CN109849736A - 插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统及方法 - Google Patents

插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统及方法，通过调节变换器的总有功功率，实现总SOC平衡控制；通过调节总有功功率在输入相之间的分配，实现相间SOC平衡控制；通过调节同一相三桥臂之间的有功功率分配，实现同一相内各桥臂SOC平衡控制；通过微调同一桥臂生各子模块之间的有功功率分配，实现同一桥臂上各子模块之间的SOC平衡控制。本公开可以灵活的控制电池SOC均衡，具有较好的故障电池冗余处理能力，当某个子模块动力电池出现故障时，该子模块可退出运行，不影响其他子模块电池的正常运行。

Description

插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统及方法
技术领域
本公开涉及一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
汽车工业是国民经济的重要支柱产业，近年来，随着我国汽车产业的快速发展，我国石油消耗也迅速增长。燃油供求矛盾日益突出，雾霾等环境污染问题已成为全国性的生态问题。在大力发展风力、太阳能等清洁能源发电的同时，加快发展电动汽车，可以有效降低负荷侧汽油的消耗，有益于保障国家安全并显著改善环境，已经成为我国可持续发展的必然选择。另一方面，随着智能电网和能源互联网的建设和发展，电动汽车作为一种分布式储能设备，将通过V2G(Vehicle to Grid)技术同电力系统完美融合，成为能源互联网的核心之一，发挥其储能、用能、调峰的多元作用，从而优化系统运行，提高交通运输系统以及整个经济社会的低碳化水平，这将赋予消费者参与到电力市场交易中的契机。
但有不同功能模块实现的电动汽车功率变换系统集成具有体积大、重量重、效率低等缺点。众所周知，整车轻量化设计、整车一体化和系统一体化设计等一直是新一代电动汽车的重要课题。另外，由于续航能力问题，纯电动汽车要取代燃油汽车还有很长的路要走，混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)，特别是插电式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)作为一种中间过渡产品有很强的市场需求。由于混联式HEV能够在发动机与电动机混合驱动模式下带动发电机为电池充电，比并联式HEV驱动模式更加丰富。
对于基于多电平变换器的EV一体化拓扑，最具代表性的是基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)的电池管理系统(Battery ManagementSystems,BMS)与EV电机驱动一体化系统(下面简称MMC-EV)。目前MMC-EV研究还处于初级阶段，用于混联PHEV还存在下列主要问题：
首先，由于现有MMC-EV拓扑只有一个三相交流端口，因此只适合于具有单台电机的纯电动汽车(Battery Electric Vehicle，BEV)或并联式HEV，对于带独立发电机的混联式HEV或多台电动机的BEV系统，需要对现有MMC-EV拓扑及控制方法进行改进。混联PHEV比BEV具有较多和复杂的工作模式，现有文献研究的MMC-EV电池管理及电机驱动控制策略只是针对BEV的简单工作模式，要将MMC用于混联PHEV，其控制策略还需作进一步研究。
公开号为CN105946849A的中国专利公开的《一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构及方法》中，公开了一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构及方法，提出了一种级联式模块化多电平矩阵式结构。但是，并没有解决综合变换系统拓扑结构中各子模块电池充电及电池“荷电状态”(State-of-Charge，SOC)平衡问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统及方法，本公开通过调节变换器的总有功功率，实现总SOC平衡控制；通过调节总有功功率在输入相之间的分配，实现相间SOC平衡控制；通过调节同一相三桥臂之间的有功功率分配，实现同一相内各桥臂SOC平衡控制；通过微调同一桥臂生各子模块之间的有功功率分配，实现同一桥臂上各子模块之间的SOC平衡控制。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统，包括拓扑结构和控制系统，所述拓扑结构包括输入端为x相，输出端为y相的x*y个功率交换的桥臂的多维矩阵结构，所述输入端对应连接混合动力电动汽车交流发电机的定子绕组，所述输出端对应连接混合动力汽车的交流电动机绕组；
多维矩阵结构包括多个呈阵列分布的桥臂，每个桥臂至少包括串联的电感与子模块链，子模块链包括多个串联的子模块；
所述控制系统包括综合控制器和桥臂控制器，所述综合控制器根据各子模块的电池SOC、各桥臂电流，以及输入侧电源电压，通过综合控制器运算处理后得到桥臂PWM公共占空比；桥臂各子模块SOC与所述桥臂PWM公共占空比经过桥臂控制器运算处理，得到桥臂各子模块的PWM占空比，产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电池SOC平衡控制与电流控制。
作为进一步的限定，每个子模块为H桥子模块SM，由四个带反并联二极管的功率开关、电容器和动力电池构成，其中，第一功率开关与第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关先分别串联再与电容器并联，电容器再与动力电池并联。
作为进一步的限定，所述综合控制器包括总控制器、相间控制器和桥臂控制器，每一相的桥臂的输出端分别与总控制器、相间控制器和桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出各桥臂的PWM公共占空比到各桥臂控制器；各桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。
作为进一步的限定，所述总控制器包括求平均值单元A、求平均值单元B、求平均值单元C，它们的输入端与模块化多电平矩阵变换器的输出端连接，求平均值单元A输出端则与求平均值单元B和桥臂平衡控制器连接，求平均值单元B输出端则与求平均值单元C和相间平衡控制器连接，求平均值单元C输出端则与总SOC平衡控制器连接，桥臂平衡控制器输出端与乘法器Ⅰ连接，乘法器Ⅰ还与归一化单元A连接；总SOC平衡控制器和乘法器Ⅰ均分别与运算单元A连接；运算单元与电流控制器A连接；子模块电池SOC参考值送入总SOC平衡控制器输入端；模块化多电平矩阵变换器的交流侧电源电压送入到归一化单元A。
作为更进一步的限定，所述桥臂控制器结构相同，具体包括与xy桥臂N个子模块电池SOC检测值和对应的微调控制器，各微调控制器输出端分别与对应的乘法器连接；同时各微调控制器的输出端还与加法器A连接，加法器A依次与反号器A、乘法器AN连接，各乘法器A的输出端与相应的加法器连接；xy桥臂电流检测值送入归一化单元A，归一化单元A与各乘法器连接。
作为一种实施例，x和y为3，多维矩阵结构为三相模块化多电平矩阵变换器。
基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)通过检测各桥臂上N个子模块电池SOC，得到桥臂N各子模块电池SOC检测值，通过求平均值单元A，得到各桥臂子模块平均荷电状态，将桥臂子模块平均荷电状态送入到求平均值单元B，得到输入、输出各相总平均荷电状态，将得到的各相平均荷电状态送入到求平均值单元C，得到总平均荷电状态；
(2)通过检测输入侧电源电压，经过归一化单元A处理，得到相应单位幅值电源电压；
(3)将各桥臂平均荷电状态与荷电状态参考送入到恒流恒压控制器处理，确定采用恒流或者恒压充电方式；
(4)若为恒流充电方式，则直接给定各输入相SOC控制电流幅值；若为恒压充电方式，则将总平均荷电状态与荷电状态参考值送入到总荷电状态控制器处理，得到总荷电状态控制电流幅值，继而送入运算单元，与单位幅值电源电压经乘法器相乘后得到输入各相基值电流；
(5)将各输入相总平均荷电状态送入到输入相平衡控制器进行处理，得到的输出值送入运算单元后与单位幅值电源电压经乘法器相乘后得到输入各相平衡调整电流；
(6)将各输入相桥臂子模块平均荷电状态送入到桥臂平衡控制器进行处理，得到的输出值送入运算单元后与单位幅值电源电压经乘法器相乘后得到各输入相桥臂平衡调整电流；
(7)将输入相参考电流、输入相平衡调整电流和桥臂平衡调整电流相加，得到各桥臂参考电流；
(8)将xy桥臂电流检测值与参考电流送入到电流控制器A处理，得到xy桥臂PWM公共占空比；
(9)将xy桥臂电流检测值送入到归一化单元A处理，得到xy桥臂单位幅值电流；
(10)将桥臂子模块平均荷电状态与xy桥臂第j个子模块电池SOC检测值，其中j＝1,2,...,N-1，送入到xy桥臂第j个子模块微调控制器Aj进行处理，微调控制器Aj的输出经过对应的乘法器Aj与ixyu相乘后再经过对应的加法器Aj与xy桥臂PWM公共占空比相加，得到xy桥臂第j个子模块PWM占空比；
(11)将N-1个xy桥臂的各个微调控制器的输出经过加法器A求和和经反号器A反向得到计算结果，再与xy桥臂单位幅值电流经乘法器AN相乘，然后与xy桥臂PWM公共占空比相加，得到xy桥臂第N个子模块PWM占空比；
(12)将各子模块PWM占空比送入到PWM发生器单元，产生各子模块的PWM控制信号。
所述步骤(2)中，通过检测交流侧电源电压，采用锁相技术，得到与交流侧电源电压同频同相的单位幅值正弦函数，代替单位幅值电源电压。
所述步骤(9)中，用xy桥臂参考电流代替桥臂电流检测值；即将桥臂参考电流送入归一化单元A处理，得到xy桥臂单位幅值电流。
所述步骤(5)和(6)中，相平衡调整电流和相桥臂平衡调整电流分别相加和为零。
一种电动汽车，采用上述充电系统和/或上述工作方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开不需要额外的专门电池充放电电路；可以灵活的控制电池SOC均衡；不需要机械开关切换，充电电路可以直接接入电机；
本公开用发电机/电动机绕组取代桥臂电感，可减小系统体积、重量和成本，提高功率密度；
本公开具有较好的故障电池冗余处理能力，当某个子模块动力电池出现故障时，该子模块可退出运行，不影响其他子模块电池的正常运行。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是插电式混合动力电动汽车变换系统的一种拓扑结构。
图2是桥臂子模块链结构图。
图3是H桥子模块结构图。
图4是插电式混合动力汽车变换系统外接电源充电连接方式图。
图5是本公开的充电系统总控制原理图。
图6是本公开的控制原理图中总控制器的控制原理图。
图7是本公开的控制原理图中桥臂控制器的控制原理图。
图8是本公开的恒压恒流控制器原理图。
其中，1、桥臂子模块串联结构，2、H桥子模块SM，3、发电机，4、电动机，5、总控制器，6、桥臂控制器，7、PWM信号发生器，8、外接交流电源，9、恒压恒流控制器，N1、发电机定子绕组中性点，N2、电动机定子绕组中性点。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
提出一种基于模块化多电平矩阵变换器(Modular Multilevel MatrixConverter,MMMC)的插电式混合电动汽车综合变换系统(MMMC-HEV)的充电方法，实现MMMC-HEV多层次电池SOC控制及均衡充电。该方法从功率平衡的角度，对电池采用恒流恒压充电方法。其基本思想是，通过调节变换器的总有功功率，实现总SOC平衡控制；通过调节总有功功率在输入相之间的分配，实现相间SOC平衡控制；通过调节同一相三桥臂之间的有功功率分配，实现同一相内各桥臂SOC平衡控制；通过微调同一桥臂生各子模块之间的有功功率分配，实现同一桥臂上各子模块之间的SOC平衡控制。该充电方法是一种模块化多电平变换器的综合控制方法。
具体的，一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，包括输入端为x相，输出端为y相的x*y个功率交换的桥臂的多维矩阵结构，所述输入端对应连接混合动力电动汽车交流发电机的定子绕组，所述输出端对应连接混合动力汽车的交流电动机绕组。
以x和y为3，为三相模块化多电平矩阵变换器为例进行说明。
充电系统包括三相模块化多电平矩阵变换器，每一相模块化多电平矩阵变换器与各自的控制装置连接，各控制装置则与三相PWM信号发生器连接；其中，所述各综合控制装置结构相同，包括总控制器、相间控制器和桥臂控制器；每一相的模块化多电平矩阵变换器输出端分别与总控制器、相间控制器和桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出各桥臂的PWM公共占空比到各桥臂控制器；各桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。
总控制器包括求平均值单元A、求平均值单元B、求平均值单元C，它们的输入端与模块化多电平矩阵变换器的输出端连接，求平均值单元A输出端则与求平均值单元B和桥臂平衡控制器连接，求平均值单元B输出端则与求平均值单元C和相间平衡控制器连接，求平均值单元C输出端则与总SOC平衡控制器连接，桥臂平衡控制器输出端与乘法器Ⅰ连接，乘法器Ⅰ还与归一化单元A连接；总SOC平衡控制器和乘法器Ⅰ均分别与运算单元A连接；运算单元与电流控制器A连接；子模块电池SOC参考值送入总SOC平衡控制器输入端；模块化多电平矩阵变换器的交流侧电源电压送入到归一化单元A。
所述桥臂控制器结构相同，其中：桥臂控制器包括与xy桥臂N个子模块电池SOC检测值socxy1、socxy2、…和socxyN对应的微调控制器A1、微调控制器Aj、…微调控制器A(N-1)；各微调控制器A输出端分别与对应的乘法器A1、乘法器Aj、…乘法器A(N-1)连接；同时各微调控制器A输出端还与加法器A连接，加法器A依次与反号器A、乘法器AN连接，各乘法器A的输出端与相应的加法器A1、…加法器Aj、…加法器A(N-10)、…加法器AN连接；xy桥臂电流检测值ixy送入归一化单元A，归一化单元A与各乘法器A1、…乘法器AN连接。
本公开的理论依据是：
如图1所示的模块化多电平矩阵变换器可知，设输入侧电源电压为usm，输入侧电源电流为ism，理想状况下，ism在每相均分，即则各桥臂电流为桥臂电流环流满足条件设电源发出的有功功率为Pin，桥臂吸收的有功功率为Pxy，输入侧电源周期为T。
由能量守恒可得功率关系：输入功率等于桥臂电池吸收功率，即
其中：
Px＝Pin＝Pxu+Pxv+Pxw (3)
当ux一定，调节ix中的有功分量ixP(与ux同频同相)，即可调节Px，从而调节相单元子模块吸收的有功功率总和(Pxu+Pxv+Pxw)。
环流不会影响输入相总体有功，通过调节环流中的有功电流成分，可以调节同相桥臂单元之间的有功分配，从而调整桥臂单元各子模块总电容电压均衡。
桥臂电流的指令参考电流可给定为
由于实际中各子模块之间会存在差异，也会出现同一桥臂上各子模块之间的电池SOC平衡问题，为此可以通过微调各子模块端口电压来控制各子模块吸收的有功功率，从而平衡各子模块的电池荷电状态。
为了达到上述的调节各桥臂子模块吸收的总有功功率、各相间吸收的有功功率之差、同相各桥臂间吸收的有功功率之差，以及同桥臂各子模块的有功功率额目的，本公开采用桥臂电流直接反馈控制、总荷电状态平均值反馈控制、相间荷电状态平均值之差反馈控制、桥臂间荷电状态平均值之差反馈控制、以及各子模块电池荷电状态反馈控制的多闭环控制。具体方案是：
1)桥臂电流直接反馈控制通过电流控制器实现桥臂电流的快速控制，其控制器的输出分别产生各桥臂PWM公共占空比dxy，其输入为由运算单元计算产生的各桥臂参考电流以及检测电流ixy。
2)总荷电状态平均值反馈控制通过总荷电状态控制器实现各子模块总荷电状态平均值的闭环控制，其控制器输出为输入电流ii。
3)相间荷电状态平均值之差反馈控制通过相间平衡控制器实现输入相间荷电状态平均值之间的均衡控制，其控制器输出为电流Δix的幅值ΔIx，有Δix＝ΔIx·uiu；
式中，uiu表示单位幅值电源电压ui。
4)桥臂间荷电状态平均值之差反馈控制通过桥臂间平衡控制器实现桥臂间荷电状态平均值之间的均衡控制，其控制器输出为各输入相桥臂平衡调整电流Δixu、Δixv和Δixw的幅值Ixu、Ixv和Ixw。
5)综上所述，xy桥臂参考电流为
6)各子模块SOC反馈控制可以通过子模块SOC微调控制器实现同一桥臂各子模块之间的SOC平衡控制，第j个微调控制器的输出为子模块PWM占空比微调量Δdxyj的幅值Dxyj，单位幅值的ixy用ixyu表示，二者经过ixy的归一化得到，则第j个子模块PWM占空比微调量Δdxyj为
Δdxyj＝Dxyj·ixyu,j＝1,2,...,N；
7)微调量Δdxyj与xy桥臂PWM公共占空比dxy叠加后，即可得到第j个子模块的PWM公共占空比dxyj，即
dxyj＝dxy+Δdxyj,j＝1,2,...,N。
在经过PWM信号发生器产生PWM控制信号。同一桥臂各子模块之间的电池SOC微调控制，其目的是微调各子模块之间的功率分配，这就要求桥臂电流的幅值不能过小。
图1给出了插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统充电的一种拓扑结构，图中，变换系统为3×3矩阵结构，有三个输入相和三个输出相，以及九个桥臂，其中，所述三个输入相分别接PHEV交流发电机三相定子绕组A、B和C，所述三个输出相分别接PHEV交流电动机三相定子绕组U、V和W；所述每个输入相通过三个桥臂分别连接到所述输出相，每个所述输出相通过三个桥臂分别连接到所述三个输入相；每个桥臂由至少一个电感L0与一个子模块链1串联而成，其中N大于等于1。
图2为子模块链结构图，由N个H桥子模块SM串联而成，其中N大于等于1。图3给出了H桥功率单元SM的拓扑结构图，由四个带反并联二极管的功率开关(Q1、Q2、Q3、Q4)、电容器C和动力电池构成，其中，第一功率开关Q1与第二功率开关Q2、第三功率开关Q3和第四功率开关Q4先分别串联再与电容器C并联，再与动力电池并联。
图4给出了插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统采用单相交流电源充电时的连接方式，即发电机M1和电动机M2定子绕组的中性点分别连接外部单相充电电源的两端。
图5-7中，一种模块化多电平变化器的综合控制充电系统，它包括三相模块化多电平矩阵变换器，每一相模块化多电平矩阵变换器与各自的综合控制系统连接，各综合控制装置则与三相PWM信号发生器连接；其中，所述各综合控制装置结构相同；每一相的模块化多电平矩阵变换器输出端分别于桥臂控制器和总控制器连接；总控制器的输出端分别输出桥臂PWM公共占空比dxy到各桥臂；桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。
总控制器包括每个桥臂SOC求平均值单元A5-1、每相SOC求平均值单元B5-2、总SOC求平均值单元C5-3。其中，桥臂SOC求平均值单元A5-1输入端与模块化多电平矩阵变换器输出端连接，输出端则分别与相SOC求平均值单元B5-2、桥臂平衡控制器5-8、恒压恒流控制器5-4连接；相SOC求平均值单元B5-2输出端分别与总SOC求平均值单元C5-3、相平衡控制器5-9连接；总SOC求平均值单元C5-3输出端与恒压恒流控制器5-4连接；恒压恒流控制器5-4输出端与运算单元A5-5连接；桥臂平衡控制器5-8、相平衡控制器5-9输出端分别与运算单元A5-5连接，运算单元A5-5输出端与乘法器Ⅰ5-6连接，乘法器Ⅰ5-6还与归一化单元A5-10连接；乘法器Ⅰ5-6输出与电流控制器5-7连接；子模块电池SOC参考值送入恒压恒流控制器5-4；模块化多电平矩阵变换器的相电源电压送入归一化单元A5-10；桥臂电流送入到电流控制器A5-7。
所述桥臂平衡控制器5-8和相平衡控制器5-9结构相同，其中：相平衡控制器5-9输入端接入和两者做差后经过一个比例环节，输出相平衡微调电流幅值ΔIx，输出端接入运算单元5-5。桥臂平衡控制器5-8输入端接入和两者做差后讲过一个比例环节，输出桥臂平衡微调电流幅值ΔIxy，输出端接入运算单元5-5。
所述运算单元5-5对其输入端所接各输入相基值电流幅值Ix、各相平衡调整电流幅值ΔIx、各桥臂平衡调整电流幅值ΔIxy进行计算得到各桥臂参考电流幅值即
所述桥臂控制器5-8结构相同，其中：桥臂控制器5-8包括各桥臂N个子模块电池SOC检测值socxy1、socxy2、…和socxyN对应的微调控制器A16-2、微调控制器Aj6-3、…微调控制器A(N-1)6-4；各微调控制器A输出端分别于对应的乘法器A16-5、乘法器Aj6-6、…乘法器A(N-1)6-7连接；同时各微调控制器A输出端还与加法器A6-10连接，加法器A6-10依次与反号器A6-9、乘法器AN6-8连接，各乘法器A的输出端与相应的加法器A16-11、…加法器Aj6-12、…加法器AN6-13连接；xy桥臂电流检测值ixy送入归一化单元A6-1，归一化单元A6-1与各乘法器A6-5、…乘法器AN6-8连接。
本公开的一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电方法，通过检测模块化多电平变化器各桥臂子模块电池SOC，各桥臂电流，以及输入侧电源电压，经过一个总控制器运算处理后得到各桥臂PWM公共占空比；各桥臂子模块电池SOC与上述桥臂PWM公共占空比经过桥臂控制器运算处理，得到桥臂各子模块的PWM占空比；各子模块的PEM占空比经过PWM信号发生器产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电池SOC平衡控制和充电、变换器电流控制。
通过检测模块化多电平矩阵变换器的桥臂各子模块电池SOC，各桥臂电流，以及输入侧电源电压，通过一个总控制器运算处理后得到桥臂PWM公共占空比；桥臂各子模块SOC与上述桥臂PWM公共占空比经过桥臂控制器运算处理，得到桥臂各子模块的PWM占空比；各子模块的PWM占空比经过PWM信号发生器产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电池SOC平衡控制和变换器的电流控制。具体步骤为：
(1)通过检测模块化多电平矩阵变换器各桥臂上N个子模块电池SOC，得到桥臂N各子模块电池SOC检测值socxy1、socxy2、…和socxyN，通过求平均值单元A5-1，得到各桥臂子模块平均荷电状态将上述桥臂子模块平均荷电状态送入到求平均值单元B5-2，得到输入、输出各相总平均荷电状态 将上述相平均荷电状态送入到求平均值单元C5-3，得到总平均荷电状态
(2)通过检测输入侧电源电压ui，经过归一化单元A5-10处理，得到相应单位幅值电源电压uiu；
(3)将各桥臂平均荷电状态与荷电状态参考送入到恒压恒流控制器5-4处理，确定采用恒流或者恒压充电方式。
(4)若为恒流充电方式，则直接给定各输入相SOC控制电流幅值Ix；若为恒压充电方式，则将总平均荷电状态与荷电状态参考soc*经减法器、比例环节处理，得到总荷电状态控制电流幅值Iall＝3Ix；后送入运算单元，与单位幅值电源电压uiu经乘法器Ⅰ5-6相乘后得到输入各相基值电流ix＝Ix·uiu；
(5)将各输入相总平均荷电状态送入到输入相平衡控制器5-9进行处理，得到的输出值ΔIx送入运算单元5-5，后与单位幅值电源电压uiu经乘法器Ⅰ5-6相乘后得到输入各相平衡调整电流Δix，即Δix＝ΔIx·uiu；
(6)将各输入相桥臂子模块平均荷电状态和送入到桥臂平衡控制器5-8进行处理，得到的输出值Ixu、Ixv和Ixw送入运算单元5-5后与单位幅值电源电压uiu经乘法器I5-6相乘后得到各输入相桥臂平衡调整电流Δixu、Δixv和Δixw；
(7)将输入相参考电流、输入相平衡调整电流和桥臂平衡调整电流相加，得到各桥臂参考电流即
(8)将xy桥臂电流检测值ixy与参考电流送入到电流控制器A5-7处理，得到xy桥臂PWM公共占空比dxy；
(9)将xy桥臂电流检测值ixy送入到归一化单元A6-1处理，得到xy桥臂单位幅值电流ixyu；
(10)将与xy桥臂第j个子模块电池SOC检测值socxyj，其中j＝1,2,...,N-1，送入到xy桥臂第j个子模块微调控制器Aj进行处理，微调控制器Aj的输出Dmpj经过对应的乘法器Aj与ixyu相乘后再经过对应的加法器Aj与xy桥臂PWM公共占空比dxy相加，得到xy桥臂第j个子模块PWM占空比dxyj；
(11)将N-1个xy桥臂微调控制器A16-2、微调控制器A2、…和微调控制器A(N-1)6-4的输出Dmp1、Dmp2和DmpN-1经过加法器A6-10求和和经反号器A6-9反向得到DmpN，再与ixyu经乘法器AN6-8相乘，然后与xy桥臂PWM公共占空比dxy相加，得到xy桥臂第N个子模块PWM占空比dxyN；
(12)将各子模块PWM占空比dxy1、dxy2、…和dxyN送入到PWM发生器单元，产生各子模块的PWM控制信号。
步骤(2)中，通过检测交流侧电源电压ui，采用锁相技术，得到与ui同频同相的单位幅值正弦函数，代替单位幅值电源电压uiu。
步骤(9)中，用xy桥臂参考电流代替桥臂电流检测值；即将桥臂参考电流送入归一化单元A处理，得到xy桥臂单位幅值电流ixyu。
步骤(5)和(6)中，相平衡调整电流Δix和相桥臂平衡调整电流Δixu、Δixv和Δixw分别相加和为零，即：
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统，包括拓扑结构和控制系统，所述拓扑结构包括输入端为x相，输出端为y相的x*y个功率交换的桥臂的多维矩阵结构，所述输入端对应连接混合动力电动汽车交流发电机的定子绕组，所述输出端对应连接混合动力汽车的交流电动机绕组；
多维矩阵结构包括多个呈阵列分布的桥臂，每个桥臂至少包括串联的电感与子模块链，子模块链包括多个串联的子模块；
其特征是：所述控制系统包括综合控制器和桥臂控制器，所述综合控制器根据各子模块的电池SOC、各桥臂电流，以及输入侧电源电压，通过综合控制器运算处理后得到桥臂PWM公共占空比；桥臂各子模块SOC与所述桥臂PWM公共占空比经过桥臂控制器运算处理，得到桥臂各子模块的PWM占空比，产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电池SOC平衡控制与电流控制。
2.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统，其特征是：每个子模块为H桥子模块SM，由四个带反并联二极管的功率开关、电容器和动力电池构成，其中，第一功率开关与第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关先分别串联再与电容器并联，电容器再与动力电池并联。
3.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统，其特征是：所述综合控制器包括总控制器、相间控制器和桥臂控制器，每一相的桥臂的输出端分别与总控制器、相间控制器和桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出各桥臂的PWM公共占空比到各桥臂控制器；各桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。
4.如权利要求3所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统，其特征是：所述总控制器包括求平均值单元A、求平均值单元B、求平均值单元C，它们的输入端与模块化多电平矩阵变换器的输出端连接，求平均值单元A输出端则与求平均值单元B和桥臂平衡控制器连接，求平均值单元B输出端则与求平均值单元C和相间平衡控制器连接，求平均值单元C输出端则与总SOC平衡控制器连接，桥臂平衡控制器输出端与乘法器Ⅰ连接，乘法器Ⅰ还与归一化单元AP连接；总SOC平衡控制器和乘法器Ⅰ均分别与运算单元A连接；运算单元与电流控制器A连接；子模块电池SOC参考值送入总SOC平衡控制器输入端；模块化多电平矩阵变换器的交流侧电源电压送入到归一化单元A。
5.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统的充电系统，其特征是：所述桥臂控制器结构相同，具体包括与xy桥臂N个子模块电池SOC检测值和对应的微调控制器，各微调控制器输出端分别与对应的乘法器连接；同时各微调控制器的输出端还与加法器A连接，加法器A依次与反号器A、乘法器AN连接，各乘法器A的输出端与相应的加法器连接；xy桥臂电流检测值送入归一化单元A，归一化单元A与各乘法器连接。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)通过检测各桥臂上N个子模块电池SOC，得到桥臂N各子模块电池SOC检测值，通过求平均值单元A，得到各桥臂子模块平均荷电状态，将桥臂子模块平均荷电状态送入到求平均值单元B，得到输入、输出各相总平均荷电状态，将得到的各相平均荷电状态送入到求平均值单元C，得到总平均荷电状态；
(2)通过检测输入侧电源电压，经过归一化单元A处理，得到相应单位幅值电源电压；
(3)将各桥臂平均荷电状态与荷电状态参考送入到恒流恒压控制器处理，确定采用恒流或者恒压充电方式；
(4)若为恒流充电方式，则直接给定各输入相SOC控制电流幅值；若为恒压充电方式，则将总平均荷电状态与荷电状态参考值送入到总荷电状态控制器处理，得到总荷电状态控制电流幅值，继而送入运算单元，与单位幅值电源电压经乘法器相乘后得到输入各相基值电流；
(5)将各输入相总平均荷电状态送入到输入相平衡控制器进行处理，得到的输出值送入运算单元后与单位幅值电源电压经乘法器相乘后得到输入各相平衡调整电流；
(6)将各输入相桥臂子模块平均荷电状态送入到桥臂平衡控制器进行处理，得到的输出值送入运算单元后与单位幅值电源电压经乘法器相乘后得到各输入相桥臂平衡调整电流；
(7)将输入相参考电流、输入相平衡调整电流和桥臂平衡调整电流相加，得到各桥臂参考电流；
(8)将xy桥臂电流检测值与参考电流送入到电流控制器A处理，得到xy桥臂PWM公共占空比；
(9)将xy桥臂电流检测值送入到归一化单元A处理，得到xy桥臂单位幅值电流；
(10)将桥臂子模块平均荷电状态与xy桥臂第j个子模块电池SOC检测值，其中j＝1,2,...,N-1，送入到xy桥臂第j个子模块微调控制器Aj进行处理，微调控制器Aj的输出经过对应的乘法器Aj与ixyu相乘后再经过对应的加法器Aj与xy桥臂PWM公共占空比相加，得到xy桥臂第j个子模块PWM占空比；
(11)将N-1个xy桥臂的各个微调控制器的输出经过加法器A求和和经反号器A反向得到计算结果，再与xy桥臂单位幅值电流经乘法器AN相乘，然后与xy桥臂PWM公共占空比相加，得到xy桥臂第N个子模块PWM占空比；
(12)将各子模块PWM占空比送入到PWM发生器单元，产生各子模块的PWM控制信号。
7.如权利要求6中所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，通过检测交流侧电源电压，采用锁相技术，得到与交流侧电源电压同频同相的单位幅值正弦函数，代替单位幅值电源电压。
8.如权利要求6中所述的工作方法，其特征是：所述步骤(9)中，用xy桥臂参考电流代替桥臂电流检测值；即将桥臂参考电流送入归一化单元A处理，得到xy桥臂单位幅值电流。
9.如权利要求6中所述的工作方法，其特征是：所述步骤(5)、步骤(6)中，相平衡调整电流和相桥臂平衡调整电流分别相加和为零。
10.一种电动汽车，其特征是：采用权利要求1-5中任一项所述的充电系统和/或权利要求6-9中任一项所述的工作方法。
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