- 頭條插電式混合電動汽車的充電控制新方案2021-05-29 作者：銀澤一 王廣柱 程振興 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學）的研究人員銀澤一、王廣柱、程振興，在2020年第6期《電工技術學報》上撰文，針對帶獨立發電機的混聯式插電式混合電動汽車（PHEV），提出一種基于“背靠背”模塊化多電平變換器（MMC）的一體化功率變換器拓撲及其外接單相交流電源充電控制方案。 該方案利用MMC拓撲模塊化結構的優勢，分析了拓撲工作在單相交流充電模式下各橋臂、子模塊的功率流向等特點，基于載波相移正弦脈沖寬度調制，提出適用于該控制策略的正弦半波調制方法，采用基于橋臂電流控制的電池荷電狀態（SOC）層次化均衡策略，無需額外的充電電路以及復雜的電池管理系統（BMS），可實現各電池單元的快速均衡充電，避免因單體電池差異引起的整體儲能系統循環壽命縮減。
在燃油汽車向電動汽車（Electric Vehicle, EV）轉變的進程中，插電式混合電動汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）兼備零排放的運行工況和續航久的優點，在混聯式的結構下能夠在發動機和電動機混合驅動模式下帶動發電機為電池充電，在當下動力電池技術受限，充電樁設施不完善的情況下，不失為該進程中一種很好的過渡選擇。
對于混合電動汽車的車載變換器，目前多采用傳統兩電平背靠背變換器拓撲，但該方案需要額外的電池管理系統（Battery Management System, BMS）。針對車載功率變換器拓撲，國內外專家學者進行了很多研究。
有學者提出利用H橋級聯多電平技術結合DC-DC變換器對動力電池模塊進行能量管理，并引入高、中頻變壓器結構，將BMS系統結合在車載變換器中，提高了電池組的使用壽命和安全可靠性，適用于多種電動汽車。
有學者提出利用模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）作為車載變換器，該一體化拓撲可同時實現BMS、EV電機驅動、電池充電等功能的系統集成。
有學者對包括開關電容型在內的十幾種現有BMS拓撲的各種性能與MMC拓撲進行了對比，結果表明，基于MMC的BMS在體積、成本、均衡時間及效率等方面具有一定的優勢，并且該拓撲具有電池故障隔離及故障冗余處理能力，更重要的是該拓撲采用同一個變換器實現電機驅動和充/放電，而不需增加額外硬件。
此外，由于該方法采用級聯模塊化拓撲結構，可采用低壓開關器件和較低的開關頻率，具有較低的開關損耗，因此，相比兩電平變換器，其輸出電壓和電流具有較低的波形諧波畸變率、dU/dt和電磁干擾，在一定程度上能減少電機諧波損耗。但該拓撲只能提供一個三相交流端口，無法用于帶獨立發電機的混聯式PHEV車載變換器系統。
能夠通過外接電源進行充電是PHEV區別于傳統混合動力汽車的一個顯著優勢，因此充電系統中用來實現電池荷電狀態（State of Charge, SOC）均衡的BMS便是不可或缺的一部分。目前多數動力電池通常采用多個單體電池串聯的形式供電，這就面臨電池個體差異所帶來的電池過充過放現象，降低了電池的使用效率，影響了電池組的循環壽命。因此，通常需要昂貴而復雜的BMS系統來保證電池組的SOC均衡以及車輛的安全運行。
國內外學者針對這一問題提出了很多被動或主動均衡電池SOC的策略。
- 有學者針對由多個單體電池串聯而成的動力電池組的均衡充電控制策略進行了研究，提出了一種在單體電池上通過開關并聯電阻，從而調節單體電池充電電流的耗散型均衡充電控制策略。該方法能夠消除單體電池不一致對電池組循環壽命的影響，提高電池組的充電速度。
- 有學者提出一種利用動力電池組總能量給能量低的單體電池進行電能補充的主動均衡充電策略，該方法需要先將總電池組電壓進行降壓處理，然后對選中的單體電池進行均衡充電，與傳統的耗散型均衡策略相比具有較高的效率，但不可避免地引入了變壓器結構。
- 有學者基于車載MMC變換器拓撲，提出一種主動電池充電的均衡控制策略，證明了該策略可以在最差的電池SOC不均衡狀態進行有效調節，但該方案只適用于具有單臺電機的電動汽車，不能解決混聯式PHEV的充電問題。
綜合現有研究成果和存在的上述問題，以及混聯式PHEV自身結構特點，電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學）的研究人員提出了一種基于“背靠背”MMC的PHEV新型一體化功率變換器拓撲（Back-to-back MMC-Hybrid Electric Vehicle, BMMC- HEV）及其動力電池充電策略。
圖1 BMMC-HEV拓撲
圖2 BMMC-HEV拓撲結構及外接電源充電連接
圖3 SOC均衡層次化控制框圖
該拓撲的兩個三相交流端口可分別連接發電機和驅動電機，無需額外的中間變換器環節，BMMC-HEV既擔任電機驅動系統，又可直接用于PHEV的單相交流充電模式，無需額外的充電電路，有利于整車一體化設計，提高變換器功率密度。
提出的基于層次化控制的動力電池充電策略，結合了該拓撲的優勢，無需復雜的BMS系統，能有效實現各電池單元的SOC均衡控制，且具有較高的功率因數。通過Simulink仿真平臺以及RT-LAB實時仿真器所搭建的硬件在環實驗，驗證了所提均衡充電策略的有效性。
接下來的工作將針對該BMMC-HEV拓撲研究相應的以電池SOC均衡為基礎的電機驅動控制策略。
以上研究成果發表在2020年第6期《電工技術學報》，論文標題為“基于模塊化多電平變換器的插電式混合電動汽車系統充電控制策略”，作者為銀澤一、王廣柱、程振興。
