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插电式混合电动汽车的充电控制新方案
电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学）的研究人员银泽一、王广柱、程振兴，在2020年第6期《电工技术学报》上撰文，针对带独立发电机的混联式插电式混合电动汽车（PHEV），提出一种基于“背靠背”模块化多电平变换器（MMC）的一体化功率变换器拓扑及其外接单相交流电源充电控制方案。
该方案利用MMC拓扑模块化结构的优势，分析了拓扑工作在单相交流充电模式下各桥臂、子模块的功率流向等特点，基于载波相移正弦脉冲宽度调制，提出适用于该控制策略的正弦半波调制方法，采用基于桥臂电流控制的电池荷电状态（SOC）层次化均衡策略，无需额外的充电电路以及复杂的电池管理系统（BMS），可实现各电池单元的快速均衡充电，避免因单体电池差异引起的整体储能系统循环寿命缩减。
在燃油汽车向电动汽车（Electric Vehicle, EV）转变的进程中，插电式混合电动汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）兼备零排放的运行工况和续航久的优点，在混联式的结构下能够在发动机和电动机混合驱动模式下带动发电机为电池充电，在当下动力电池技术受限，充电桩设施不完善的情况下，不失为该进程中一种很好的过渡选择。
对于混合电动汽车的车载变换器，目前多采用传统两电平背靠背变换器拓扑，但该方案需要额外的电池管理系统（Battery Management System, BMS）。针对车载功率变换器拓扑，国内外专家学者进行了很多研究。
有学者提出利用H桥级联多电平技术结合DC-DC变换器对动力电池模块进行能量管理，并引入高、中频变压器结构，将BMS系统结合在车载变换器中，提高了电池组的使用寿命和安全可靠性，适用于多种电动汽车。
有学者提出利用模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为车载变换器，该一体化拓扑可同时实现BMS、EV电机驱动、电池充电等功能的系统集成。
有学者对包括开关电容型在内的十几种现有BMS拓扑的各种性能与MMC拓扑进行了对比，结果表明，基于MMC的BMS在体积、成本、均衡时间及效率等方面具有一定的优势，并且该拓扑具有电池故障隔离及故障冗余处理能力，更重要的是该拓扑采用同一个变换器实现电机驱动和充/放电，而不需增加额外硬件。
此外，由于该方法采用级联模块化拓扑结构，可采用低压开关器件和较低的开关频率，具有较低的开关损耗，因此，相比两电平变换器，其输出电压和电流具有较低的波形谐波畸变率、dU/dt和电磁干扰，在一定程度上能减少电机谐波损耗。但该拓扑只能提供一个三相交流端口，无法用于带独立发电机的混联式PHEV车载变换器系统。
能够通过外接电源进行充电是PHEV区别于传统混合动力汽车的一个显著优势，因此充电系统中用来实现电池荷电状态（State of Charge, SOC）均衡的BMS便是不可或缺的一部分。目前多数动力电池通常采用多个单体电池串联的形式供电，这就面临电池个体差异所带来的电池过充过放现象，降低了电池的使用效率，影响了电池组的循环寿命。因此，通常需要昂贵而复杂的BMS系统来保证电池组的SOC均衡以及车辆的安全运行。
国内外学者针对这一问题提出了很多被动或主动均衡电池SOC的策略。
有学者针对由多个单体电池串联而成的动力电池组的均衡充电控制策略进行了研究，提出了一种在单体电池上通过开关并联电阻，从而调节单体电池充电电流的耗散型均衡充电控制策略。该方法能够消除单体电池不一致对电池组循环寿命的影响，提高电池组的充电速度。
有学者提出一种利用动力电池组总能量给能量低的单体电池进行电能补充的主动均衡充电策略，该方法需要先将总电池组电压进行降压处理，然后对选中的单体电池进行均衡充电，与传统的耗散型均衡策略相比具有较高的效率，但不可避免地引入了变压器结构。
有学者基于车载MMC变换器拓扑，提出一种主动电池充电的均衡控制策略，证明了该策略可以在最差的电池SOC不均衡状态进行有效调节，但该方案只适用于具有单台电机的电动汽车，不能解决混联式PHEV的充电问题。
综合现有研究成果和存在的上述问题，以及混联式PHEV自身结构特点，电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学）的研究人员提出了一种基于“背靠背”MMC的PHEV新型一体化功率变换器拓扑（Back-to-back MMC-Hybrid Electric Vehicle, BMMC- HEV）及其动力电池充电策略。
图1 BMMC-HEV拓扑
图2 BMMC-HEV拓扑结构及外接电源充电连接
图3 SOC均衡层次化控制框图
该拓扑的两个三相交流端口可分别连接发电机和驱动电机，无需额外的中间变换器环节，BMMC-HEV既担任电机驱动系统，又可直接用于PHEV的单相交流充电模式，无需额外的充电电路，有利于整车一体化设计，提高变换器功率密度。
提出的基于层次化控制的动力电池充电策略，结合了该拓扑的优势，无需复杂的BMS系统，能有效实现各电池单元的SOC均衡控制，且具有较高的功率因数。通过Simulink仿真平台以及RT-LAB实时仿真器所搭建的硬件在环实验，验证了所提均衡充电策略的有效性。
接下来的工作将针对该BMMC-HEV拓扑研究相应的以电池SOC均衡为基础的电机驱动控制策略。
以上研究成果发表在2020年第6期《电工技术学报》，论文标题为“基于模块化多电平变换器的插电式混合电动汽车系统充电控制策略”，作者为银泽一、王广柱、程振兴。
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