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在燃油汽車向電動(dòng)汽車（Electric Vehicle, EV）轉(zhuǎn)變的進(jìn)程中，插電式混合電動(dòng)汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）兼?zhèn)淞闩欧诺倪\(yùn)行工況和續(xù)航久的優(yōu)點(diǎn)，在混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)下能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模式下帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池充電，在當(dāng)下動(dòng)力電池技術(shù)受限，充電樁設(shè)施不完善的情況下，不失為該進(jìn)程中一種很好的過渡選擇。

對(duì)于混合電動(dòng)汽車的車載變換器，目前多采用傳統(tǒng)兩電平背靠背變換器拓?fù)?，但該方案需要額外的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）。針對(duì)車載功率變換器拓?fù)洌瑖鴥?nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了很多研究。

有學(xué)者提出利用H橋級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)結(jié)合DC-DC變換器對(duì)動(dòng)力電池模塊進(jìn)行能量管理，并引入高、中頻變壓器結(jié)構(gòu)，將BMS系統(tǒng)結(jié)合在車載變換器中，提高了電池組的使用壽命和安全可靠性，適用于多種電動(dòng)汽車。

有學(xué)者提出利用模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）作為車載變換器，該一體化拓?fù)淇赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)BMS、EV電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池充電等功能的系統(tǒng)集成。

有學(xué)者對(duì)包括開關(guān)電容型在內(nèi)的十幾種現(xiàn)有BMS拓?fù)涞母鞣N性能與MMC拓?fù)溥M(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，基于MMC的BMS在體積、成本、均衡時(shí)間及效率等方面具有一定的優(yōu)勢，并且該拓?fù)渚哂须姵毓收细綦x及故障冗余處理能力，更重要的是該拓?fù)洳捎猛粋€(gè)變換器實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和充/放電，而不需增加額外硬件。

此外，由于該方法采用級(jí)聯(lián)模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可采用低壓開關(guān)器件和較低的開關(guān)頻率，具有較低的開關(guān)損耗，因此，相比兩電平變換器，其輸出電壓和電流具有較低的波形諧波畸變率、dU/dt和電磁干擾，在一定程度上能減少電機(jī)諧波損耗。但該拓?fù)渲荒芴峁┮粋€(gè)三相交流端口，無法用于帶獨(dú)立發(fā)電機(jī)的混聯(lián)式PHEV車載變換器系統(tǒng)。

能夠通過外接電源進(jìn)行充電是PHEV區(qū)別于傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車的一個(gè)顯著優(yōu)勢，因此充電系統(tǒng)中用來實(shí)現(xiàn)電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）均衡的BMS便是不可或缺的一部分。目前多數(shù)動(dòng)力電池通常采用多個(gè)單體電池串聯(lián)的形式供電，這就面臨電池個(gè)體差異所帶來的電池過充過放現(xiàn)象，降低了電池的使用效率，影響了電池組的循環(huán)壽命。因此，通常需要昂貴而復(fù)雜的BMS系統(tǒng)來保證電池組的SOC均衡以及車輛的安全運(yùn)行。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問題提出了很多被動(dòng)或主動(dòng)均衡電池SOC的策略。

• 有學(xué)者針對(duì)由多個(gè)單體電池串聯(lián)而成的動(dòng)力電池組的均衡充電控制策略進(jìn)行了研究，提出了一種在單體電池上通過開關(guān)并聯(lián)電阻，從而調(diào)節(jié)單體電池充電電流的耗散型均衡充電控制策略。該方法能夠消除單體電池不一致對(duì)電池組循環(huán)壽命的影響，提高電池組的充電速度。
• 有學(xué)者提出一種利用動(dòng)力電池組總能量給能量低的單體電池進(jìn)行電能補(bǔ)充的主動(dòng)均衡充電策略，該方法需要先將總電池組電壓進(jìn)行降壓處理，然后對(duì)選中的單體電池進(jìn)行均衡充電，與傳統(tǒng)的耗散型均衡策略相比具有較高的效率，但不可避免地引入了變壓器結(jié)構(gòu)。
• 有學(xué)者基于車載MMC變換器拓?fù)?，提出一種主動(dòng)電池充電的均衡控制策略，證明了該策略可以在最差的電池SOC不均衡狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，但該方案只適用于具有單臺(tái)電機(jī)的電動(dòng)汽車，不能解決混聯(lián)式PHEV的充電問題。

綜合現(xiàn)有研究成果和存在的上述問題，以及混聯(lián)式PHEV自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東大學(xué)）的研究人員提出了一種基于“背靠背”MMC的PHEV新型一體化功率變換器拓?fù)洌˙ack-to-back MMC-Hybrid Electric Vehicle, BMMC- HEV）及其動(dòng)力電池充電策略。

圖1 BMMC-HEV拓?fù)?/p>

圖2 BMMC-HEV拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及外接電源充電連接

圖3 SOC均衡層次化控制框圖

該拓?fù)涞膬蓚€(gè)三相交流端口可分別連接發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無需額外的中間變換器環(huán)節(jié)，BMMC-HEV既擔(dān)任電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，又可直接用于PHEV的單相交流充電模式，無需額外的充電電路，有利于整車一體化設(shè)計(jì)，提高變換器功率密度。

提出的基于層次化控制的動(dòng)力電池充電策略，結(jié)合了該拓?fù)涞膬?yōu)勢，無需復(fù)雜的BMS系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)各電池單元的SOC均衡控制，且具有較高的功率因數(shù)。通過Simulink仿真平臺(tái)以及RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器所搭建的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提均衡充電策略的有效性。

接下來的工作將針對(duì)該BMMC-HEV拓?fù)溲芯肯鄳?yīng)的以電池SOC均衡為基礎(chǔ)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略。

以上研究成果發(fā)表在2020年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于模塊化多電平變換器的插電式混合電動(dòng)汽車系統(tǒng)充電控制策略”，作者為銀澤一、王廣柱、程振興。