CN111688539B - 多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统及方法，其主要技术特点是：该系统包括两个电压检测模块、一个电流检测模块、一个SOC检测模块、一个损耗计算模块和一个开关信号生成模块，两个电压检测模块、一个电流检测模块的输出均连接至损耗计算模块，SOC检测模块和损耗计算模块的输出均连接至开关信号生成模块，产生多电平储能型电动汽车拓扑结构的开关脉冲驱动信号。本发明设计合理，其通过计算每相桥臂不同子模块接入个数下系统的导通损耗、开关损耗和电池组损耗，从中选取损耗最小情况对应的子模块接入个数，结合SOC排序结果，采用循环充电模式实现电池组充电，提高了电动汽车的充电效率。

Description

多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统及方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，涉及多电平储能型电动汽车，尤其是一种多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统及方法。

背景技术

随着社会的飞速发展，能源危机和环境问题愈发严重，电动汽车凭借其优越的环保和节能特性，正日益成为汽车工业研究、开发和使用的热点。作为电动汽车的核心部件，储能电池的有效管控对提高电动汽车使用寿命、增强市场竞争力至关重要。

典型电动汽车拓扑结构主要采用电池能量管理电路(BatteryManagementSystem,BMS)对储能电池运行状态进行监控，其最重要的作用是实现电池组荷电状态(StateofCharge,SOC)均衡，从而提高电池组使用寿命。如图1所示，电动汽车典型内部拓扑结构包含电机驱动电路、交/直流充电电路和BMS均衡电路。BMS电路主要负责充/放电过程重电池组SOC均衡，以提高电池组整体使用寿命。受限于芯片成本与器件通流、散热水平，目前商用BMS芯片的SOC均衡效果远不能达到预期效果，尤其在充/放电电流较大的直流充电模式和高速行驶模式下。

储能型多电平变换系统因其冗余度高、控制灵活性强等优势，正日益受到学术界和工业界的关注。关于储能型多电平系统在电动汽车内的应用，已有部分国内外学者开展相关研究，并获得一定成果。研究结果显示，相比于典型电动汽车拓扑结构，多电平储能型系统能够有效结合内部环流与电池组内BMS均衡控制，但是，如何对多电平储能型电动汽车的直流充电进行优化控制并提高电池组能量利用效率是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理且能够提高电池组能量利用效率的多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统及方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统，包括第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一电流检测模块、SOC检测模块、损耗计算模块和开关信号生成模块；

所述第一电压检测模块与直流充电桩相连接用于采集直流充电桩侧输出电压信号；所述第二电压检测模块与多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂相连接，用于采集桥臂子模块电池组电压信号；

所述第一电流检测模块与直流充电桩相连接用于测量直流充电桩侧输入/输出电流信号；

所述SOC检测模块与多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂相连接，用于采集桥臂子模块电池组的SOC值；

所述第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一电流检测模块的输出端连接至损耗比较模块；

所述开关信号生成模块的两个输入端与损耗比较模块的输出端、SOC检测模块的输出端相连接，产生开关驱动信号并传送给多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂实现优化控制功能。

所述多电平储能型电动汽车拓扑包含三相六组桥臂，每相桥臂均由上、下两组桥臂及与其连接的滤波器组成，每组桥臂均由N个子模块串联组成。

所述桥臂子模块由电池组与半桥电路并联组成，所述电池组内包含BMS均衡电路。

一种多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过第一电压检测模块、第一电流检测模块分别检测直流充电桩侧电压、电流，通过第二电压检测模块检测电池组电压，并将检测结果输出至损耗计算模块，得到开关导通损耗、开关损耗和电池组损耗；

步骤2、当桥臂子模块接入个数发生变化时，比较系统的整体损耗，从中选取损耗值最低情况对应的子模块接入个数N*；

步骤3、通过SOC检测模块检测每相桥臂电池组SOC，并按照由低到高排序；

步骤4、开关信号生成模块根据步骤2中确定的最优子模块接入个数N*，结合步骤3中的排序结果，从中选取SOC较小的N*个子模块进行接入；待该部分电池组充电完成后，再由每相余下电池组中选取SOC较小的N*个子模块接入，直至所有电池组充电完成。

所述步骤2的具体实现方法为：

在保证直流充电桩电压V_dc不大于电池组侧直流电压2N_group*V_bat的情况下，分别计算2N，2N-1，2N-2......个子模块接入情况下的系统损耗值，从中选取损耗最小情况对应的N*值。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其通过第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一电流检测模块、SOC检测模块对直流充电桩及多电平储能型电动汽车拓扑进行数据采集，并通过损耗计算模块计算每相桥臂不同子模块接入个数下储能系统的整体损耗，从中选取损耗最小情况对应的子模块接入个数N*，并结合SOC排序结果，采用循环充电模式实现电池组充电，提高了多电平储能型电动汽车的充电效率，可广泛用于多电平储能型电动汽车充电控制领域。

附图说明

图1为典型电动汽车内部拓扑结构；

图2为多电平储能型电动汽车内部拓扑图；

图3为多电平储能型电动汽车等效直流充电拓扑图；

图4为多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

本发明是对图2所示的多电平储能型电动汽车内部拓扑进行控制，该多电平储能型电动汽车内部拓扑将电机驱动电路、交/直流充电电路合二为一。通过充分利用系统环流，实现电池组间的能量传输，而BMS芯片只需负责电池组内部单体电池间SOC均衡，整体均衡效果大幅度提升。

图3为多电平储能型结构的等效直流充电模型，可等效于常规DC/DC电路。现有SOC均衡控制策略中，每相桥臂中2N个子模块全部接入，尚未考虑系统损耗影响。

基于上述说明，本发明提出一种多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统，如图4所示，该控制系统下的多电平储能型电动汽车拓扑包含三相六组桥臂，每相桥臂均由上、下两组桥臂及与其连接的滤波器组成，每组桥臂均由N个子模块串联组成，桥臂子模块由电池组与半桥电路并联组成，电池组内包含BMS均衡电路。多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统包括两个电压检测模块(第一电压检测模块，第二电压检测模块)、一个电压检测模块(第一电流检测模块)、SOC检测模块、损耗计算模块和开关信号生成模块。

所述第一电压检测模块与直流充电桩相连接用于采集直流充电桩侧输出电压信号；所述第二电压检测模块与多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂相连接，用于采集子模块电池组电压信号。

所述第一电流检测模块与直流充电桩相连接用于测量直流充电桩侧输入/输出电流信号。

所述SOC检测模块与多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂相连接，用于采集子模块电池组的SOC值。

所述第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一电流检测模块的输出端连接至损耗比较模块；

所述开关信号生成模块的两个输入端与损耗比较模块的输出端、SOC检测模块的输出端相连接，产生开关驱动信号并传送给多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂实现优化控制功能。

一种多电平储能型电动汽车直流充电优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1、检测直流充电桩侧电压、电流，检测电池组电压，输出连接至损耗计算模块，得到开关导通损耗、开关损耗和电池组损耗；

步骤2、桥臂子模块接入个数发生变化时，比较系统的整体损耗，从中选取损耗值最低情况对应的子模块接入个数N*；具体实现方法为：

在保证直流充电桩电压V_dc不大于电池组侧直流电压情2N_group*V_bat况下，分别计算2N，2N-1，2N-2......个子模块接入情况下的系统损耗值，从中选取损耗最小情况对应的N*值；

步骤3、检测每相桥臂电池组SOC，并按照由低到高排序；

步骤4、根据步骤2中确定的最优子模块接入个数N*，结合步骤3中的排序结果，从中选取SOC较小的N*个子模块进行接入。待该部分电池组充电完成后，再由每相余下电池组中选取SOC较小的N*个子模块接入，直至所有电池组充电完成。

本发明工作原理为：

直流充电模式下的多电平储能型电动汽车拓扑结构如图2所示，其可等效于DC/DC升压电路，如图3所示。在DC/DC升压电路输出电压变化范围内，每相桥臂子模块接入个数可灵活调整。现有SOC均衡控制策略中，每相桥臂中2N个子模块全部接入，尚未考虑系统损耗问题。当桥臂中子模块接入个数发生变化时，桥臂电流也会发生变化，进而影响开关器件损耗和电池内阻损耗。本发明基于上述问题出发，提出一种效率优化型直流充电控制方法。首先对系统损耗进行计算，图3中V_dc为直流充电桩输出电压，I_dc为直流充电桩输出电流，V_bat为电池组电压，I_{dc_x}(x＝a,b,c)为桥臂直流充电电流。假定电池组特性一致，SOC均衡状态下，每相桥臂电流保持一致，即I_{dc_a}＝I_{dc_b}＝I_{dc_c}。忽略系统损耗时，充电桩侧输出功率与电池组吸收功率保持一致，即：

开关器件的导通损耗为

其中R_DS为开关通态电阻，D＝V_dc/2N_group·V_bat为系统等效占空比；

开关器件的开关损耗为

其中T_{sw_on}和T_{sw_off}分别为开关器件的开通和关断时间，f_sw为开关频率；

电池组的内阻损耗为

其中R_bat为电池组内阻。

将公式(2)、(3)、(4)进行叠加，即可得到系统的整体损耗。分别计算N_group取不同数值时的系统损耗，并从中选取损耗最小情况下对应的子模块接入个数N*。

结合SOC排序结果，从中选取SOC较小的N*个子模块进行接入。待该部分充电完成后，从每相桥臂余下的子模块中再选取N*个进行接入，如此反复，直至系统充电完成。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统的控制方法，所述多电平储能型电动汽车直流充电优化控制系统包括第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一电流检测模块、SOC检测模块、损耗计算模块和开关信号生成模块；所述第一电压检测模块与直流充电桩相连接用于采集直流充电桩侧输出电压信号；所述第二电压检测模块与多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂相连接，用于采集桥臂子模块电池组电压信号；所述第一电流检测模块与直流充电桩相连接用于测量直流充电桩侧输入/输出电流信号；所述SOC检测模块与多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂相连接，用于采集桥臂子模块电池组的SOC值；所述第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一电流检测模块的输出端连接至损耗计算模块；所述开关信号生成模块的两个输入端与损耗计算模块的输出端、SOC检测模块的输出端相连接，产生开关驱动信号并传送给多电平储能型电动汽车拓扑的桥臂实现优化控制功能；其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、通过第一电压检测模块、第一电流检测模块分别检测直流充电桩侧电压、电流，通过第二电压检测模块检测电池组电压，并将检测结果输出至损耗计算模块，得到开关导通损耗、开关损耗和电池组损耗；

步骤2、当桥臂子模块接入个数发生变化时，比较系统的整体损耗，从中选取损耗值最低情况对应的子模块接入个数N*；

步骤3、通过SOC检测模块检测每相桥臂电池组SOC，并按照由低到高排序；

步骤4、开关信号生成模块根据步骤2中确定的最优子模块接入个数N*，结合步骤3中的排序结果，从中选取SOC较小的N*个子模块进行接入；待该部分电池组充电完成后，再由每相余下电池组中选取SOC较小的N*个子模块接入，直至所有电池组充电完成。