基于九開關(guān)變換器的集成車載充電器的研究

劉陵順, 呂興賀, 雷嬌, 李顯龍, 胡光

(1.海軍航空大學(xué) 控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001;2.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51377168)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電動(dòng)汽車的發(fā)展越來越引起大家的重視。目前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車的電池充電器主要有快速非車載直流充電器和慢速車載交流充電器兩種類型[1]7244?？焖俜擒囕d直流充電器最大的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)電池進(jìn)行快速充電，但是當(dāng)電池快沒電時(shí)，駕駛員必須根據(jù)充電站的位置來規(guī)劃行駛路線。慢速車載雖然解決了上述問題，但是其充電速度又非常緩慢。所以三相電源、即插即用、車載的、快速充電的解決方案是電動(dòng)汽車一個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域[2]5326，這些解決方案將會(huì)為駕駛員帶來更靈活便捷的充電，只要有三相電輸出即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的充電。

目前大多數(shù)的電動(dòng)汽車均采用感應(yīng)或永磁同步類型的電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)[3]。然而，包括在文獻(xiàn)[4-8]中雖然利用了所提類型的電機(jī)，但是只有少數(shù)的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電。此外，大多數(shù)的解決方案要求電機(jī)在充電過程中機(jī)械鎖定，因?yàn)樵诔潆娺^程中會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，這將導(dǎo)致電機(jī)效率降低，同時(shí)增加了損耗。

需要注意的是，在充電過程中電機(jī)一般都是閑置的。因此，如果將電機(jī)集成到充電過程，那將大大降低生產(chǎn)成本,同時(shí)降低了汽車的質(zhì)量，節(jié)省了空間[1]7244。由于非對(duì)稱六相電機(jī)具有低成本、低相電壓和相電流、可消除高次諧波的附加轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)[9]，同時(shí)采用九開關(guān)變換器(Nine-Switch Converter,NSC)可減少充電器的體積和質(zhì)量[2]5328，因此，文中提出了一種將九開關(guān)變換器和非對(duì)稱六相電機(jī)集成到充電過程的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電驅(qū)動(dòng)一體化。

1 充電器的模型及其工作原理

文中提出一體化充電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以工作在驅(qū)動(dòng)和充電兩種模式中，其中，在驅(qū)動(dòng)模式中開關(guān)S1～S4是閉合的，六相電機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的中性點(diǎn)，電源被隔離開。在充電模式中需要開關(guān)S1～S4全部打開，NSC的中間開關(guān)SM1、SM2和SM3是持續(xù)導(dǎo)通的[2]5328(相當(dāng)于導(dǎo)線)，需要注意的是，通過相位移原理，六相電機(jī)的上面三相連接方式為a到a，b到b，c到c；而下面三相的連接方式為a到d，b到f，c到e。連接方式如圖1所示。文中只討論充電過程，驅(qū)動(dòng)過程先不予以討論。

圖1 一體化充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

眾所周知，當(dāng)三相電流通過電機(jī)繞組時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而按照上述的連接方式，上下兩個(gè)三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大小相等且旋轉(zhuǎn)方向相反，使得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互抵消，從而不能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此使得電機(jī)保持靜止?fàn)顟B(tài)，其原理如圖2所示。同時(shí)電機(jī)的定子繞組相當(dāng)于濾波電感，避免了外加濾波裝置，因此降低了電動(dòng)汽車的質(zhì)量和成本。

圖2 兩套繞組裝置的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

上述理論分析的公式推導(dǎo)證明如下。非對(duì)稱電機(jī)變換矩陣為：

(1)

此非對(duì)稱六相電機(jī)具有兩個(gè)獨(dú)立的中性點(diǎn)，兩個(gè)三相繞組之間的相位差為θ=30°，它們可以構(gòu)成三個(gè)相互正交的子空間，即αβ子空間：V1=spaneα,eβ；xy子空間：V2=spanex,ey；o1o2子空間：V3=spaneo1,eo2。因?yàn)殡姍C(jī)在充電模式的運(yùn)行情況可以通過非對(duì)稱六相電機(jī)系統(tǒng)的二維空間向量進(jìn)行評(píng)估[10]，所以零序輸入向量全部控制為零。因此電壓、電流等變量可以表示為：

(2)

其中

a=expjθ=cosθ+jsinθ,θ=30°

(3)

電網(wǎng)電流公式給出如下：

(4)

根據(jù)圖1電機(jī)繞組和電網(wǎng)相電流的關(guān)系，可以得出：

(5)

把式(4)和式(5)代入式(2)，可得到如下公式：

(6)

(7)

從式(6)可以看出，α分量與β分量的比值為α/β=0.966/0.259≈3.73，所以α分量約為β分量的3.73倍。因此這兩個(gè)分量是成比例的，也就是說有一部分勵(lì)磁從轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的平面轉(zhuǎn)移到了非轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的平面，因此勵(lì)磁在轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的平面(αβ)是脈動(dòng)的，所以在電機(jī)中不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而電機(jī)保持靜止?fàn)顟B(tài)。所以前面的理論分析成立。

2 充電模式的控制算法

通過圖1可以看出，相同電流流過的兩個(gè)電機(jī)繞組相當(dāng)于并聯(lián)關(guān)系，而充電過程九開關(guān)變換器中間開關(guān)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以充電過程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以等效為圖3所示的電路圖。

圖3 充電模式等效圖

從圖3所示的等效充電電路圖可以進(jìn)一步等效，如圖4所示。對(duì)充電器的控制相當(dāng)于對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三相電壓源整流器(VSR)的控制。因此可以采用典型的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)的電壓定向控制[11-12]，電壓外環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相VSR直流側(cè)電壓的控制，電流內(nèi)環(huán)根據(jù)電壓外環(huán)輸出的電流指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制?？刂扑惴ㄈ鐖D5所示。

圖4 充電模式進(jìn)一步等效圖

圖5 充電模式控制算法

3 仿真分析

所提出的快速充電器的充電操作模式在MATLAB/Simulink環(huán)境下的仿真結(jié)果在本節(jié)給出。由圖5可知，控制模塊主要包括電壓外環(huán)控制模塊和電流內(nèi)環(huán)控制模塊，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)仿真模塊分別示于圖6和圖7。

圖6 電壓外環(huán)控制模塊

圖7 電流內(nèi)環(huán)控制模塊

仿真參數(shù)給出如下：三相電網(wǎng)是相電壓為240 Vrms;頻率為50 Hz的正弦曲線;變換器的開關(guān)頻率為10 kHz;直流母線電容設(shè)置為C=5.6×10-4F;直流側(cè)電阻設(shè)置為RL=48 Ω;直流母線電壓設(shè)定為600 V;雙三相PMSM參數(shù)為R=0.291 Ω，Ld=Lq=4.586 mH，ψf=0.049 6 Wb，np=2，J=0.052 kg·m2。

仿真結(jié)果見圖8。圖8(a)給出了交流側(cè)三相電源的電流波形，圖8(b)給出了交流側(cè)a相的電壓和電流波形，圖8(c)給出了交流側(cè)電流的dq分量。

圖8 交流側(cè)電壓電流仿真波形

從圖8(b)和圖8(c)可以看出，網(wǎng)側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電壓同相，而且從電流的dq分量可以看出iq=0。這說明所有的能量轉(zhuǎn)換都是通過d軸來完成的，也就意味著充電在單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖9給出了a相電流的傅立葉分析圖，對(duì)a相電流從t=0.1 s開始的3個(gè)周期內(nèi)的仿真波形進(jìn)行了傅立葉分析(FFT analysis)。

圖9 a相電流的傅立葉分析

決定整流系統(tǒng)的整流效果好壞的主要性能指標(biāo)是直流側(cè)的電壓波形。多數(shù)文獻(xiàn)中[13-15]，都是將電機(jī)用電阻和電感代替的。為了驗(yàn)證電機(jī)在此系統(tǒng)的可行性，用電阻和電感代替的整流系統(tǒng)的直流側(cè)的電壓波形和電機(jī)整流充電系統(tǒng)的直流側(cè)的電壓波形分別見圖10和圖11。

需要說明的是，用電阻電感代替的仿真系統(tǒng)的參數(shù)為：R=1 Ω、L=5 mH、直流母線電容設(shè)置為C=5×10-4F，其他參數(shù)與之前設(shè)置一樣。圖10給出了用電阻和電感代替的等效系統(tǒng)的直流側(cè)直流母線電壓的波形，可以看出直流電壓很快就跟隨參考電壓，穩(wěn)定在600 V附近。因此證明了用電阻和電感代替電機(jī)的等效充電系統(tǒng)的可行性與正確性。

圖10 等效系統(tǒng)直流側(cè)電壓

圖11給出了本文所提系統(tǒng)的(電機(jī)接進(jìn)到充電系統(tǒng)中)直流側(cè)的電壓波形。從圖11可以很明顯地看出，其整流效果不如等效系統(tǒng)的整流效果。但是也可以看出通過很短時(shí)間電壓也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)給定電壓的跟隨，在實(shí)際的應(yīng)用中是足夠滿足要求的，因此所提一體化充電系統(tǒng)是可行的。

圖11 所提系統(tǒng)直流側(cè)電壓

圖12 電機(jī)電流αβ分量

圖12給出了電機(jī)電流在αβ坐標(biāo)系下的分量，從圖可以看出αβ分量同相且α分量約為β分量的3.73倍，這與之前的理論推導(dǎo)式(6)是相對(duì)應(yīng)的，因此再一次證明了理論的正確性。所以αβ平面會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生脈動(dòng)的磁場(chǎng)，眾所周知脈動(dòng)磁場(chǎng)在電機(jī)中不能夠產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)在充電過程中保持靜止?fàn)顟B(tài)。

圖13給出了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形，可以看出最開始電機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)過短暫的脈動(dòng)，最終穩(wěn)定在零，因此轉(zhuǎn)速也為零，證明了之前理論推導(dǎo)的正確性。

圖13 電機(jī)轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的電動(dòng)汽車的快速充電器，它可以從標(biāo)準(zhǔn)的三相電網(wǎng)進(jìn)行充電，而且完全集成車載。把九開關(guān)變換器和一臺(tái)雙三相PMSM合并到了充電過程中，避免了額外的電力電子元件的花費(fèi)。并且通過仿真證明了在充電過程中無轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的可行性。