CN107310409B - 一种电动汽车双向充电器的切换及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车双向充电器的切换及控制方法，通过引入一个模式切换开关，在不同的工作模式(充电模式和放电模式)下，切换模式开关的状态来改变主电路的拓扑结构以及控制策略，其特点是充电模式选择较高的母线电压参考值，放电模式选择较低的母线电压参考值，可以满足串联谐振电路电压宽范围变化且功率双向流动的要求，从而实现功率在电网和电动汽车电池之间的双向流动，具有高功率密度以及高传输效率的特点。

Description

一种电动汽车双向充电器的切换及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车双向充电器的切换及控制方法，能够实现功率在电网及电动汽车电池之间的双向流动。
背景技术
随着全球能源紧缺问题的日益严重以及环境污染的日益加剧，节能减排已经成为未来电动汽车行业的主要方向。电动汽车作为移动储能设备，将在未来的电网中起着举足轻重的作用。电动汽车可以向电网传递有功和无功功率，用以实现调峰、改善电力负荷曲线、支撑电网以及提高电网系统稳定性的作用。因此，为实现V2G(Vehicle to Grid)的功能，即电动汽车与智能电网之间进行能量与信息双向传递的技术，就要求电动汽车的车载充电器可以实现功率的双向流动控制。
典型的电池双向充电器拓扑由两级构成，前级为双向AC/DC电路用来连接电网和直流母线；后级的双向直流变换器能够实现功率在电池与直流母线之间的双向流动，同时能够实现电网与电动汽车之间的电气隔离。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电动汽车双向充电器的切换及控制方法。
本发明所应用的电动汽车双向充电器其主电路包括变拓扑结构的双向AC/DC电路和双向串联谐振电路，变拓扑结构的双向AC/DC电路输入连接到电网接口，输出连接双向串联谐振电路的输入端，双向串联谐振电路的输出端接电动汽车的电池；变拓扑结构的双向AC/DC电路包括功率管Sa1、功率管Sa2、功率管Sa3、功率管Sa4，功率管Sa5、功率管Sa6，网侧电感L1，直流母线电容Cin1、Cin2以及模式切换开关Sm；功率管Sa1、Sa2的集电极连接到母线电容Cin1的正极性端，功率管Sa3、Sa4的发射极连接到母线电容Cin2的负极性端，功率管Sa5、Sa6反向串联连接于功率管Sa1所在桥臂的中点与母线电容Cin1、Cin2中点之间；模式切换开关Sm连接于功率管Sa2所在桥臂的中点与母线电容Cin1、Cin2中点之间；双向串联谐振电路包括隔离变压器T，原边全桥功率管Sb1～Sb4，副边全桥功率管Sb5～Sb8谐振电感Lr，谐振电容Cr以及输出电容Co。
电动车双向充电器充放电模式之间的切换方法为：
通过引入模式切换开关Sm，在不同的工作模式(充电模式和放电模式)下，切换模式开关Sm的状态来改变电动汽车双向充电器主电路的拓扑结构。
当电动汽车双向充电器工作于充电模式时，模式切换开关Sm闭合，前级双向AC/DC的功率管Sa1～Sa4的门极驱动封锁，此时功率管Sa2和Sa3的反并二极管分别被母线电容Cin1和Cin2钳位，前级的双向AC/DC等效为单相维也纳整流器拓扑，后级双向串联谐振电路的功率管Sb5～Sb8门极驱动封锁，副边全桥等效为二极管不控整流电路。
当电动汽车双向充电器工作于放电模式时，模式切换开关Sm关断，前级双向AC/DC的功率管Sb5、Sb6门极驱动封锁，前级的双向AC/DC等效为全桥逆变电路，后级双向串联谐振电路的功率管Sb1～Sb4门极驱动封锁，原边全桥等效为二极管不控整流电路。
电动汽车双向充电器充放电模式下，母线电压参考值的选择：
由于串联谐振电路本质上只能工作于降压模式，因此为使得本装置能够具有功率双向流动功能，充电模式时，设置较高的母线电压参考值Vbus1 *，满足在电池电压宽范围变化条件下,功率能够从电网流向电动汽车电池；放电模式时，设置较低的母线电压参考值Vbus2 *，满足在电池电压宽范围变化条件下，功率能够从电动汽车电池流向电网；所以关键就是设计充放电模式下合适的母线电压参考值，假设电动汽车电池电压变化范围为Vomin～Vomax以及隔离变压器T变比为n。
当工作于充电模式时，母线电压Vbus1 *需要满足：
Vbus1 *≥nVomax；
当工作于放电模式时，母线电压Vbus2 *需要满足：
Vbus2 *≤nVomin。
电动汽车双向充电器控制电路包括锁相环、余弦运算模块、前级电压外环相加器、前级电压外环控制器、前级电压外环乘法器、前级电流内环相加器、前级电流内环控制器、SPWM1调制模块、SPWM2调制模块、后级电压外环相加器、后级电压外环控制器、后级电流环除法器、后级电流内环相加器、后级电流内环控制器、后级调频模块、模式切换联动开关1、模式切换联动开关2、模式切换联动开关3以及模式切换联动开关4；锁相环的输入信号是交流电网电压Vgrid，锁相环的输出端连接到余弦运算模块，前级电压外环的参考值Vbus1 *或者Vbus2 *依次连接到模式切换联动开关1的两个输入端，前级电压外环相加器的正、负输入端分别接模式切换联动开关1的输出端和母线电压Vbus，前级电压外环相加器的输出端接前级电压外环控制器的输入端，前级电压外环控制器的输出端与余弦运算模块的输出端依次连接到前级电压外环乘法器的两个输入端，前级电压外环乘法器的输出连接前级电流内环相加器的正输入端，网侧电流iL连接前级电流内环相加器的负输入端，前级电流内环相加器的输出端连接前级电流内环控制器的输入端，前级电流内环控制器的输出端接模式切换联动开关2的输入端，模式切换联动开关2的两个输出端分别连接SPWM1调制模块的输入端和SPWM2调制模块的输入端，其中SPWM1调制模块的输出为功率管门极驱动脉冲信号，分别为Vga1、Vga2、Vga3和Vga4，分别用来驱动功率管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4，并封锁功率管Sa5和Sa6门极驱动，SPWM2调制模块的输出为功率管门极驱动脉冲信号，分别为Vga5和Vga6，分别用来驱动功率管Sa5和Sa6，并封锁功率管Sa1～Sa4门极驱动；后级电压外环相加器的正、负输入端分别接后级电压外环参考值Vbat *和电动汽车电池电压Vbat，后级电压外环相加器的输出端接后级电压外环控制器的输入端，后级电流环除法器的两个输入端分别接功率参考值Pbat *和电动汽车电池电压Vbat，后级电流环除法器的输出端和后级电压外环控制器的输出端依次连接到模式切换联动开关3的两个输入端，模式切换联动开关3的输出端接后级电流内环相加器的正输入端，电动汽车电池电流ibat接后级电流内环相加器的负输入端，电流内环相加器的输出端接后级电流内环控制器的输入端，后级电流内环控制器的输出端连接后级调频模块的输入端，后级调频模块的输出端连接模式切换联动开关4的输入端，模式切换联动开关4的两个输出端作为功率管Sb1～Sb4的门极驱动脉冲的信号和功率管Sb5～Sb8的门极驱动脉冲的信号。
当电动汽车双向充电器工作于充电模式时，前级母线电压参考值Vbus1 *经过模式切换联动开关1与母线电压值Vbus作差后所得的误差信号，经前级电压外环控制器产生前级电流内环参考值的幅值信号IL，该幅值信号与余弦运算模块的输出信号相乘得到前级电流内环的参考值iL *，前级电流内环的参考值iL *经前级电流内环控制器后的输出信号，经过模式切换联动开关2连接到SPWM2调制模块，SPWM2调制模块的输出作为功率管Sa5和Sa6的门极驱动脉冲信号，后级电动汽车电池电压参考值Vbat *(该值可根据实际的电池充电恒压值来选取)与电动汽车电池电压值Vbat作差后所得的误差信号，经后级电压外环控制器产生前级电流内环参考值ibat_F *，该信号经过模式切换联动开关3后与电动汽车电池电流ibat作差后所得的误差信号连接到后级电流内环控制器，后级电流内环控制器的输出经过后级调频模块再经模式切换联动开关4得到功率管Sb1～Sb4的门极驱动脉冲的信号。
当电动汽车双向充电器工作于放电模式时，前级母线电压参考值Vbus2 *经过模式切换联动开关1与母线电压值Vbus作差后所得的误差信号，经前级电压外环控制器产生前级电流内环参考值的幅值信号IL，该幅值信号与余弦运算模块的输出信号相乘得到前级电流内环的参考值iL *，前级电流内环的参考值iL *经前级电流内环控制器后得到的载波信号，经过模式切换联动开关2连接到SPWM1调制模块，SPWM1调制模块的输出作为功率管Sa1～Sa4的门极驱动脉冲信号，后级电动汽车电池放电功率参考值Pbat *(该值可根据实际所需的放电功率来选取)与电动汽车电池电压值Vbat相除后产生前级电流内环参考值ibat_R *，该信号经过模式切换联动开关3后与电动汽车电池电流ibat作差后所得的误差信号连接到后级电流内环控制器，后级电流内环控制器的输出经过后级调频模块再经模式切换联动开关4得到功率管Sb5～Sb8的门极驱动脉冲的信号。
本发明的有益效果在于：
本发明通过引入一个模式切换开关，在不同的工作模式(充电模式和放电模式)下，切换模式开关的状态来改变主电路的拓扑结构以及控制策略，在充电模式下选择较高的母线电压参考值，放电模式下选择较低的母线电压参考值，可以满足串联谐振电路电压宽范围变化且功率双向流动的要求，从而实现功率在电网和电动汽车电池之间的双向流动，具有高功率密度以及高传输效率的特点。
附图说明
图1为电动汽车双向充电器主电路及模式切换控制电路结构示意图；
图2为电动汽车双向充电器充电模式结构示意图；
图3为电动汽车双向充电器放电模式结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明；
参照图1，用于实现本发明方法的装置，包括电动汽车双向充电器主电路1和模式切换控制电路2。
其中，电动汽车双向充电器主电路1包括变拓扑结构的双向AC/DC电路102和双向串联谐振电路103，变拓扑结构的双向AC/DC电路102输入连接到电网接口101，输出连接双向串联谐振电路103的输入端，双向串联谐振电路103的输出端接电动汽车的电池104；变拓扑结构的双向AC/DC电路102包括功率管Sa1、功率管Sa2、功率管Sa3、功率管Sa4，功率管Sa5、功率管Sa6，网侧电感L1，直流母线电容Cin1、Cin2以及模式切换开关Sm；功率管Sa1、Sa2的集电极连接到母线电容Cin1的正极性端，功率管Sa3、Sa4的发射极连接到母线电容Cin2的负极性端，功率管Sa5、Sa6反向串联连接于功率管Sa1所在桥臂的中点与母线电容Cin1、Cin2中点之间；模式切换开关Sm105连接于功率管Sa2所在桥臂的中点与母线电容Cin1、Cin2中点之间；双向串联谐振电路103包括隔离变压器T，原边全桥功率管Sb1～Sb4，副边全桥功率管Sb5～Sb8谐振电感Lr，谐振电容Cr以及输出电容C。
模式切换控制电路2包括锁相环201、余弦运算模块202、前级电压外环相加器203、前级电压外环控制器204、前级电压外环乘法器205、前级电流内环相加器206、前级电流内环控制器207、SPWM1调制模块208、SPWM2调制模块209、后级电压外环相加器210、后级电压外环控制器211、后级电流环除法器212、后级电流内环相加器213、后级电流内环控制器214、后级调频模块215、模式切换联动开关1 216、模式切换联动开关2 217、模式切换联动开关3 218以及模式切换联动开关4 219；锁相环201的输入信号是交流电网电压Vgrid，锁相环201的输出端连接到余弦运算模块202，前级电压外环的参考值Vbus1 *或者Vbus2 *依次连接到模式切换联动开关1 216的两个输入端，前级电压外环相加器203的正、负输入端分别接模式切换联动开关1 216的输出端和母线电压Vbus，前级电压外环相加器203的输出端接前级电压外环控制器204的输入端，前级电压外环控制器204的输出端与余弦运算模块202的输出端依次连接到前级电压外环乘法器205的两个输入端，前级电压外环乘法器205的输出连接前级电流内环相加器206的正输入端，网侧电流iL连接前级电流内环相加器206的负输入端，前级电流内环相加器206的输出端连接前级电流内环控制器207的输入端，前级电流内环控制器207的输出端接模式切换联动开关2 217的输入端，模式切换联动开关2 217的两个输出端分别连接SPWM1调制模块208的输入端和SPWM2调制模块209的输入端，其中SPWM1调制模块208的输出为功率管驱动脉冲信号，分别为Vga1、Vga2、Vga3和Vga4，分别用来驱动功率管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4，并封锁Sa5和Sa6功率管驱动，SPWM2调制模块209的输出为功率管驱动脉冲信号，分别为Vga5和Vga6，分别用来驱动功率管Sa5和Sa6，并封锁Sa1～Sa4功率管驱动；后级电压外环相加器210的正、负输入端分别接后级电压外环参考值Vbat *和电动汽车电池电压Vbat，后级电压外环相加器210的输出端接后级电压外环控制器211的输入端，后级电流环除法器212的两个输入端分别接功率参考值P*和电动汽车电池电压Vbat，后级电流环除法器212的输出端和后级电压外环控制器211的输出端依次连接到模式切换联动开关3 218的两个输入端，模式切换联动开关3 218的输出端接后级电流内环相加器213的正输入端，电动汽车电池电流ibat接后级电流内环相加器213的负输入端，电流内环相加器213的输出端接后级电流内环控制器214的输入端，后级电流内环控制器214的输出端连接后级调频模块215的输入端，后级调频模块215的输出端连接模式切换联动开关4 219的输入端，模式切换联动开关4 219的两个输出端作为功率管Sb1～Sb4的驱动脉冲的信号和功率管Sb5～Sb8的驱动脉冲的信号。
如图1所示的电动车双向充电器装置，通过引入模式切换开关Sm105，在不同的工作模式充电模式和放电模式下，切换模式开关Sm105的状态来改变电动汽车双向充电器主电路1的拓扑结构，其充放电模式之间的切换方法为：
如图2所示，当电动汽车双向充电器工作于充电模式时，模式切换开关Sm105闭合，前级双向AC/DC 102的功率管Sa1～Sa4的门极驱动封锁，此时功率管Sa2和Sa3的反并二极管分别被母线电容Cin1和Cin2钳位，前级的双向AC/DC 102等效为单相维也纳整流器拓扑，调制方式为SPWM调制，用来将电网电压整流成直流电压Vbus1，具有较高的传输效率；后级双向串联谐振电路103的功率管Sb5～Sb8门极驱动封锁，副边全桥等效为二极管不控整流电路，后级的串联谐振电路103通过调频控制，实现电动汽车电池104的恒流/恒压充电。
如图3所示，电动汽车双向充电器工作于放电模式时，模式切换开关Sm105关断，前级双向AC/DC102的功率管Sb5、Sb6门极驱动封锁，前级的双向AC/DC102等效为全桥逆变电路，采用倍频SPWM调制方式，用来将直流母线电压Vbus2逆变并入电网；后级双向串联谐振电路103的功率管Sb1～Sb4门极驱动封锁，原边全桥等效为二极管不控整流电路，后级的串联谐振电路103通过调频控制，实现电动汽车电池104的恒功率放电。
电动汽车双向充电器充放电模式下，母线电压参考值的选择：
充电模式时，设置较高的母线电压参考值Vbus1 *，满足在电池电压宽范围变化条件下，功率能够从电网101流向电动汽车电池104；放电模式时，设置较低的母线电压参考值Vbus2 *，满足在电池电压宽范围变化条件下，功率能够从电动汽车电池104流向电网101；所以关键就是设计充放电模式下合适的母线电压参考值，假设电动汽车电池104电压变化范围为Vomin～Vomax以及隔离变压器变比为n。
当工作于充电模式时，母线电压Vbus1 *需要满足：
Vbus1 *≥nVomax；
当工作于放电模式时，母线电压Vbus2*需要满足：
Vbus2 *≤nVomin。
当电动汽车双向充电器工作于充电模式时，前级母线电压参考值Vbus1 *经过模式切换联动开关1 216与母线电压值Vbus作差后所得的误差信号，经前级电压外环控制器204产生前级电流内环参考值的幅值信号IL，该幅值信号与余弦运算模块202的输出信号相乘得到前级电流内环的参考值iL *，前级电流内环的参考值iL *经前级电流内环控制器207后得到的输出信号，经过模式切换联动开关2 217连接到SPWM2调制模块209，SPWM2调制模块209的输出作为功率管Sa5和Sa6的门极驱动脉冲信号，后级电动汽车电池电压参考值Vbat *与电动汽车电池电压值Vbat作差后所得的误差信号，经后级电压外环控制器211产生前级电流内环参考值ibat_F *，该信号经过模式切换联动开关3 218后与电动汽车电池电流ibat作差后所得的误差信号连接到后级电流内环控制器214，后级电流内环控制器214的输出经过后级调频模块215再经模式切换联动开关4 219得到功率管Sb1～Sb4的门极驱动脉冲的信号。
当电动汽车双向充电器工作于放电模式时，前级母线电压参考值Vbus2 *经过模式切换联动开关1 216与母线电压值Vbus作差后所得的误差信号，经前级电压外环控制器204产生前级电流内环参考值的幅值信号IL，该幅值信号与余弦运算模块202的输出信号相乘得到前级电流内环的参考值iL *，前级电流内环的参考值iL *经前级电流内环控制器207后得到的载波信号，经过模式切换联动开关2 217连接到SPWM1调制模块208，SPWM1调制模块208的输出作为功率管Sa1～Sa4的门极驱动脉冲信号，后级电动汽车电池放电功率参考值Pbat *与电动汽车电池电压值Vbat相除后产生前级电流内环参考值ibat_R *，该信号经过模式切换联动开关3 218后与电动汽车电池电流ibat作差后所得的误差信号连接到后级电流内环控制器214，后级电流内环控制器214的输出经过后级调频模块215再经模式切换联动开关4 219得到功率管Sb5～Sb8的门极驱动脉冲的信号。

Claims (2)

1.一种电动汽车双向充电器的切换方法,其特征在于：
通过在电动汽车双向充电器拓扑中引入模式切换开关Sm(105)，在不同的工作模式(充电模式和放电模式)下，切换模式开关Sm(105)的状态来改变电动汽车双向充电器主电路(1)的拓扑结构；
当电动汽车双向充电器工作于充电模式时，模式切换开关Sm(105)闭合，前级双向AC/DC(102)的功率管Sa1～Sa4的门极驱动封锁，此时功率管Sa2和Sa3的反并二极管分别被母线电容Cin1和Cin2钳位，前级的双向AC/DC(102)等效为单相维也纳整流器拓扑，后级双向串联谐振电路(103)的功率管Sb5～Sb8门极驱动封锁，副边全桥等效为二极管不控整流电路；
当电动汽车双向充电器工作于放电模式时，模式切换开关Sm(105)关断，前级双向AC/DC(102)的功率管Sb5、Sb6门极驱动封锁，前级的双向AC/DC(102)等效为全桥逆变电路，后级双向串联谐振电路(103)的功率管Sb1～Sb4门极驱动封锁，原边全桥等效为二极管不控整流电路。
2.一种电动汽车双向充电器的控制方法，其特征在于：
充电模式时，设置较高的母线电压参考值Vbus1 *，满足在电池电压宽范围变化条件下，功率能够从电网(101)流向电动汽车电池(104)；放电模式时，设置较低的母线电压参考值Vbus2 *，满足在电池电压宽范围变化条件下，功率能够从电动汽车电池(104)流向电网(101)；所以关键就是设计充放电模式下合适的母线电压参考值，假设电动汽车电池(104)电压变化范围为Vomin～Vomax以及隔离变压器变比为n；
当工作于充电模式时，母线电压Vbus1 *需要满足：
Vbus1 *≥nVomax；
当工作于放电模式时，母线电压Vbus2 *需要满足：
Vbus2 *≤nVomin；
当电动汽车双向充电器工作于充电模式时，前级母线电压参考值Vbus1 *经过模式切换联动开关1(216)与母线电压值Vbus作差后所得的误差信号，经前级电压外环控制器(204)产生前级电流内环参考值的幅值信号IL，该幅值信号与余弦运算模块(202)的输出信号相乘得到前级电流内环的参考值iL *，前级电流内环的参考值iL *经前级电流内环控制器(207)后的输出信号，经过模式切换联动开关2(217)连接到SPWM2调制模块(209)，SPWM2调制模块(209)的输出作为功率管Sa5和Sa6的驱动脉冲信号，后级电动汽车电池电压参考值Vbat *与电动汽车电池电压值Vbat作差后所得的误差信号，经后级电压外环控制器(211)产生前级电流内环参考值ibat_F *，该信号经过模式切换联动开关3(218)后与电动汽车电池电流ibat作差后所得的误差信号连接到后级电流内环控制器(214)，后级电流内环控制器(214)的输出经过后级调频模块(215)再经模式切换联动开关4(219)得到功率管Sb1～Sb4的门极驱动脉冲的信号；
当电动汽车双向充电器工作于放电模式时，前级母线电压参考值Vbus2 *经过模式切换联动开关1(216)与母线电压值Vbus作差后所得的误差信号，经前级电压外环控制器(204)产生前级电流内环参考值的幅值信号IL，该幅值信号与余弦运算模块(202)的输出信号相乘得到前级电流内环的参考值iL *，前级电流内环的参考值iL *经前级电流内环控制器(207)后得到的载波信号，经过模式切换联动开关2(217)连接到SPWM1调制模块(208)，SPWM1调制模块(208)的输出作为功率管Sa1～Sa4的门极驱动脉冲信号，后级电动汽车电池放电功率参考值Pbat *与电动汽车电池电压值Vbat相除后产生前级电流内环参考值ibat_R *，该信号经过模式切换联动开关3(218)后与电动汽车电池电流ibat作差所得的误差信号连接到后级电流内环控制器(214)，后级电流内环控制器(214)的输出经过后级调频模块(215)再经模式切换联动开关4(219)得到功率管Sb5～Sb8的门极驱动脉冲的信号。
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