双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆与流程

1.本发明涉及电动汽车技术领域，尤其是涉及一种双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆。


背景技术：

2.随着电动汽车市场渗透率的不断提高，电动汽车零部件技术得到快速发展，其中电力电子零部件的成本和体积已经成为当前最主要的设计目标和技术难点，作为高压电力电子零部件的双向充电机，此趋势尤为明显。目前工业应用中的车载充电机主流设计方案一般采用双阶拓扑，分别为功率因数校正前级和dcdc后级，功率因数校正前级主要用于将电网ac电压转换为直流母线电压，然后由dcdc后级将直流母线电压转换为整车动力电池电压，对整车动力电池进行充电。该双阶拓扑方案前级和后级互不干扰，各自可独立稳定工作，但是使用元器件较多，体积占用大、成本高。
3.因此，如何提供一种双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构及其控制方法，日益成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
4.需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术中存在的双阶拓扑使用元器件较多的问题，提供一种双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆，用以减少元器件使用数量，从而减小双向能量变换系统的体积并降低成本。
6.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，包括：依次电连接的充电机源边模块、变压器及谐振拓扑模块和充电机副边高压侧模块；所述充电机源边模块连接交流电源模块、所述充电机副边高压侧模块连接高压电池模块；
7.所述充电机源边模块包括第一电感、三个半桥电路单元和一个第一电容；
8.其中，所述第一电感的其中一端与所述交流电源模块的火线/零线连接，三个所述半桥电路单元并联后与所述第一电容并联连接后的第一引出端与所述第一电感的另一端连接、第二引出端与所述交流电压模块的零线/火线以及所述变压器及谐振拓扑模块的交流侧的一端共接、第三引出端与所述变压器及谐振拓扑模块的交流侧的另一端连接。
9.所述三个半桥电路单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管；
10.其中，所述第一电感的一端连接所述交流电源模块的火线/零线，所述第一电感的另一端、所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极共接；
11.所述第一电容的一端、所述第一开关管的漏极、所述第三开关管的漏极和所述第
五开关管的漏极共接；所述第一电容的另一端、所述第二开关管的源极、所述第四开关管的源极和所述第六开关管的源极共接；
12.所述第三开关管的源极、所述第四开关管的漏极、所述交流电源模块的零线/火线和所述变压器及谐振拓扑模块的交流侧的一端共接；
13.所述第五开关管的源极、所述第六开关管的漏极和所述变压器及谐振拓扑模块的交流侧的另一端共接。
14.可选地，所述交流电源模块包括开关控制单元；所述开关控制单元包括并联连接的电阻和开关；所述第一电感的一端通过所述开关控制单元连接交流电网的火线/零线。
15.可选地，所述变压器及谐振拓扑模块包括第二电感、第二电容和变压器；
16.所述第二电感的其中一端、所述第三开关管的源极、所述第四开关管的漏极、所述交流电源模块的零线/火线共接，所述第二电感的另外一端连接所述变压器的原边的其中一端；
17.所述第二电容的其中一端、所述第五开关管的源极和所述第六开关管的漏极共接，所述第二电容的另外一端连接所述变压器的原边的另外一端；
18.所述变压器的副边连接所述充电机副变高压侧模块。
19.可选地，所述充电机副边高压侧模块包括第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管和第三电容；
20.所述第七开关管的源极、所述第八开关管的漏极和所述充电机副边高压侧模块的变压器的副边的其中一端共接；
21.所述第九开关管的源极、所述第十开关管的漏极和所述充电机副边高压侧模块的变压器的副边的另外一端共接；
22.所述第七开关管的漏极、所述第九开关的漏极、所述第三电容的一端与所述高压电池模块的正极共接；
23.所述第八开关管的源极、所述第十开关管的源极、所述第三电容的另一端与所述高压电池模块的负极共接并接地。
24.可选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管包括场效应晶体管、双极性晶体管或绝缘栅极型晶体管。
25.为了实现上述目的，本发明还提供了一种一体化控制方法，用于上述的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，所述一体化控制方法包括正向充电工作模式控制和/或反向逆变工作模式控制；
26.其中，所述正向充电工作模式控制包括：
27.根据直流充电电压设定值、充电电流设定值和所述第一电容的第一电压设定值，控制所述充电机源边模块、所述变压器及谐振拓扑模块和所述充电机副边高压侧模块将所述交流电源模块提供的交流电变换为直流电，采用恒压充电模式或恒流充电模式充入所述高压电池模块；
28.所述反向逆变工作模式控制包括：
29.根据交流充电电压设定值和所述第一电容的第二电压设定值，控制所述充电机副边高压侧模块、所述变压器及谐振拓扑模块和所述充电机源边模块将所述高压电池模块提供的直流电变换为交流电，按照预设充电模式为交流负载供电；所述预设充电模式包括车
对物充电模式、车对车模式和车辆到电网模式。
30.可选地，所述正向充电工作模式控制，包括以下步骤：
31.s11：对所述第一电容进行预充电；
32.s12：软启动功率因数校正环节，将所述第一电容的电压控制为一固定电压；其中，所述功率因数校正环节包括所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第一电感和所述第一电容；
33.s13：根据所述直流充电电压设定值、所述充电电流设定值、所述高压电池模块的实际充电电流值和实际充电电压值，进行闭环控制，以获取所述充电机源边模块期望输出的正负方波的多自由度控制变量；其中，所述多自由度控制变量包括：正负方波的频率、幅值及公共占空比；
34.s14：将所述正负方波的多自由度控制变量转换为所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管的第一开关频率、第一移相角和第一占空比；并将所述第一开关频率、第一移相角和第一占空比传递至所述功率因数校正环节；
35.s15：根据所述第一开关频率、第一移相角和第一占空比，控制所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管，并采集所述高压电池模块的所述实际充电电流值和所述实际充电电压值，执行步骤s13；
36.s16：将所述第一电容的第一电压设定值与所述第一电容的实际电压值作差，进行电压外环闭环控制，以获取第一电流内环设定值；
37.s17：将所述第一电流内环设定值与所述第一电感的实际电流值作差，进行电流内环闭环控制，以获取第一驱动占空比；
38.s18：根据所述第三开关管和所述第四开关的第一开关频率和第一占空比以及所述第一驱动占空比，获取所述第一开关管和所述第二开关管的第一开关频率和第一占空比；
39.s19：根据所述第一开关管和所述第二开关管的第一开关频率和第一占空比，控制所述第一开关管和所述第二开关管，并采集所述第一电容的实际电压值和所述第一电感的实际电流值，执行步骤s16和步骤s17。
40.可选地，所述根据所述第一开关管和所述第二开关管的第一开关频率和第一占空比，控制所述第一开关管和所述第二开关管，包括：
41.将所述第一开关管和所述第二开关管的第一开关频率调节为所述第三开关管和所述第四开关管的第一开关频率的1/2或1/4。
42.可选地，所述反向逆变工作模式控制，包括以下步骤：
43.s21：将所述第一电容的第二电压设定值与所述第一电容的实际电压值作差，进行闭环控制，以获取所述充电机副边高压侧模块输出期望输出的正负方波电压的频率和公共占空比；
44.s22：根据所述正负方波电压的频率和公共占空比，获取所述充电机副边高压侧模块的第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管以及所述充电机源边模块的所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管的第二开关频率、第二移相角和第二占空比；
45.s23：根据所述第二开关频率、第二移相角和第二占空比，控制所述第七开关管、所
述第八开关管、所述第九开关管、所述第十开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管，采集所述第一电容的实际电压值，执行步骤s21；以将所述第一电容的电压值控制为所述交流充电电压设定值；
46.s24：将所述交流电压设定值与ac实际电压值作差，进行电压外环闭环控制，以获取第二电流内环设定值；
47.s25：将所述第二电流内环设定值与ac实际电流值作差，进行电流内环闭环控制，以获取第二驱动占空比；
48.s26：根据所述第三开关管和所述第四开关管的第二开关频率和第二占空比以及所述第二驱动占空比，获取所述第一开关管和所述第二开关管的第二开关频率和第二占空比；
49.s27：根据所述第一开关管和所述第二开关管的第二开关频率和第二占空比，控制所述第一开关管和所述第二开关管，并采集ac实际电压值和ac实际电流值，执行步骤s24；以实现所述交流电压或交流电流的控制。
50.可选地，所述根据所述第一开关管和所述第二开关管的第二开关频率和第二占空比，控制所述第一开关管和所述第二开关管，包括：
51.控制所述第一开关管和所述第二开关管的第二开关频率与所述第三开关管和所述第四开关管的第二开关频率保持一致。
52.可选地，所述第一开关管和所述第二开关管的第二开关频率和第二占空比，控制所述第一开关管和所述第二开关管，还包括：
53.当所述第三开关管和所述第四开关管交替导通时，延长所述第一开关管/所述第二开关管的导通时间并降低所述第一开关管/第二开关管的开关频率。
54.为了实现上述目的，本发明还提供了一种车辆，所述车辆包括上述任一项所述的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构或采用上述任一项所述的一体化控制方法进行功率因数校正控制、正向充电工作模式控制和/或反向逆变工作模式控制。
55.与现有技术相比，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆，具有以下有益效果：
56.本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，包括：依次电连接的充电机源边模块、变压器及谐振拓扑模块和充电机副边高压侧模块；所述充电机源边模块连接交流电源模块、所述充电机副边高压侧模块连接高压电池模块。所述充电机源边模块包括第一电感、三个半桥电路单元和一个第一电容；其中，所述第一电感的其中一端与所述交流电源模块的火线/零线连接，三个所述半桥电路单元并联后与所述第一电容并联连接后的第一引出端与所述第一电感的另一端连接、第二引出端与所述交流电压模块的零线/火线以及所述变压器及谐振拓扑模块的交流侧的一端共接、第三引出端与所述变压器及谐振拓扑模块的交流侧的另一端连接。由此，通过减少所述充电机源边模块的功率元器件的个数并据此构建新的电连接结构，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，能够显著减少元器件使用数量，从而减小双向能量变换系统的体积并降低成本。
57.由于本发明提供的一体化控制方法及车辆，与本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构属于同一发明构思，因此，至少具有与其相同的有益效果，在此不再赘述。进一步地，本发明提供的一体化控制方法，控制方法简单，易于实施。
附图说明
58.图1为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构的示意图；
59.图2为现有技术中其中一种双向双阶车载充电机的结构示意图；
60.图3为本发明一实施方式提供的一体化控制方法的总体流程示意图；
61.图4为本发明一实施方式提供的一体化控制方法的反向逆变工作模式示意图；
62.图5(a)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构ac电压正半周核心波形示意图；
63.图5(b)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构ac电压负半周核心波形示意图；
64.图6为本发明一实施方式提供的所述正向充电工作模式控制的具体流程示意图；
65.图7为本发明一实施方式提供的正向充电工作模式控制的多自由度控制变量的示例图；
66.图8(a)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构的正向充电工作模式下ac电压正半周核心波形示意图；
67.图8(b)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构正向充电工作模式下的ac电压负半周核心波形示意图；
68.图9为本发明一实施方式提供的所述反向逆变工作模式控制的具体流程示意图；
69.其中，附图标记说明如下：
70.1-交流电源模块、11-开关控制单元、2-充电机源边模块、3-变压器及谐振拓扑模块、4-充电机副边高压侧模块、5-高压电池模块；
具体实施方式
71.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。以及，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
72.在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
73.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
74.本发明的核心思想在于，为了解决现有技术中车载充电机的元器件使用数量多，体积占用大的问题，提供一种双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆，以减小双向能量变换系统的体积并降低成本。
75.具体地，请参见图1，图1为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构的示意图。从图1可以看出，本实施例提供的一种双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，包括依次电连接的充电机源边模块2、变压器及谐振拓扑模块3和充电机副边高压侧模块4；所述充电机源边模块2连接交流电源模块1、所述充电机副边高压侧模块4连接高压电池模块5。具体地，所述充电机源边模块2包括第一电感l1、三个半桥电路单元和第一电容cbulk(即直流母线电容)。其中，所述第一电感l1的其中一端与所述交流电源模块1的火线l(如本领域的技术人员可以理解，当所述第一电感l1的其中一端与所述交流电源模块1的零线n连接时，三个所述半桥电路单元并联后与所述第一电容cbulk并联连接后的第二引出端与所述交流电压模块1的火线l连接，以下仅以图示进行说明，但并非本发明的限制)连接，三个所述半桥电路单元并联后与所述第一电容cbulk并联连接后的第一引出端与所述第一电感l1的另一端连接、第二引出端与所述交流电压模块1的零线n(如本领域的技术人员可以理解，当所述第一电感l1的其中一端与所述交流电源模块1的零线n连接时，三个所述半桥电路单元并联后与所述第一电容cbulk并联连接后的第二引出端与所述交流电压模块1的火线l连接，以下仅以图示进行说明，但并非本发明的限制)以及所述变压器及谐振拓扑模块3的交流侧的一端共接、第三引出端与所述变压器及谐振拓扑模块3的交流侧的另一端连接。
76.更具体地，所述三个半桥电路单元包括第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5和第六开关管q6。其中，所述第一电感l1的一端连接所述交流电源模块1的火线l，所述第一电感l1的另一端、所述第一开关管q1的源极和所述第二开关管q2的漏极共接。所述第一电容l1的一端、所述第一开关管q1的漏极、所述第三开关管q3的漏极和所述第五开关管q5的漏极共接；所述第一电容l1的另一端、所述第二开关管q2的源极、所述第四开关管q4的源极和所述第六开关管q6的源极共接。所述第三开关管q3的源极、所述第四开关管q4的漏极、所述交流电源模块1的零线n和所述变压器及谐振拓扑模块3的交流侧的一端共接。所述第五开关管q5的源极、所述第六开关管q6的漏极和所述变压器及谐振拓扑模块3的交流侧的另一端共接。
77.为了便于理解本发明，请参见图2，图2为传统的双向双阶车载充电机结构示意图。对比图1和图2不难发现，相比于传统的双向双阶车载充电机，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，将图2中的充电机源边模块2(功率因数校正前级拓扑)中的开关管qa和qb与充电机源边模块2中的开关管q3和q4进行了复用，在不影响充电机功能的情况下，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构减少了功率器件的使用数量，在降低产品成本的同时，能够减小产品的体积。进一步地，本发明还提供了一种一体化控制方法，所述一体化控制方法基于本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，在具有双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构的有益效果的同时，控制方法简单，易于实施。
78.需要特别说明的是，本发明并不限制所述第一开关管q1、所述第二开关管q2、所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第五开关管q5和所述第六开关管q6的具体类型，作
为优选实施方式，所述第一开关管q1、所述第二开关管q2、所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第五开关管q5和/或所述第六开关管q6可以为场效应晶体管、双极性晶体管或绝缘栅极型晶体管中的一种或多种。
79.优选地，请继续参见图1，所述交流电源模块1包括开关控制单元11，所述开关控制单元11包括并联连接的电阻r和开关rly1；所述第一电感l1的一端通过所述开关控制单元11连接交流电网的火线l。由此，通过合理控制开关rly1的通断，可以对所述充电机源边模块2中的所述第一电容进行预充电，所述电阻r可以很好地限制功率因数校正环节软启动瞬间的冲击电流，从而避免启动冲击电流过大对功率器件造成损坏，以实现功率因数校正前级的软启动。具体地，有关功率因数校正环节的详细内容请参见在下文中相关的阐述，在此，为了便于理解和避免赘述，暂不展开。
80.优选地，所述变压器及谐振拓扑模块3包括第二电感lr、第二电容cr和变压器lm。具体地，所述第二电感lr的其中一端、所述第三开关管q3的源极、所述第四开关管q 4的漏极、所述交流电源模块1的零线n共接，所述第二电感lr的另外一端连接所述变压器lm的原边的其中一端；所述第二电容lr的其中一端、所述第五开关管q5的源极和所述第六开关管q6的漏极共接，所述第二电容lr的另外一端连接所述变压器lm的原边的另外一端；所述变压器lm的副边连接充电机副边高压侧模块4。由此，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，在实现正向充电工作模式控制时，所述变压器及谐振拓扑模块3能够对所述充电机源边模块2输出的正负方波电压进行分压和变压，以供所述充电机副边高压侧模块4进行整流。
81.优选地，在其中一种优选实施方式中，所述充电机副边高压侧模块4包括第七开关管q7、第八开关管q8、第九开关管q9、第十开关管q10和第三电容c0；所述第七开关管q7的源极、所述第八开关管q8的漏极和所述充电机副边高压侧模块4的变压器lm的副边的其中一端共接；所述第九开关管q9的源极、所述第十开关管q10的漏极和所述充电机副边高压侧模块4的变压器的副边的另外一端共接；所述第七开关管q7的漏极、所述第九开关q9的漏极、所述第三电容c0的一端与所述高压电池模块hv bat的正极共接；所述第八开关管q8的源极、所述第十开关管q10的源极、所述第三电容c0的另一端与所述高压电池模块hv bat的负极共接并接地。由此，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构的所述充电机副边高压侧模块4的结构简单易于实施。
82.本发明的再一实施方法提供了一种一体化控制方法，所述一体化控制方法用于上述任一实施方式所述的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构。具体地，请参见图3，图3为本实施方式提供的一体化控制方法的总体流程示意图。从图3可以看出，所述一体化控制方法包括正向充电工作模式控制和/或反向逆变工作模式控制。
83.具体地，所述正向充电工作模式控制包括：根据直流充电电压设定值、充电电流设定值和所述第一电容的第一电压设定值，控制所述充电机源边模块2、所述变压器及谐振拓扑模块3和所述充电机副边高压侧模块4将所述交流电源模块1提供的交流电变换为直流电，采用恒压充电模式或恒流充电模式充入所述高压电池模块5。
84.进一步地，请参见图4，图4为本发明一实施方式提供的一体化控制方法的正向工作模式示意图。从图4可以看，所述反向逆变工作模式控制包括：根据交流充电电压设定值和所述第一电容的第二电压设定值，控制所述充电机副边高压侧模块4、所述变压器及谐振
拓扑模块3和所述充电机源边模块2将所述高压电池模块5提供的直流电变换为交流电，按照预设充电模式为交流负载供电；所述预设充电模式包括车对物充电模式、车对车模式和车辆到电网模式。
85.如此配置，本发明提供的一体化控制方法，基于上述任一实施方式所述的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，通过控制具有较少元器件的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，不仅能够实现从交流电网到高压电池的交流电到直流电的恒压恒流正向充电及功率因数校正功能，而且能够实现将所述高压电池模块提供的直流电转换为交流电，实现车对物充电模式、车对车模式和车辆到电网模式，本发明提供的一体化控制方法与本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构相互配合，能够有效降低充电机的成本和体积。
86.为了便于理解本发明，在具体介绍本发明提供的正向充电工作模式控制的具体步骤之前，先对基于本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构实施正向充电工作模式的基本原理简要说明如下：
87.具体地，请参见图5(a)和图5(b)，其中，图5(a)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构ac电压正半周核心波形示意图；图5(b)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构ac电压负半周核心波形示意图。本领域的技术人员应该能够理解，ac电压正半周和ac电压负半周的原理类似，为了避免赘述，在此只阐述ac电压正半周情况，请结合图1和图5(a)，从图5(a)可以看出，当所述第一开关管q1和所述第二开关管q3同时导通时，所述第一电感l1的电流il1线性增加；当所述第二开关管q2和所述第四开关管q4同时导通时，所述第一电感l1的电流il1线性增加，其他情况，所述第一电感l1的电流il1线性减小，由于所述第三开关管q3和所述第四开关管q4是复用桥臂，其开关频率和占空比由dcdc后级(充电机副边高压侧模块4)的充电电流和充电电压目标值决定，故在功率因数校正环节中，所述第三开关管q3和所述第四开关管q4是无法调节的，通过调节所述第二开关管q2的占空比和开关频率(与所述第三开关管q3和所述第四开关管q4开关频率一致)、以及第一电容cbulk上直流电压值，即可调整第一电感l1的电流il1的波形，以实现功率因数校正功能和第一电容cbulk(母线电容)直流电压控制功能。
88.具体地，请参见图6，图6为本发明一实施方式提供的所述正向充电工作模式控制的具体流程示意图，从图6可以看出，所述正向充电工作模式控制包括以下步骤：
89.首先，控制功率因数校正环节执行步骤s11和s12以将所述第一电容cbulk的电压控制为固定电压。更具体地，步骤s11和s12如下：
90.s11：对所述第一电容cbulk进行预充电。具体地，将所述交流电源模块1中开关rly1断开，为所述充电机源边模块2中的所述第一电容cbulk进行预充电，预充电结束后，所述开关rly1闭合。
91.s12：软启动功率因数校正环节，将所述第一电容cbulk的电压控制为一固定电压。其中，所述功率因数校正环节包括所述第一开关管q1、所述第二开关管q2、所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第一电感l1和所述第一电容cbulk。
92.之后，dcdc后级根据所述直流充电电压设定值和所述充电电流设定值通过执行步骤s13至s15、控制功率因数校正环节执行步骤s16-s19进行闭环控制，以实现正向充电功能和功率因数校正功能。
93.优选地，在其中一种示例性实施方式中，所述闭环控制包括基于模型的控制或基于理论计算的前馈控制，本发明对此不作任何限制。
94.更具体地，步骤s13至步骤s15如下：
95.s13：根据所述直流充电电压设定值、所述充电电流设定值、所述高压电池模块5的实际充电电流值和实际充电电压值，进行闭环控制，以获取所述充电机源边模块2期望输出的正负方波的多自由度控制变量；其中，所述多自由度控制变量包括：正负方波的频率、幅值及公共占空比。具体地，请参见图7，图7为本发明一实施方式提供的正向充电工作模式控制的多自由度控制变量的示例图。所述正负方波的频率、幅值及公共占空比都可控制，即多自由度控制。
96.s14：将所述正负方波的多自由度控制变量转换为所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第五开关管q5和所述第六开关管q6的第一开关频率、第一移相角和第一占空比；并将所述第一开关频率、第一移相角和第一占空比传递至所述功率因数校正环节。
97.s15：根据所述第一开关频率、第一移相角和第一占空比，控制所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第五开关管q5和所述第六开关管q6，同时将所述第一开关频率和第一并采集所述高压电池模块5的所述实际充电电流值和所述实际充电电压值，执行步骤s13。由此，实现正向充电功能。
98.s16：将所述第一电容cbulk的第一电压设定值与所述第一电容cbulk的实际电压值作差，进行电压外环闭环控制，以获取第一电流内环设定值。
99.s17：将所述第一电流内环设定值与所述第一电感l1的实际电流值作差，进行电流内环闭环控制，以获取第一驱动占空比。
100.s18：根据所述第三开关管q3和所述第四开关q4的第一开关频率和第一占空比以及所述第一驱动占空比，获取所述第一开关q1和所述第二开关管q2的第一开关频率和第一占空比。
101.s19：根据所述第一开关管q1和所述第二开关管q2的第一开关频率和第一占空比，控制所述第一开关管q1和所述第二开关管q2，并采集所述第一电容cbulk的实际电压值和所述第一电感l1的实际电流值，执行步骤s16和步骤s17。由此，完成功率因数校正功能。
102.本领域的技术人员应该能够理解，由于在正向充电工作模式下，第一电容cbulk的电压(母线电压)是由功率因数校正前级控制的，故多自由度控制变量中的母线电压值需要由dcdc后级传递给功率因数校正前级，并与实际母线电压值做差后经电压外环控制生成电流内环电流指令，与实际ac电流值做差后经电流内环控制生成占空比信号，同时接收dcdc后级传递过来的所述第三开关管q3和所述第四开关q4的频率和占空比信息，控制所述第一开关管q1和所述第二开关管q2，以完成功率因数校正功能。由于所述第一开关管q1和所述第二开关管q2是硬开关，故其损耗随着频率升高而增加，在高频应用中，可以通过降频控制方式减少所述第一开关管q1和所述第二开关管q2的损耗，比如在其中一种实施方式中，将所述第一开关管q1和所述第二开关管q2的第一开关频率调节为所述第三开关管q3和所述第四开关管q4的第一开关频率的1/2或1/4。如本领域技术人员可以理解地，以上仅是示例性说明，而非本发明的限制。
103.为了便于理解本发明，在具体介绍本发明提供的反向逆变工作模式控制的具体步骤之前，先对基于本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构实施反向逆变工作
模式的基本原理简要说明如下：
104.具体地，反向逆变工作模式分为逆变工况下ac电压正半周和ac电压负半周情况，更具体地，请参见图8(a)和图8(b)，其中，图8(a)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构的反向逆变工作模式下ac电压正半周核心波形示意图；图8(b)为本发明一实施方式提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构的反向逆变工作模式下ac电压负半周核心波形示意图。本领域的技术人员应该能够理解，ac电压正半周和ac电压负半周的原理类似，为了避免赘述，在此只阐述逆变工况下ac电压正半周情况。请结合图1和图8(a)，在逆变工况下，所述充电机副边高压侧模块4中的所述第七开关管q7、所述第八开关管q8、所述第九开关管q9和所述第十开关管q10为主动控制管，而所述充电机源边模块2中的所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第五开关管q5和所述第六开关管q6为被动整流管，故所述第三开关管q3和所述第四开关管q4的频率和占空比已经固定，此时根据图8(a)可知，当所述第一开关管q1和所述第四开关管q4同时导通时，第一电感l1的电流il1线性增加，其余状态下，所述第一电感l1的电流il1均为线性减小，故可通过调节所述第一开关管q1(ac电压正半周)的占空比(其频率需要与所述第三开关管q3和所述第四开关管q4的频率一致)来控制ac输出电压或者电流。
105.具体地，请参见图9，图9为本发明一实施方式提供的所述反向逆变工作模式控制的具体流程示意图，从图9可以看出，所述反向逆变工作模式控制，包括：dcdc前级(所述第七开关管q7、所述第八开关管q8、所述第九开关管q9和所述第十开关管)执行步骤s21-s23、h桥(即所述第一开关管q1、所述第二开关管q2、所述第三开关q3和所述第四开关管q4)执行步骤s24-s27进行闭环控制，以实现反向逆变功能。更具体地，请参见下述步骤s21-s27。
106.s21：将所述第一电容cbulk的第二电压设定值与所述第一电容cbulk的实际电压值作差，进行闭环控制，以获取所述充电机副边高压侧模块4输出期望输出的正负方波电压的频率和公共占空比。需要特别说明的是，所述闭环控制优选为基于模型的控制或基于理论计算的前馈控制，本发明对此不作任何限制。
107.s22：根据所述正负方波电压的频率和公共占空比，获取所述充电机副边高压侧模块4的所述第七开关管q7、所述第八开关管q8、第九开关管q9和第十开关管q10以及所述充电机源边模块2的所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第五开关管q5和所述第六开关管q6的第二开关频率、第二移相角和第二占空比。
108.s23：根据所述第二开关频率、第二移相角和第二占空比，控制所述第七开关管q7、所述第八开关管q8、所述第九开关管q9、所述第十开关管q10、所述第三开关管q3、所述第四开关管q4、所述第五开关管q5和所述第六开关管q6；采集所述第一电容cbulk的实际电压值，执行步骤s21。以将所述第一电容cbulk的电压值控制为所述交流充电电压设定值。
109.s24：将所述交流电压设定值与ac实际电压值作差，进行电压外环闭环控制，以获取第二电流内环设定值；
110.s25：将所述第二电流内环设定值与ac实际电流值作差，进行电流内环闭环控制，以获取第二驱动占空比；
111.s26：根据所述第三开关管q3和所述第四开关管q4的第二开关频率和第二占空比以及所述第二驱动占空比，获取所述第一开关管q1和所述第二开关管q2的第二开关频率和第二占空比。
112.s27：根据所述第一开关管和所述第二开关管的第二开关频率和第二占空比，控制所述第一开关管和所述第二开关管，并采集ac实际电压值和ac实际电流值，执行步骤s24；所述以实现所述交流电压或交流电流的控制。
113.作为优选，由于第三开关管q3和所述第四开关管q4的复用，其开关频率与占空比已经固定，不能进行调整，因此，故所述第一开关管q1和所述第二开关管q2的开关频率需要与所述第三开关管q3和所述第四q4的开关频率(通过dcdc前级传递)保持一致，即根据所生成的占空比信号和dcdc前级传递的频率信号，控制所述第一开关管q1和所述第二开关管q2动作，完成ac电压或者ac电流的控制。
114.更进一步地，由于在逆变应用工况下，只有在所述第一开关管q1和所述第四开关管q4同时导通时，第一电感l1的电流il1才能线性增加，为了能提高该电流的上升速度且同时可以降低所第一开关管q1(或所述第二开关管q2)的损耗，作为其中一种优选实施方式，可以延长所述第一开关管q1的导通时间并降低所述第一开关管q1的开关频率，即在图8(a)中，当所述第四开关管q4和所述第三开关管q3交替导通的这个时段内，所述第一开关管q1一直处于导通状态。所述第二开关管q2类似，不再赘述。
115.本发明的再一实施方式还提供了一种车辆，所述车辆包括上述任一实施方式所述的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构或采用上述任一实施方式所述的一体化控制方法进行功率因数校正控制、正向充电工作模式控制和/或反向逆变工作模式控制。
116.由于本发明提供的车辆，与本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构和/或一体化控制方法进行功率因数校正控制、正向充电工作模式控制和/或反向逆变工作模式控制的基本原理相同，为了避免赘述，在此，不再展开说明，详细的内容可参见上述有关双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构和/或一体化控制方法的说明。进一步地，由于本发明提供的车辆，与本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构和/或一体化控制方法属于同一发明构思，因此，至少具有与其相同的有益效果。
117.应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的系统和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
118.另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
119.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆，本发明提供的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构，能够显著减少元器件使用数量，从而减小双向能量变换系统的体积并降低成本。从而以较简易的电路及
较低的成本实现功率因数校正，以及正向充电工作模式和反向逆变工作模式。而且，一体化控制方法简单，易于实施。
120.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
121.综上，上述实施例对本发明提出的双向能量变换系统的双阶拓扑集成结构、控制方法及车辆的不同构型进行了详细说明，当然，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。