多功能双向隔离型的车载充电机及其控制方法

本发明属于电力电子变换器，具体涉及一种多功能双向隔离型的车载充电机，还涉及该车载充电机的控制方法。

背景技术：

1、现阶段，电动化、网联化、智能化成为汽车产业的发展潮流和趋势，电动汽车也成为了具有一定发展前景的新能源产业之一，但仍然受到现有政策、技术、经济的制约。一方面，受高电池成本、短电池寿命、短续驶里程、长充电时间和充电设施落后的影响；另一方面，新型电力系统的发展对电动汽车提出了新的要求，为加强电动汽车与电网的能量互动，需要电动汽车同时具备g2v与v2g能力，以实现削峰填谷、负荷平衡以及新能源消纳等辅助功能。因此，解决电动汽车续航和充电问题是推动其快速发展的关键。

2、车载充电机作为电动汽车的核心部件之一，它对电动汽车动力电池的充电效率和安全可靠性起着重要作用。现有的车载充电机采用的拓扑大多为单向单级式，由于其结构和控制简单被广泛应用，但存在功能单一，适应性较差的缺点，不利于车载充电机的发展和推广；因此，研究具有与其他车网荷综合交互功能的车载充电机成为该领域的热点，也是车载充电机的发展趋势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种多功能双向隔离型的车载充电机及其控制方法，解决了现有技术中车载充电机的结构和功能相对较为单一，适应性有待进一步提高的问题。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、多功能双向隔离型的车载充电机，包括前级sepic-zeta无桥pfc和后级双向clllc变换器；前级sepic-zeta无桥pfc包括相连接的双向全桥ac/dc变换器和双向sepic-zetadc/dc变换器；双向全桥ac/dc变换器与220v单相电网相连接；后级双向clllc变换器与双向sepic-zeta dc/dc变换器相连接；后级双向clllc变换器的正反向谐振环节相同，以便于软开关的实现，后级双向clllc变换器最终与电动汽车动力电池相连接，联合前级sepic-zeta无桥pfc为动力电池充电。

4、本发明的特点还在于：

5、双向全桥ac/dc变换器起到单位功率因数校正作用；双向sepic-zeta dc/dc变换器用于拓宽前级整体输出的直流母线电压范围，后级双向clllc变换器起到电气隔离、功率变换的作用。

6、双向sepic-zeta dc/dc变换器由sepic dc/dc变换器和zeta dc/dc变换器组合而成；双向sepic-zeta dc/dc变换器正向运行时，开关qs导通，qz关断，相当于sepic斩波电路；反向运行时，开关qs关断，qz导通，相当于zeta斩波电路。

7、前级sepic-zeta无桥pfc通过控制开关s1～s4的通断，以便使车载充电机具备多种功能；在车载充电机正向运行时，如果控制s1与s2，s3与s4互补导通，此时双向全桥ac/dc变换器为单相pwm整流器，车载充电机可以实现g2v功能；如果控制s1与s4一直导通，s2与s3一直关断，此时前级sepic-zeta无桥pfc直接变为双向sepic-zeta dc/dc变换器，车载充电机可以实现v2v和v2l功能；在车载充电机反向运行时，如果控制s1与s2，s3与s4互补导通，此时双向全桥ac/dc变换器为单相全桥逆变器，车载充电机可以实现v2g功能；如果控制s1与s4一直导通，s2与s3一直关断，此时车载充电机可以实现v2v和v2l功能。

8、双向全桥ac/dc变换器与双向sepic-zeta dc/dc变换器连接处的直流电压始终控制为固定值不变，而前级sepic-zeta无桥pfc整体输出的直流母线电压通过双向sepic-zeta dc/dc变换器中qs与qz的开通关断进行控制。

9、该车载充电机中的开关器件均采用sic mosfet；后级双向clllc变换器采用一个高频变压器，设定其匝比为1。

10、基于该车载充电机，其控制方法包括基于单双环切换的变直流母线电压控制方法和基于变频(pulse frequency modulation，pfm)与扩展移相(extended phase shift,eps)混合调制的clllc控制方法。

11、首先，由车载充电机工作模式及输出电压uo大小确定充电阶段；当车载充电机工作于g2v模式，uo小于设定域值时，处于充电初期，动力电池soc值较低，此时采用恒流方式进行快速充电，为单电流环控制，保证输出电流恒定，避免瞬间大电流可能对电池造成的冲击；当soc达到设定域值时，由恒流充电转换为恒压充电,此时为电压电流双闭环控制，电压外环控制的输出作为电流内环的给定值，为动力电池提供可变的充电电流，并控制输出电压恒定，确保充电电流连续，避免电池过充情况；当车载充电机工作于v2v、v2l和v2g模式时，只需要保持输出电流恒定即可，此模式下一直为恒流充电，采用单电流环控制；以单双环切换控制充电方式的变换；

12、其次，通过直流母线电压控制器，根据不同充电阶段下输出电压uo的变化来调节直流母线电压大小；当udmin≤uo≤udmax时，直流母线电压跟随输出电压uo的变化而变化，通过对双向sepic-zeta dc/dc变换器进行pwm控制来调节直流母线电压，使ud＝uo；当uo>udmax，且输出电压要求继续增大时，采用pwm控制双向sepic-zeta dc/dc变换器以保持直流母线电压为udmax不变；当uo＜udmin，且输出电压要求继续减小时，采用pwm控制双向sepic-zeta dc/dc变换器以保持直流母线电压为udmin不变。

13、基于变频与扩展移相混合调制的clllc控制方法为：

14、设定后级双向clllc变换器变压器变比为1，一方面通过调节直流母线电压大小进而拓宽输出电压范围，另一方面，通过“pfm+eps”混合调制方式分段控制输出电压；

15、当udmin≤uo≤udmax时，ud＝uo，此阶段后级clllc变换器增益m＝1，采用pfm调制方式对输出电压进行控制，后级clllc变换器始终工作在谐振频率点，实现原边零电压开通和副边零电流关断，达到效率峰值；当uo>udmax时，uo＝udmax不变，此时后级双向clllc变换器的增益m>1，采用pfm调制方式控制输出电压，通过控制后级clllc变换器的开关频率来实现对输出电压的控制，使变换器工作在欠谐振区域，增益曲线斜率为负，保证zcs实现；当uo＜udmin时，uo＝udmin不变，此时后级clllc变换器增益m<1，采用eps调制方式，通过调节移相角度来控制输出电压。

16、eps调制方式包括：在m<1时，固定后级双向clllc谐振变换器的开关频率不变，一方面，对原边h桥内部进行移相调制，使原边h桥两个桥臂的开关管之间移相角为d1，控制原边谐振回路电压方波的占空比，另一方面，对原副边两个h桥之间进行移相调制，控制原边和副边两个h桥的开关管之间移相角为d2；通过调节两组移相角d1和d2来控制输出电压。

17、本发明的有益效果是，本发明多功能双向隔离型的车载充电机及其控制方法，从拓扑结构上，前级通过控制开关管的通断能够实现v2g、g2v、v2v及v2l等多种功能。

18、v2g/g2v功能：本发明提供的车载充电机使电动汽车既能由电网给其充电，也能向电网放电，满足并网要求，在用电低谷时电网给电动汽车充电，用电高峰时由电动汽车放电回馈给电网，该功能有利于电动汽车有序充电的实施，起到削峰填谷的作用。

19、v2v功能：电动汽车由于续航能力有限，在紧急情况下可以通过本发明提供的车载充电机进行车与车之间互相充电。

20、v2l功能：在户用储能领域，本发明提供的车载充电机可将电动汽车动力电池的电能传递给常规负载，也可使电动汽车作为应急电源使用。

21、从控制策略上，一方面，基于单双环切换的变直流母线电压控制方法能有效解决电动汽车动力电池充电过程中电流断续的问题，同时避免了瞬间大电流对动力电池的冲击，防止发生动力电池过充情况，保证了充电的快速性和安全性；另一方面，基于“pfm+eps”混合调制的clllc控制方法，根据电压增益进行分段控制，发挥了pfm和eps两种方法的优势，易于实现全功率范围软开关，极大的提高了车载充电机的运行效率，拓宽了车载充电机输出电压范围，使一种充电机能够应用于多种电动汽车进行充电，增强了车载充电机的适应性。