zhuǎn)狀態(tài)下，需根據(jù)網(wǎng)側(cè)獲得注入電網(wǎng)的功率pref，將獲取的pref作為充電電流的參考值，將實(shí)際發(fā)電功率po作為反饋值，與獲取的參考值做差，并通過比例積分控制器得到clllc諧振變換器的等效增益meq：

43、

44、式中，kpp、kpi分別表示功率傳輸pi調(diào)節(jié)器的比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù)。

45、根據(jù)不同模式下獲得的等效增益meq，按找下式獲得實(shí)際增益m：

46、

47、其中，θ1為輸入電壓相角θ對π/3取余后的值，獲得實(shí)際增益m之后，通過clllc諧振變換器的增益-開關(guān)頻率曲線，查表得到當(dāng)前時(shí)刻諧振變換器的開關(guān)頻率。

48、步驟4.2、根據(jù)不同工況以及諧振變換器的開關(guān)頻率，獲得諧振變換器每個(gè)子模塊的驅(qū)動(dòng)信號，具體分為以下流程。

49、控制邏輯1、軟起動(dòng)控制：采用移相方法實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。在啟動(dòng)時(shí)，占空比dr為0，之后逐漸增加，至輸出電壓uo上升至給定電壓uoref。占空比隨時(shí)間變化的曲線按照下式給定：

50、

51、其中，w表示軟起動(dòng)系數(shù)，在(0,1)區(qū)間范圍內(nèi)設(shè)定；kt為常數(shù)，控制了啟動(dòng)速率，若kt增加，則可以加快啟動(dòng)速率。

52、控制邏輯2、能量反轉(zhuǎn)控制：進(jìn)入能量反轉(zhuǎn)控制階段時(shí)，逐漸降低clllc諧振變換器的輸入功率并轉(zhuǎn)為負(fù)值，能量由動(dòng)力電池側(cè)傳輸至網(wǎng)側(cè)。此階段需維持變換器電壓平穩(wěn)，采用bang-bang控制，通過控制網(wǎng)側(cè)諧振電容電壓進(jìn)行控制。

53、當(dāng)諧振電容電壓下降至下限閾值時(shí)，使電源為諧振電容充電，導(dǎo)通對應(yīng)的上開關(guān)管。當(dāng)諧振電容電壓上升至上限閾值時(shí)，導(dǎo)通對應(yīng)的下開關(guān)管。

54、控制邏輯3、交錯(cuò)并聯(lián)控制：對于三個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊的載波互差120°，且子模塊的載波頻率為步驟1得到的clllc諧振變換器的開關(guān)頻率。載波與占空比比較后得到每個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)信號。

55、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

56、1、本發(fā)明提供的電動(dòng)汽車雙向充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其前級在實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦的同時(shí)幾乎不產(chǎn)生開關(guān)損耗，電路后級采用clllc諧振變換器可以更好的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電以及能量回饋電網(wǎng)功能，且工作在軟開關(guān)狀態(tài)下，具有更高的效率。

57、2、本發(fā)明提供的電動(dòng)汽車雙向充電拓?fù)淇刂品椒?，可以靈活的調(diào)控動(dòng)力電池充電的充電電壓與充電電流，在需要能量回饋至電網(wǎng)時(shí)，可以在充電運(yùn)行于發(fā)電運(yùn)行之間平滑快速切換。