具有功率因數(shù)校正能力的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)溲芯?/h1>
2018-07-05 05:58閆肖梅郭興眾王保興
閆肖梅，郭興眾，王保興
(安徽工程大學(xué)， 安徽 蕪湖 241000)
1 背景
電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)包括地面充電系統(tǒng)(充電樁和大型充電站)和車載充電系統(tǒng)[3-4]。使用地面充電系統(tǒng)時(shí)，電動(dòng)汽車充電地點(diǎn)會(huì)受到很大限制，即使國(guó)家投入巨大的資金配置大量地面充電裝置，還是無(wú)法滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車的使用需求，這為電動(dòng)汽車的普及帶來(lái)不利影響。車載型充電機(jī)是在電動(dòng)汽車上帶有充電機(jī)，其與電網(wǎng)或家用電連接后可直接給鋰電池組充電。車載充電機(jī)用法雖然簡(jiǎn)單方便，但存在成本高、體積大、功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)有諧波污染等不足，且電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)充電裝置閑置，充電時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置閑置，導(dǎo)致兩套裝置的利用率都不高[11-12]，這也成為限制電動(dòng)汽車未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。
隨著制約電動(dòng)汽車發(fā)展因素的出現(xiàn)，在確保電動(dòng)汽車鋰電池組充電性能良好的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了幾種不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。2002年，意大利羅馬大學(xué)機(jī)械與工業(yè)系的Solero提出了一種單相充電一體化系統(tǒng)。2005年，LACRESSONNIERE F和CASSORET B提出了一種工業(yè)卡車專用的具有隔離作用的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包含同步感應(yīng)電機(jī)、三相H橋、電容和鋰電池組[5-6]。2010年，GIANMARIO P等[7]在已有的具有功率因數(shù)校正的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理上進(jìn)行創(chuàng)新，通過(guò)采用嵌入式永磁同步電機(jī)的繞組作為濾波電感，在直流輸出側(cè)接入雙向DC/DC(direct current/direct current)變換器，將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換到需要的電壓等級(jí)，從而靈活地對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。2011年，SAEID H和SONJA L提出了一種特殊的嵌入式永磁同步電機(jī)(interior permanent magnet synchronous motor)，并在此技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了整功率因數(shù)隔離型大功率三相雙向一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-10]。
本文采用的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、永磁同步電機(jī)、DC/DC變換模塊、鋰電池組。在充電時(shí)，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和永磁同步電機(jī)重構(gòu)成PFC變換器，其中永磁同步電機(jī)繞組被當(dāng)作濾波電感使用，外加額外的一些設(shè)備如單相整流橋、濾波器(electromagnetic interference(EMI) filter)、繼電器、電容，它們通過(guò)繼電器閉合后共同組成充電系統(tǒng)。系統(tǒng)采用功率控制方式，根據(jù)輸入功率設(shè)定值控制輸入功率跟隨輸入功率設(shè)定值，使功率因數(shù)達(dá)到1。與傳統(tǒng)方式相比，采用此種方式時(shí)在系統(tǒng)充電過(guò)程中電壓電流紋波較小。此外，應(yīng)用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一體化控制器不需要使用額外的車載充電器，同時(shí)使用電機(jī)繞組充當(dāng)濾波電感避免了外加電感的使用。采用一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制器比原控制器體積小、質(zhì)量比原控制器輕，節(jié)省了車內(nèi)空間和車身質(zhì)量，電動(dòng)汽車的續(xù)航效果更好。本文以1個(gè)電機(jī)為例進(jìn)行研究，2個(gè)電機(jī)的情況與1個(gè)電機(jī)相同。
2 一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的車載電池充電器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是兩個(gè)獨(dú)立裝置，如圖1所示。當(dāng)電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，充電器閑置；當(dāng)電動(dòng)汽車停車充電時(shí)，驅(qū)動(dòng)器閑置，這使得兩套裝置的利用率都不高。
圖1 傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車牽引和充電框圖
為解決傳統(tǒng)電動(dòng)汽車存在的問(wèn)題，本文提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括單相整流橋、濾波器(EMI filter)、繼電器、電容、永磁同步電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、全橋DC/DC變換模塊、鋰電池組模塊，如圖2所示。一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用電動(dòng)汽車停車時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)閑置的特點(diǎn)，通過(guò)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)重構(gòu)成充電系統(tǒng)中的 PFC變換器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電。全橋雙向DC/DC變換模塊用來(lái)調(diào)節(jié)直流母線電壓值，使其滿足鋰電池組充電所需的電壓。
圖2 充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
當(dāng)電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，繼電器斷開，單相整流橋停止工作，驅(qū)動(dòng)模式等效圖如圖3所示。當(dāng)電動(dòng)汽車低速行駛時(shí)，全橋DC/DC模塊處于全通狀態(tài)，此時(shí)鋰電池組直接給三相變換模塊供電，三相變換模塊處于逆變狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速運(yùn)行；當(dāng)電動(dòng)汽車高速行駛時(shí)，全橋DC/DC模塊工作于斬波升壓方式，兩路斬波升壓以開關(guān)周期的1/2時(shí)延錯(cuò)開控制，減小了系統(tǒng)電流紋波。當(dāng)需要電機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，在低轉(zhuǎn)速情況下，全橋DC/DC模塊工作于全通狀態(tài)；在高轉(zhuǎn)速情況下，全橋DC/DC模塊工作于反向斬波降壓方式，兩路斬波降壓以開關(guān)周期的1/2時(shí)延錯(cuò)開進(jìn)行降壓斬波工作,從而減小系統(tǒng)的紋波電流。當(dāng)電機(jī)需要自由滑行時(shí)，關(guān)閉全橋DC/DC模塊和三相變換模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)電流自由滑行。
刑法具有規(guī)范性和穩(wěn)定性，刑法立法也具有滯后性，這正是刑事立法政策發(fā)揮指導(dǎo)作用的價(jià)值空間。然而伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和法治文明的進(jìn)步，刑事立法政策在蓬勃發(fā)展的同時(shí)，卻出現(xiàn)了兩種悖論:在自由主義刑法觀的提倡下，刑事立法政策“向客觀主義傾斜”的趨勢(shì)和民眾要求參與立法政策制定的呼聲日益高漲;刑事立法政策維護(hù)社會(huì)秩序、保障公民自由的目標(biāo)和民眾表達(dá)意愿的方式有限。民眾的聲音不僅僅涉及司法、執(zhí)法領(lǐng)域，而且將目光越來(lái)越多地延伸至立法領(lǐng)域。如何正視這一沖突，成為刑事政策學(xué)發(fā)展所面臨的新難題。要解決這一問(wèn)題首先應(yīng)從刑事立法政策自身的價(jià)值出發(fā)，探究其民意考量的合理性和必要性。
圖3 驅(qū)動(dòng)模式等效電路
電動(dòng)汽車停車充電時(shí)，繼電器關(guān)閉，交流電先后經(jīng)過(guò)EMI濾波和單相整流橋整流成直流電。直流電經(jīng)過(guò)永磁同步電機(jī)中性點(diǎn)N進(jìn)入PFC變換模塊，如圖4所示。通過(guò)電機(jī)繞組的電流經(jīng)矢量控制將繞組中的漏感和勵(lì)磁電感中的電流調(diào)節(jié)到0，使得三相電流達(dá)到均流狀態(tài)，電機(jī)三相電流相互抵消，電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)；再通過(guò)合適的控制策略控制PFC變換模塊將直流源調(diào)節(jié)成恒定的直流電；最后通過(guò)全橋DC/DC變換模塊靈活地調(diào)節(jié)直流母線電壓，獲得鋰電池組充電各個(gè)階段需要的電壓。
圖4 充電模式等效電路
3 充電狀態(tài)各工作模態(tài)
如圖4所示，充電時(shí)交流源先經(jīng)過(guò)單相整流橋、濾波器(EMI filter)整流成直流源，并向電容C充電，電容C起到濾波、穩(wěn)壓的效果；然后通過(guò)PFC變換模塊和適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫⒅绷髟凑{(diào)節(jié)成恒定的直流電；再通過(guò)全橋DC/DC變換模塊將直流母線電壓調(diào)節(jié)成鋰電池組充電各階段需要的電壓值，其中PFC變換模塊如圖5所示。
圖5 PFC變換模塊
在充電過(guò)程中，PFC變換器不使用上橋臂，下橋臂以開關(guān)周期的1/3時(shí)延錯(cuò)開進(jìn)行控制，母線電流為流經(jīng)電機(jī)三相繞組的電流疊加。圖6為PFC變換器下橋臂開關(guān)管在3種導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)下各相電感電流的變化情況,其中ia、ib、ic分別為流經(jīng)永磁同步電機(jī)繞組a相、b相、c相的電流值。
圖6 三相電感電流變化
設(shè)電機(jī)三相繞組電流分別為ia、ib、ic，三相繞組上電壓分別為ua、ub、uc。假設(shè)電機(jī)繞組自感值為L(zhǎng)，互感值為M，電機(jī)具有對(duì)稱的繞組和磁路，忽略鐵芯飽和，在渦流耗損、磁滯耗損不計(jì)的情況下，永磁同步電機(jī)各相繞組的電壓方程如式(1)所示。
(1)
3.1 模態(tài)1
如圖6所示，在模態(tài)1中，三相變換器與a相相連的下橋臂開關(guān)管S1導(dǎo)通，電源給電感充電，電感上的電流線性增加，電感La的端電壓為Vn，Lb、Lc的端電壓均為Vn-Vc，將La、Lb、Lc的端電壓值ua、ub、uc代入式(1)解方程組可得：
(2)
3.2 模態(tài)2
在該模態(tài)中，三相變換器與b相相連的下橋臂開關(guān)管S2開通，電源給電感充電，電感上的電流線性增加，電感Lb的端電壓為Vn，La、Lc的端電壓均為Vn-Vc，將La、Lb、Lc的端電壓值ua、ub、uc代入式(1)中，解方程組可得：
(3)
3.3 模態(tài)3
在該模態(tài)中，三相變換器與c相相連的下橋臂開關(guān)管S3導(dǎo)通，電源給電感充電，電感上的電流線性增加，電感Lc的端電壓為Vn，Lb、Lc的端電壓均為Vn-Vc，將La、Lb、Lc的端電壓值ua、ub、uc代入式(1)中，解方程組可得：
(4)
綜合以上分析可知：當(dāng)S1、S2、S3處于開通狀態(tài)時(shí)，與其相連的電機(jī)繞組電感值都是相等的。由于永磁同步電機(jī)具有各向異性，電機(jī)每一相繞組的電感值與電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角是有關(guān)系的。圖7所示是參考軸的定義。圖8是IPM電機(jī)電感值與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系，其中Lma、Lmb、Lmc分別為永磁同步電機(jī)繞a相、b相、c相電感值，Lmbc、Lmca、Lmab分別為b相與c相、c相與a相、a相與b相電感值的差值。當(dāng)電機(jī)某一相與d軸重合時(shí)電機(jī)繞組的電感值最小，此時(shí)電流紋波最大；當(dāng)電機(jī)某一相與q軸重合時(shí)電機(jī)繞組的電感值最大，此時(shí)電流紋波最小。在充電過(guò)程中，當(dāng)PFC變換器與a相相連的下橋臂開關(guān)管S1開通時(shí)，電機(jī)的a相與q軸重合，b相、c相與a相的情況相同。通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中電流紋波最小的目的。
圖7 參考軸的定義
圖8 不同轉(zhuǎn)子位置角下永磁同步電機(jī)電感
4 控制策略
電動(dòng)汽車工作于驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，采用矢量控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)行。
在充電過(guò)程中，電池作為充電過(guò)程的負(fù)載，通過(guò)對(duì)其充電過(guò)程中電壓電流特性曲線的分析可以得到功率特性曲線。通過(guò)功率特性曲線對(duì)PFC 變換器采用功率控制，避免了使用傳統(tǒng)的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方式。對(duì)PFC 變換器采用功率控制不僅簡(jiǎn)化了控制電路的復(fù)雜程度，而且解決了電壓外環(huán)寬帶低對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。
在 PFC 變換器中，假設(shè)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸入功率因數(shù)為1，即變換器輸入電壓和輸入電流表達(dá)式為：
vin=Vinsinwt
(5)
iin=Iinsinwt
(6)
式中：vin為輸入瞬時(shí)電壓；iin為輸入瞬時(shí)電流；Vin為輸入電壓幅值；Iin為輸入電流幅值；w為電網(wǎng)的角頻率。
變換器輸入功率表達(dá)式為
Pin=viniin=VinIinsin2wt
(7)
式中Pin為輸入瞬時(shí)功率。從而推導(dǎo)出變換器輸入功率的表達(dá)式為
(8)
由此可以看出：在PFC變換器滿足單位功率因數(shù)時(shí)，變換器輸入功率由直流分量和二倍頻脈動(dòng)分量組成。根據(jù)瞬時(shí)輸入、輸出功率的平衡關(guān)系，假設(shè)輸入功率的二倍頻脈動(dòng)分量由輸出電容完全吸收，直流分量全部輸出為輸出功率Po，則Po可以表示為
(9)
輸入功率的瞬時(shí)值表示為
(10)
若將輸入功率的參考值yd表示為
(11)
根據(jù)車載充電機(jī) PFC變換器瞬時(shí)輸出功率的要求，按照式(11)表示的輸入功率參考值，控制輸入功率跟蹤輸入功率參考值即可使功率因數(shù)達(dá)到1。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)和控制策略進(jìn)行Simulink仿真。在充電過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流電機(jī)重構(gòu)成PFC變換器，減少了電網(wǎng)諧波電流的注入，提高了變換器的利用率和效率。如圖9所示，紅色代表電網(wǎng)側(cè)電流波形，黑色代表電網(wǎng)側(cè)電壓波形，輸入的電壓和電流具有相同的相位，滿足了功率因數(shù)為1的要求，滿足了國(guó)家及國(guó)際組織制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)。
圖9 交流電壓電流輸入波形(實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能)
圖10、11分別為傳統(tǒng)的鋰電池組充電和本文的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鋰電池組充電電壓、電流對(duì)比圖。從圖10(a)可以看出，傳統(tǒng)充電方式中鋰電池組充電電壓波動(dòng)較大，對(duì)鋰電池組的額定使用壽命有較大影響；從圖10(b)可以看出，采用一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制策略時(shí)鋰電池組的充電電壓波動(dòng)較小，較穩(wěn)定，在充電的過(guò)程中對(duì)鋰電池組的傷害較小，電動(dòng)汽車使用時(shí)間更長(zhǎng)。圖11(a)代表傳統(tǒng)方式下鋰電池組充電電流，圖11(b)代表本文的一體化拓?fù)浞绞较落囯姵亟M充電電流，可以看出，(b)圖的紋波明顯小于(a)圖，充電效率明顯提高。充電效率對(duì)比見圖12，其中曲線1為本文的一體化裝置充電效率，曲線2為傳統(tǒng)方式充電效率。以上對(duì)比表明，在本文的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，鋰電池組的充電電壓、電流更加穩(wěn)定，充電效率更高。
圖10 充電電壓對(duì)比
圖11 充電電流對(duì)比
圖12 充電效率
6 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行；充電時(shí)，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)重構(gòu)成鋰電池組充電系統(tǒng)的PFC變換器，其中交流電機(jī)繞組充當(dāng)濾波電感。本文重點(diǎn)分析了重構(gòu)的PFC變換器部分，并建立了電機(jī)繞組充當(dāng)濾波電感的數(shù)學(xué)模型。采用功率控制方式，使輸入功率跟隨輸入功率參考值，從理論上證明了功率因數(shù)能達(dá)到1，同時(shí)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論是成立的。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能降低電網(wǎng)諧波污染，也能提高鋰電池組的充電效率。綜上所述，本文中設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)充電一體化結(jié)構(gòu)具有一定的應(yīng)用前景。
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1 背景
電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)包括地面充電系統(tǒng)(充電樁和大型充電站)和車載充電系統(tǒng)[3-4]。使用地面充電系統(tǒng)時(shí)，電動(dòng)汽車充電地點(diǎn)會(huì)受到很大限制，即使國(guó)家投入巨大的資金配置大量地面充電裝置，還是無(wú)法滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車的使用需求，這為電動(dòng)汽車的普及帶來(lái)不利影響。車載型充電機(jī)是在電動(dòng)汽車上帶有充電機(jī)，其與電網(wǎng)或家用電連接后可直接給鋰電池組充電。車載充電機(jī)用法雖然簡(jiǎn)單方便，但存在成本高、體積大、功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)有諧波污染等不足，且電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)充電裝置閑置，充電時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置閑置，導(dǎo)致兩套裝置的利用率都不高[11-12]，這也成為限制電動(dòng)汽車未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。
隨著制約電動(dòng)汽車發(fā)展因素的出現(xiàn)，在確保電動(dòng)汽車鋰電池組充電性能良好的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了幾種不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。2002年，意大利羅馬大學(xué)機(jī)械與工業(yè)系的Solero提出了一種單相充電一體化系統(tǒng)。2005年，LACRESSONNIERE F和CASSORET B提出了一種工業(yè)卡車專用的具有隔離作用的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包含同步感應(yīng)電機(jī)、三相H橋、電容和鋰電池組[5-6]。2010年，GIANMARIO P等[7]在已有的具有功率因數(shù)校正的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理上進(jìn)行創(chuàng)新，通過(guò)采用嵌入式永磁同步電機(jī)的繞組作為濾波電感，在直流輸出側(cè)接入雙向DC/DC(direct current/direct current)變換器，將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換到需要的電壓等級(jí)，從而靈活地對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。2011年，SAEID H和SONJA L提出了一種特殊的嵌入式永磁同步電機(jī)(interior permanent magnet synchronous motor)，并在此技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了整功率因數(shù)隔離型大功率三相雙向一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-10]。
本文采用的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、永磁同步電機(jī)、DC/DC變換模塊、鋰電池組。在充電時(shí)，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和永磁同步電機(jī)重構(gòu)成PFC變換器，其中永磁同步電機(jī)繞組被當(dāng)作濾波電感使用，外加額外的一些設(shè)備如單相整流橋、濾波器(electromagnetic interference(EMI) filter)、繼電器、電容，它們通過(guò)繼電器閉合后共同組成充電系統(tǒng)。系統(tǒng)采用功率控制方式，根據(jù)輸入功率設(shè)定值控制輸入功率跟隨輸入功率設(shè)定值，使功率因數(shù)達(dá)到1。與傳統(tǒng)方式相比，采用此種方式時(shí)在系統(tǒng)充電過(guò)程中電壓電流紋波較小。此外，應(yīng)用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一體化控制器不需要使用額外的車載充電器，同時(shí)使用電機(jī)繞組充當(dāng)濾波電感避免了外加電感的使用。采用一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制器比原控制器體積小、質(zhì)量比原控制器輕，節(jié)省了車內(nèi)空間和車身質(zhì)量，電動(dòng)汽車的續(xù)航效果更好。本文以1個(gè)電機(jī)為例進(jìn)行研究，2個(gè)電機(jī)的情況與1個(gè)電機(jī)相同。
2 一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的車載電池充電器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是兩個(gè)獨(dú)立裝置，如圖1所示。當(dāng)電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，充電器閑置；當(dāng)電動(dòng)汽車停車充電時(shí)，驅(qū)動(dòng)器閑置，這使得兩套裝置的利用率都不高。
圖1 傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車牽引和充電框圖
為解決傳統(tǒng)電動(dòng)汽車存在的問(wèn)題，本文提出的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括單相整流橋、濾波器(EMI filter)、繼電器、電容、永磁同步電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、全橋DC/DC變換模塊、鋰電池組模塊，如圖2所示。一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用電動(dòng)汽車停車時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)閑置的特點(diǎn)，通過(guò)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)重構(gòu)成充電系統(tǒng)中的 PFC變換器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電。全橋雙向DC/DC變換模塊用來(lái)調(diào)節(jié)直流母線電壓值，使其滿足鋰電池組充電所需的電壓。
圖2 充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
當(dāng)電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，繼電器斷開，單相整流橋停止工作，驅(qū)動(dòng)模式等效圖如圖3所示。當(dāng)電動(dòng)汽車低速行駛時(shí)，全橋DC/DC模塊處于全通狀態(tài)，此時(shí)鋰電池組直接給三相變換模塊供電，三相變換模塊處于逆變狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速運(yùn)行；當(dāng)電動(dòng)汽車高速行駛時(shí)，全橋DC/DC模塊工作于斬波升壓方式，兩路斬波升壓以開關(guān)周期的1/2時(shí)延錯(cuò)開控制，減小了系統(tǒng)電流紋波。當(dāng)需要電機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，在低轉(zhuǎn)速情況下，全橋DC/DC模塊工作于全通狀態(tài)；在高轉(zhuǎn)速情況下，全橋DC/DC模塊工作于反向斬波降壓方式，兩路斬波降壓以開關(guān)周期的1/2時(shí)延錯(cuò)開進(jìn)行降壓斬波工作,從而減小系統(tǒng)的紋波電流。當(dāng)電機(jī)需要自由滑行時(shí)，關(guān)閉全橋DC/DC模塊和三相變換模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)電流自由滑行。
刑法具有規(guī)范性和穩(wěn)定性，刑法立法也具有滯后性，這正是刑事立法政策發(fā)揮指導(dǎo)作用的價(jià)值空間。然而伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和法治文明的進(jìn)步，刑事立法政策在蓬勃發(fā)展的同時(shí)，卻出現(xiàn)了兩種悖論:在自由主義刑法觀的提倡下，刑事立法政策“向客觀主義傾斜”的趨勢(shì)和民眾要求參與立法政策制定的呼聲日益高漲;刑事立法政策維護(hù)社會(huì)秩序、保障公民自由的目標(biāo)和民眾表達(dá)意愿的方式有限。民眾的聲音不僅僅涉及司法、執(zhí)法領(lǐng)域，而且將目光越來(lái)越多地延伸至立法領(lǐng)域。如何正視這一沖突，成為刑事政策學(xué)發(fā)展所面臨的新難題。要解決這一問(wèn)題首先應(yīng)從刑事立法政策自身的價(jià)值出發(fā)，探究其民意考量的合理性和必要性。
圖3 驅(qū)動(dòng)模式等效電路
電動(dòng)汽車停車充電時(shí)，繼電器關(guān)閉，交流電先后經(jīng)過(guò)EMI濾波和單相整流橋整流成直流電。直流電經(jīng)過(guò)永磁同步電機(jī)中性點(diǎn)N進(jìn)入PFC變換模塊，如圖4所示。通過(guò)電機(jī)繞組的電流經(jīng)矢量控制將繞組中的漏感和勵(lì)磁電感中的電流調(diào)節(jié)到0，使得三相電流達(dá)到均流狀態(tài)，電機(jī)三相電流相互抵消，電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)；再通過(guò)合適的控制策略控制PFC變換模塊將直流源調(diào)節(jié)成恒定的直流電；最后通過(guò)全橋DC/DC變換模塊靈活地調(diào)節(jié)直流母線電壓，獲得鋰電池組充電各個(gè)階段需要的電壓。
圖4 充電模式等效電路
3 充電狀態(tài)各工作模態(tài)
如圖4所示，充電時(shí)交流源先經(jīng)過(guò)單相整流橋、濾波器(EMI filter)整流成直流源，并向電容C充電，電容C起到濾波、穩(wěn)壓的效果；然后通過(guò)PFC變換模塊和適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫⒅绷髟凑{(diào)節(jié)成恒定的直流電；再通過(guò)全橋DC/DC變換模塊將直流母線電壓調(diào)節(jié)成鋰電池組充電各階段需要的電壓值，其中PFC變換模塊如圖5所示。
圖5 PFC變換模塊
在充電過(guò)程中，PFC變換器不使用上橋臂，下橋臂以開關(guān)周期的1/3時(shí)延錯(cuò)開進(jìn)行控制，母線電流為流經(jīng)電機(jī)三相繞組的電流疊加。圖6為PFC變換器下橋臂開關(guān)管在3種導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)下各相電感電流的變化情況,其中ia、ib、ic分別為流經(jīng)永磁同步電機(jī)繞組a相、b相、c相的電流值。
圖6 三相電感電流變化
設(shè)電機(jī)三相繞組電流分別為ia、ib、ic，三相繞組上電壓分別為ua、ub、uc。假設(shè)電機(jī)繞組自感值為L(zhǎng)，互感值為M，電機(jī)具有對(duì)稱的繞組和磁路，忽略鐵芯飽和，在渦流耗損、磁滯耗損不計(jì)的情況下，永磁同步電機(jī)各相繞組的電壓方程如式(1)所示。
(1)
3.1 模態(tài)1
如圖6所示，在模態(tài)1中，三相變換器與a相相連的下橋臂開關(guān)管S1導(dǎo)通，電源給電感充電，電感上的電流線性增加，電感La的端電壓為Vn，Lb、Lc的端電壓均為Vn-Vc，將La、Lb、Lc的端電壓值ua、ub、uc代入式(1)解方程組可得：
(2)
3.2 模態(tài)2
在該模態(tài)中，三相變換器與b相相連的下橋臂開關(guān)管S2開通，電源給電感充電，電感上的電流線性增加，電感Lb的端電壓為Vn，La、Lc的端電壓均為Vn-Vc，將La、Lb、Lc的端電壓值ua、ub、uc代入式(1)中，解方程組可得：
(3)
3.3 模態(tài)3
在該模態(tài)中，三相變換器與c相相連的下橋臂開關(guān)管S3導(dǎo)通，電源給電感充電，電感上的電流線性增加，電感Lc的端電壓為Vn，Lb、Lc的端電壓均為Vn-Vc，將La、Lb、Lc的端電壓值ua、ub、uc代入式(1)中，解方程組可得：
(4)
綜合以上分析可知：當(dāng)S1、S2、S3處于開通狀態(tài)時(shí)，與其相連的電機(jī)繞組電感值都是相等的。由于永磁同步電機(jī)具有各向異性，電機(jī)每一相繞組的電感值與電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角是有關(guān)系的。圖7所示是參考軸的定義。圖8是IPM電機(jī)電感值與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系，其中Lma、Lmb、Lmc分別為永磁同步電機(jī)繞a相、b相、c相電感值，Lmbc、Lmca、Lmab分別為b相與c相、c相與a相、a相與b相電感值的差值。當(dāng)電機(jī)某一相與d軸重合時(shí)電機(jī)繞組的電感值最小，此時(shí)電流紋波最大；當(dāng)電機(jī)某一相與q軸重合時(shí)電機(jī)繞組的電感值最大，此時(shí)電流紋波最小。在充電過(guò)程中，當(dāng)PFC變換器與a相相連的下橋臂開關(guān)管S1開通時(shí)，電機(jī)的a相與q軸重合，b相、c相與a相的情況相同。通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中電流紋波最小的目的。
圖7 參考軸的定義
圖8 不同轉(zhuǎn)子位置角下永磁同步電機(jī)電感
4 控制策略
電動(dòng)汽車工作于驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，采用矢量控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)行。
在充電過(guò)程中，電池作為充電過(guò)程的負(fù)載，通過(guò)對(duì)其充電過(guò)程中電壓電流特性曲線的分析可以得到功率特性曲線。通過(guò)功率特性曲線對(duì)PFC 變換器采用功率控制，避免了使用傳統(tǒng)的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方式。對(duì)PFC 變換器采用功率控制不僅簡(jiǎn)化了控制電路的復(fù)雜程度，而且解決了電壓外環(huán)寬帶低對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。
在 PFC 變換器中，假設(shè)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸入功率因數(shù)為1，即變換器輸入電壓和輸入電流表達(dá)式為：
vin=Vinsinwt
(5)
iin=Iinsinwt
(6)
式中：vin為輸入瞬時(shí)電壓；iin為輸入瞬時(shí)電流；Vin為輸入電壓幅值；Iin為輸入電流幅值；w為電網(wǎng)的角頻率。
變換器輸入功率表達(dá)式為
Pin=viniin=VinIinsin2wt
(7)
式中Pin為輸入瞬時(shí)功率。從而推導(dǎo)出變換器輸入功率的表達(dá)式為
(8)
由此可以看出：在PFC變換器滿足單位功率因數(shù)時(shí)，變換器輸入功率由直流分量和二倍頻脈動(dòng)分量組成。根據(jù)瞬時(shí)輸入、輸出功率的平衡關(guān)系，假設(shè)輸入功率的二倍頻脈動(dòng)分量由輸出電容完全吸收，直流分量全部輸出為輸出功率Po，則Po可以表示為
(9)
輸入功率的瞬時(shí)值表示為
(10)
若將輸入功率的參考值yd表示為
(11)
根據(jù)車載充電機(jī) PFC變換器瞬時(shí)輸出功率的要求，按照式(11)表示的輸入功率參考值，控制輸入功率跟蹤輸入功率參考值即可使功率因數(shù)達(dá)到1。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)驅(qū)動(dòng)充電一體化系統(tǒng)和控制策略進(jìn)行Simulink仿真。在充電過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流電機(jī)重構(gòu)成PFC變換器，減少了電網(wǎng)諧波電流的注入，提高了變換器的利用率和效率。如圖9所示，紅色代表電網(wǎng)側(cè)電流波形，黑色代表電網(wǎng)側(cè)電壓波形，輸入的電壓和電流具有相同的相位，滿足了功率因數(shù)為1的要求，滿足了國(guó)家及國(guó)際組織制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)。
圖9 交流電壓電流輸入波形(實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能)
圖10、11分別為傳統(tǒng)的鋰電池組充電和本文的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鋰電池組充電電壓、電流對(duì)比圖。從圖10(a)可以看出，傳統(tǒng)充電方式中鋰電池組充電電壓波動(dòng)較大，對(duì)鋰電池組的額定使用壽命有較大影響；從圖10(b)可以看出，采用一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制策略時(shí)鋰電池組的充電電壓波動(dòng)較小，較穩(wěn)定，在充電的過(guò)程中對(duì)鋰電池組的傷害較小，電動(dòng)汽車使用時(shí)間更長(zhǎng)。圖11(a)代表傳統(tǒng)方式下鋰電池組充電電流，圖11(b)代表本文的一體化拓?fù)浞绞较落囯姵亟M充電電流，可以看出，(b)圖的紋波明顯小于(a)圖，充電效率明顯提高。充電效率對(duì)比見圖12，其中曲線1為本文的一體化裝置充電效率，曲線2為傳統(tǒng)方式充電效率。以上對(duì)比表明，在本文的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，鋰電池組的充電電壓、電流更加穩(wěn)定，充電效率更高。
圖10 充電電壓對(duì)比
圖11 充電電流對(duì)比
圖12 充電效率
6 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行；充電時(shí)，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)重構(gòu)成鋰電池組充電系統(tǒng)的PFC變換器，其中交流電機(jī)繞組充當(dāng)濾波電感。本文重點(diǎn)分析了重構(gòu)的PFC變換器部分，并建立了電機(jī)繞組充當(dāng)濾波電感的數(shù)學(xué)模型。采用功率控制方式，使輸入功率跟隨輸入功率參考值，從理論上證明了功率因數(shù)能達(dá)到1，同時(shí)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論是成立的。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能降低電網(wǎng)諧波污染，也能提高鋰電池組的充電效率。綜上所述，本文中設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)充電一體化結(jié)構(gòu)具有一定的應(yīng)用前景。
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