一种针对电动汽车高压直流充电的预充电控制系统及方法与流程

1.本发明涉及电动汽车控制领域，尤其涉及一种针对电动汽车高压直流充电的预充电控制系统及方法。


背景技术：

2.电动汽车随着新能源的发展大方向要求，正在快速地发展着。其中对于电动汽车的用户而言，其最为关注的就是电动汽车的续航问题，即对电动汽车的充电效率尤为关注。
3.为实现对电动汽车的高压直流充电，在已建设的充电站内，充电站内可设有具有高速充电功能的高压直流接口，以大幅度减少充电时间。对应地，在电动汽车上，设有充电电路，同时为使得高压直流接口识别电动汽车，在充电电路上，设有一输入侧电容，当升压充电启动时，需对该输入侧电容进行预充电，使得高压直流接口可认为一待充电池插入。因此，配置有一该输入侧电容，以及对该输入侧电容的实时电压掌握，成为对电动汽车充电的前置问题。
4.在电动汽车的充电电路为中心抽头的方案下，由于电机控制器内部与电容处被电机电感隔断，存在电感电流时无法准确采集电容电压；而若通过外侧对输入侧电容作飞线，以进行电压采样的方式会带来额外的接口成本及安全性问题。
5.因此，需要一种新型的针对电动汽车高压直流充电的预充电控制系统及方法，可解决了传统预充电闭环控制环由于采样位置限制而导致的不适用的问题。


技术实现要素：

6.为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种针对电动汽车高压直流充电的预充电控制系统及方法，通过电荷控制与零电流采样交替工作、迭代收敛的方法，实现了预充电的电压闭环采样和控制。
7.本发明公开了一种针对电动汽车高压直流充电的预充电控制系统，设于电动汽车内，预充电控制系统包括充电电路、电压采样模块及控制模块，
8.充电电路包括：
9.电源，设于充电电路上；
10.电机控制器，并联于电源两端，包括形成三相电路的第一相、第二相、第三相；
11.电机，包括形成三相绕组的第一绕组、第二绕组及第三绕组，且第一绕组、第二绕组及第三绕组分别与第一相、第二相、第三相并接；
12.电容c2，一端与电机内第一相、第二相和第三相的并接位置连接，另一端与电机控制器连接，以并接在充电电路的接口电路上；
13.电压采样模块并接在第一相、第二相、第三相中的任一一相两端，以形成采样电压；
14.控制模块于电机控制器的每一采样周期的中间时刻对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样，以形成第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，并基于第一采样电
流、第二采样电流和第三采样电流计算单一采样周期内电容c2的电压变化量；
15.控制模块不断累加采样周期内的电压变化量，直至电容c2的电压估计值为目标电压值。
16.优选地，控制模块于三相电路的开关周期内所形成的三角波的每一波谷位置对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样；
17.控制模块基于以下公式计算单一采样周期内电容c2的电压变化量：
18.其中δu
c2
为电容c2的电压变化量，iu、iv、i
ω
分别为第一相、第二相、第三相的第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，ts为采样周期；
19.控制模块基于以下公式不断累加采样周期内的电压变化量：
20.u
c2
(k)＝u
c2
(k-1)+δu
c2
(k)，k＝1，2，3，
…
；
21.其中u
c2
(k)为当前采样周期的电压估计值，u
c2
(k-1)为前一采样周期的电压估计值，δu
c2
(k)为当前采样周期的电压变化量。
22.优选地，控制模块内预设有一目标电压值及初始电压值；
23.电机控制器控制三相电路的开关管周期性开启和关闭以向电容c2充电，控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近初始电压值时，向电机控制器发送关管指令以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，且此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际电压值；
24.控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值计算电压修正值；
25.控制模块叠加电压修正值至初始电压值上一以形成一控制电压值，并向电机控制器发送开管指令，控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近控制电压值时，向电机控制器发送关管指令以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，且此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际电压值；
26.控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值更新电压修正值；
27.控制模块反复迭代上述更新过程，直至电压估计值收敛至目标电压值。
28.优选地，控制模块基于以下公式计算电压修正值：
[0029][0030]
其中δv
ref
(i)为电压修正值，vs为实际电压值，vq为电压估计值，v
ref_final
为目标电压值，c1为第一迭代系数，c2为第二迭代系数；
[0031]
控制模块基于以下公式计算控制电压值：
[0032]vref
(i+1)＝v
ref
(i)+δv
ref(i)[0033]
其中v
ref
(i+1)为当前迭代过程中的控制电压值，v
ref
(i)为前次迭代过程中的控制电压值。
[0034]
优选地，控制模块内预设有误差率，当实际电压值与电压估计值的差与实际电压值的比值小于或等于误差率时，且电压估计值于一震荡区间内维持超过一时间阈值时，表
示电容c2的电压估计值稳定逼近控制电压值。
[0035]
优选地，初始电压值为目标电压值的60％；
[0036]
当迭代过程的时间大于一规定时间t时，控制模块结束迭代过程。
[0037]
本发明还公开了一种针对电动汽车高压直流充电的预充电控制方法，包括以下步骤：
[0038]
配置一充电电路充电电路、电压采样模块及控制模块，充电电路包括：电源，设于充电电路上；电机控制器，并联于电源两端，包括形成三相电路的第一相、第二相、第三相；电机，包括形成三相绕组的第一绕组、第二绕组及第三绕组，且第一绕组、第二绕组及第三绕组分别与第一相、第二相、第三相并接；电容c2，一端与电机内第一相、第二相和第三相的并接位置连接，另一端与电机控制器连接，以并接在充电电路的接口电路上；
[0039]
电压采样模块并接在第一相、第二相、第三相中的任一一相两端，以形成采样电压；
[0040]
控制模块于电机控制器的每一采样周期的中间时刻对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样，以形成第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，并基于第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流计算单一采样周期内电容c2的电压变化量；
[0041]
控制模块不断累加采样周期内的电压变化量，直至电容c2的电压估计值为目标电压值。
[0042]
优选地，控制模块于电机控制器的每一采样周期的中间时刻对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样，以形成第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，并基于第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流计算单一采样周期内电容c2的电压变化量的步骤包括：
[0043]
控制模块于三相电路的开关周期内所形成的三角波的每一波谷位置对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样；
[0044]
控制模块基于以下公式计算单一采样周期内电容c2的电压变化量：
[0045]
其中δu
c2
为电容c2的电压变化量，iu、iv、i
ω
分别为第一相、第二相、第三相的第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，ts为采样周期；
[0046]
控制模块基于以下公式不断累加采样周期内的电压变化量：
[0047]uc2
(k)＝u
c2
(k-1)+δu
c2
(k)，k＝1，2，3，
…
；
[0048]
其中u
c2
(k)为当前采样周期的电压估计值，u
c2
(k-1)为前一采样周期的电压估计值，δu
c2
(k)为当前采样周期的电压变化量。
[0049]
优选地，预充电控制方法还包括以下步骤：
[0050]
控制模块内预设有一目标电压值及初始电压值；
[0051]
电机控制器控制三相电路的开关管周期性开启和关闭以向电容c2充电，控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近初始电压值时，向电机控制器发送关管指令以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，且此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际电压值；
[0052]
控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值计算电压修正值；
[0053]
控制模块叠加电压修正值至初始电压值上一以形成一控制电压值，并向电机控制器发送开管指令，控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近控制电压值时，向电机控制器发送关管指令以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，且此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际电压值；
[0054]
控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值更新电压修正值；
[0055]
控制模块反复迭代上述更新过程，直至电压估计值收敛至目标电压值。
[0056]
优选地，控制模块基于以下公式计算电压修正值：
[0057][0058]
其中δv
ref
(i)为电压修正值，vs为实际电压值，vq为电压估计值，v
ref_final
为目标电压值，c1为第一迭代系数，c2为第二迭代系数；
[0059]
控制模块基于以下公式计算控制电压值：
[0060]vref
(i+1)＝v
ref
(i)+δv
ref(i)[0061]
其中v
ref
(i+1)为当前迭代过程中的控制电压值，v
ref
(i)为前次迭代过程中的控制电压值。
[0062]
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0063]
1.不增加外部采样电路与飞线，实现闭环控制，并最终将电压估计值精确控制在目标预充电压值；
[0064]
2.相比于纯粹开环控制，可以获得更好的动态响应特性，减少预充过程的电流过冲与振荡，抑制车辆的抖动。
附图说明
[0065]
图1为符合本发明一优选实施例中预充电控制系统中充电电路的电路拓扑示意图；
[0066]
图2为符合本发明一优选实施例中预充电控制系统中电流采样示意图；
[0067]
图3为符合本发明一优选实施例中预充电控制系统中电压估计值-时域变化示意图。
具体实施方式
[0068]
以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
[0069]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0070]
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0083]
电容c2的一端与电机内第一相、第二相和第三相的并接位置连接，另一端与电机控制器连接，以并接在充电电路的接口电路上。
[0084]
具有上述配置后，当直流充电座通过充电头与充电电路连接时，电机的三相绕组形成一三相电感，第一相、第二相、第三相将用作为电容c2所形成的升压充电电路的开关桥。更进一步地，充电电路的具体元器件可配置如下：第一相包括串联的开关管s1、开关管s2，且并接至充电电路上；第二相包括串联的开关管s3、开关管s4，且并接至充电电路上；第三相包括串联的开关管s5、开关管s6，且并接至充电电路上；第一绕组的一端连接在开关管s1和开关管s2间；第二绕组的一端连接在开关管s3和开关管s4间；第三绕组的一端连接在开关管s5和开关管s6间。
[0085]
为对电容c2作不设置飞线的电压采样，在第一相、第二相、第三相中的任一一相两端(具体可以是开关管s1和开关管s2中间位置与电源负极间、开关管s3和开关管s4中间位置与电源负极间、开关管s5和开关管s6中间位置与电源负极间)并接有一电压采样模块，可对电容c2作电压采样，以形成采样电压。由于受电机三相绕组的影响，该电压采样模块采样得到的采样电压可以理解地与电容c2的实际电压具有一定的偏差，因此需要相关的校正机制。
[0086]
具体地，电机控制器内开关管周期性开启和关断时，将对电机产生各相的电感电流，可以理解的是，在一个周期内，每一相的电感电流呈线性变化状态，则根据其中ts为采样周期，is为某相电流，可计算所得每个周期内的电荷积分，即表示了在每个周期内电容获得的各相电荷。由此，为尽可能精确地计算一个周期内的电荷量，控制模块在电机控制器的每一采样周期的中间时刻对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样，以形成第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，从而借助于中间时刻时采样电流基本等同于采样周期内的平均电流这一特质，避免需多次采样的情况发生。进一步地，在具有后，可计算一个采样周期内电容c2的电压值，从而计算与前一采样周期内电容c2的电压值相比，其电压变化的电压变化量。随着采样周期的不断递进，控制模块将不断地在前一采样周期获得的电压变化量的基础上累加，直到电容c2的电压估计值达到或逼近于目标值。当达到目标值时，表示对于电容c2的预充电已基本完成，可控制高压充电座对电源充电。
[0087]
具有上述配置下，首先取消了飞线的配置，减少硬件成本，其次采样电流的准确性保证了电压估计值的准确性。
[0088]
一优选实施例中，为实现闭环控制，在得到了电容c2的电压估计值后，将不断地与目标电压值比较，例如通过pi比较器的电压环控制，对电机的pwm信号调制，以改变采样周期的中间时刻(该中间时刻可由pwm信号在每一采样周期的中间位置决定)，从而不断地闭环调整电压估计值，使其不断逼近目标电压值，而非一味地等待电压估计值慢慢上升至目标电压值。
[0089]
进一步地，参阅图2，控制模块于三相电路的开关周期内所形成的三角波的每一波谷位置对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样；控制模块基于以下公式计算单一采样周期内电容c2的电压变化量：其中δu
c2
为电容c2的电压变化
量，iu、iv、i
ω
分别为第一相、第二相、第三相的第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，ts为采样周期，c2为电容c2的实际电容容值，这一数据可在建立充电电路时得到。基于上述得到的电容c2的电压变化量，控制模块基于以下公式不断累加采样周期内的电压变化量：u
c2
(k)＝u
c2
(k-1)+δu
c2
(k)，k＝1，2，3，
…
；其中u
c2
(k)为当前采样周期的电压估计值，u
c2
(k-1)为前一采样周期的电压估计值，δu
c2
(k)为当前采样周期的电压变化量，从而根据对开关管的控制，在每个采样周期后更新电容c2的电压估计值，方便实时掌握其升压情况。
[0090]
一优选实施例中，为消除电压估计值与目标电压值的静差，防止预充过程的电流过冲与振荡，抑制车辆的抖动，对于电容c2的升压过程与估计过程，具有一个反复确认和校准的过程，具体地，控制模块内预设有一目标电压值及初始电压值。参阅图3，电机控制器控制三相电路的开关管周期性开启和关闭以向电容c2充电，使得电容c2呈非线性的升压，当控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近初始电压值时，控制模块将向电机控制器发送关管指令，将三相电路上的开关管关闭，以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，在该状态下，由于电机不再发电，电容c2将稳定在关管时刻下的电容大小，此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际电压值。后控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值计算电压修正值，该电压修正值表示了在首次比较下，软件运算所得的电压估计值与实际电压值的误差是否属于可接受范围内，以及进一步地，将该误差补偿。具体地，控制模块叠加电压修正值至初始电压值上一以形成一控制电压值，将该控制电压值作为新一次迭代过程中，电容c2应当升压的目标，同时向电机控制器发送开管指令，随着电容c2重新升压，控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近控制电压值时，向电机控制器再一次发送关管指令以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，且此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际电压值，即将前一过程再执行一次。同样地，控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值更新电压修正值；控制模块反复迭代上述更新过程，直至电压估计值收敛至目标电压值。通过上述过程，对于电压估计值的准确性判断不再完成在目标电压值处，而是阶梯式地分段修正，减少稳态误差，防止电动汽车抖动。
[0091]
更进一步地，控制模块基于以下公式计算电压修正值：其中δv
ref
(i)为电压修正值，vs为实际电压值，vq为电压估计值，v
ref_final
为目标电压值，c1为第一迭代系数，c2为第二迭代系数，在不同实施例中，可对第一迭代系数和第二迭代系数不断调整，不同的第一迭代系数和第二迭代系数下，迭代次数可能不同，可以理解的是，迭代次数越多，对于电压估计值的修正约为准确。同时控制模块基于以下公式计算控制电压值：v
ref
(i+1)＝v
ref
(i)+δv
ref
(i)其中v
ref
(i+1)为当前迭代过程中的控制电压值，v
ref
(i)为前次迭代过程中的控制电压值。对于升压过程和关管过程的时间控制，一优选实施例中，每一升压过程可以是0.15秒，关管过程可以是0.05秒，以尽快确认电容c2的电压估计值是否为稳态。
[0092]
经上述修正后，后一次迭代过程中的控制电压值将由电压估计值与前一次迭代过程的控制电压值决定，且在每次稳态下，控制电压值与电压估计值的差值随迭代次数的增加而越小，直至电压估计值收敛至目标电压值。
[0093]
其中，对于稳态的判断，可通过以下方式判断：在控制模块内预设有误差率(例如
±
20％)，当实际电压值与电压估计值的差与实际电压值的比值小于或等于误差率时，且电压估计值于一震荡区间(即某一段时间内，电压估计值的波动率不超过10％或5％)内维持超过一时间阈值(例如0.03秒)时，表示电容c2的电压估计值稳定逼近控制电压值。
[0094]
一优选实施例中，迭代过程的截止条件可以是电压估计值与目标电压值的偏差小于10v，或当迭代过程的时间大于一规定时间t时，控制模块结束迭代过程，以防止预充电时间过长。此外，上述任一实施例中，初始电压值为目标电压值的60％，该值的具体大小，可根据期望迭代次数、允许预充电的时间决定。
[0095]
本发明还公开了一种针对电动汽车高压直流充电的预充电控制方法，包括以下步骤：配置一充电电路充电电路、电压采样模块及控制模块，充电电路包括：电源，设于充电电路上；电机控制器，并联于电源两端，包括形成三相电路的第一相、第二相、第三相；电机，包括形成三相绕组的第一绕组、第二绕组及第三绕组，且第一绕组、第二绕组及第三绕组分别与第一相、第二相、第三相并接；电容c2，一端与电机内第一相、第二相和第三相的并接位置连接，另一端与电机控制器连接，以并接在充电电路的接口电路上；电压采样模块并接在第一相、第二相、第三相中的任一一相两端，以形成采样电压；控制模块于电机控制器的每一采样周期的中间时刻对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样，以形成第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，并基于第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流计算单一采样周期内电容c2的电压变化量；控制模块不断累加采样周期内的电压变化量，直至电容c2的电压估计值为目标电压值。
[0096]
优选地，控制模块于电机控制器的每一采样周期的中间时刻对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样，以形成第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，并基于第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流计算单一采样周期内电容c2的电压变化量的步骤包括：控制模块于三相电路的开关周期内所形成的三角波的每一波谷位置对第一绕组、第二绕组及第三绕组作电流采样；控制模块基于以下公式计算单一采样周期内电容c2的电压变化量：其中δu
c2
为电容c2的电压变化量，iu、iv、i
ω
分别为第一相、第二相、第三相的第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流，ts为采样周期；控制模块基于以下公式不断累加采样周期内的电压变化量：u
c2
(k)＝u
c2
(k-1)+δu
c2
(k)，k＝1，2，3，
…
；其中u
c2
(k)为当前采样周期的电压估计值，u
c2
(k-1)为前一采样周期的电压估计值，δu
c2
(k)为当前采样周期的电压变化量。
[0097]
优选地，预充电控制方法还包括以下步骤：控制模块内预设有一目标电压值及初始电压值；电机控制器控制三相电路的开关管周期性开启和关闭以向电容c2充电，控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近初始电压值时，向电机控制器发送关管指令以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，且此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际电压值；控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值计算电压修正值；控制模块叠加电压修正值至初始电压值上一以形成一控制电压值，并向电机控制器发送开管指令，控制模块计算得到电容c2的电压估计值稳定逼近控制电压值时，向电机控制器发送关管指令以使得第一采样电流、第二采样电流和第三采样电流为零，且此时电压采样模块对电容c2作电压采样以形成实际
电压值；控制模块基于电容c2的电压估计值与电容c2的实际电压值，及基于电容c2的实际电压值和目标电压值更新电压修正值；控制模块反复迭代上述更新过程，直至电压估计值收敛至目标电压值。
[0098]
优选地，控制模块基于以下公式计算电压修正值：其中δv
ref
(i)为电压修正值，vs为实际电压值，vq为电压估计值，v
ref_final
为目标电压值，c1为第一迭代系数，c2为第二迭代系数；控制模块基于以下公式计算控制电压值：v
ref
(i+1)＝v
ref
(i)+δv
ref
(i)其中v
ref
(i+1)为当前迭代过程中的控制电压值，v
ref
(i)为前次迭代过程中的控制电压值。
[0099]
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。