双向充放电电机控制器之大陆篇

陈四川

最近看到Chalmers University of Technology和Continental搞的一个双向逆变充放电技术，仔细研究发现和比亚迪的思路近似，但又些很多不同。今天先写写大陆的方案，下一篇对比一下比亚迪的方案。

背景

现在限制电动汽车发展的关键因素就是续航，提高续航有两个思路，一是提高电池容量和密度，二是提高充电速度，让充电变得便捷。电池方面，短期内肯定有一定的瓶颈存在。充电现在有交流慢充和直流快充两种。交流慢充用的是车载充电机，通常只有3.3kW或6.6kW，功率都偏小，适合在家充。直流快充一般在公共场合，需要建充电桩和直流电源等设施。

                               
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那可不可以发展交流快充呢？实现交流大功率充电。想想如果实现了交流快充，各充电站只需要配大功率交流插座即可，减小了投资和占地，充电变得跟手机一样便捷了。

但交流快充的实现，需要在车上装一个大功率的充电机，成本会增加很多。很多人此时想到了车上的电机控制器（MCU），里面现成的三相主回路器件，而且在充电时，车肯定是静止的，MCU也是在一边闲置的。

                               
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传统电车上电力电子设备配置如上图所示，车上有电机控制器、车载充电机，地面有大功率的直流充电桩。而且地面直流充电桩，为了适配不同电池电压，内部需要一个DCDC转换装置。

                               
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大陆这套BCTS（Bidirectional Charge and Traction System）系统，如上图所示，取消了传统的车载充电机，在MCU和电池中间，加了一级DCDC，并将电机和MCU电压等级提高到了800V，电池还是维持400V。
BCTS有三种工作模式，驱动模式、充电模式、放电模式。

驱动模式

                               
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驱动模式下，没有连接充电枪，电池通过DCDC给MCU供电。由于DCDC将电压提高到了800V高压等级，大大降低了MCU和电机的电流。同时DCDC可以根据整车工况和电池状况，实时优化直流电压，以此来降低损耗，提高功率器件的寿命，减小EMI，减少连接铜排用量，进一步降低驱动系统成本。而且高压系统讨论的越来越多，以后是趋势，所以他们的这个方案还为以后高压方案做了铺垫。

充电模式

                               
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充电模式分两种，一是交流充电，一是直流快充。

交流充电时，电机的电感充当了网侧滤波器，MCU变成主动整流器，经过DCDC的升压，将能量送入电池。支持传统的单相交流慢充和大功率的三相交流快充。三相交流快电时的最大功率，理论上能到MCU的持续功率值，几十个kW，接近交流慢充的10倍左右。

直流快充时，由于车上已经有了DCDC，所以地面直流充电桩只需要输出恒定的电压即可，也减小了地面充电桩的投资，对于400V或800V的充电桩都适用。同时充电电压的提高，降低了充电电流，可以用重量更轻的电缆。

发电模式

                               
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因为所有的设备都是双向的，所以可以很简单实现交流和直流发电。发电模式可以有很多场景应用，包括V2L、V2G、V2V等，受很多客户的欢迎。

综上，这是一种能实现高低压、交流和直流、快充和慢充、充电和放电等多种模式的方案。

方案实现

具体工程化的细节，资料很少。

MCU硬件方面，采用的是1200V的IGBT，电流大概225Arms，容量在200KVA左右。驱动时，MCU的开关频率10kHz；充放电时，为了提高电能质量，会提高开关频率。虽然提高了开关频率会造成发热量的增加，但由于功率小，发热在可接受的水平。

MCU软件方面，需要增加主动整流控制策略，跟传统的永磁电机控制策略相似，都是矢量控制，只是角度的检测从电机转子位置变成了电网相位。

                               
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DCDC Booster为了减小电感的体积，采用了SiC Mos，开关频率提高到了80kHz。


电机绕组采用了发卡式，因为充放电模式需要用到电机的电感当滤波器，所以需要解开电机绕组，进行串并联重组，得到合适的感值，发卡式绕组更便于这种重组。

                               
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绕组重组短接，采用的是接触器进行。

问题

看了大陆的介绍，当时这方案应该在还学术讨论范畴，不知大陆现在怎么评估其工程化的可能性。

我能想到的工程实践过程中还有如下问题，大家有想法欢迎留言补充。

1、充放电时，电机的绕组怎么重组？解开电机的三相绕组，并将电感并入电网，需要很多的接触器，会让系统变得很臃肿，并降低了系统的可靠性和效率。一个能绕组重组的电机，其引出端子必定很多，设计和制造难度不小。

2、 电机充放电时，怎么避免电机轴端没有转矩输出？靠算法保证，还是有物理的止锁装置？

3、受MCU主回路拓扑限制，单相充电的效率必定很低。电机绕组会发热、开关频率不高、没法做PFC、直流电容电压波动、没法隔离，这些问题会限制单相充电功能。

4、为了提高发电的电能质量，控制器输出侧还应需要一堆滤波器，这些滤波器只能在充电和发电过程中投入，在驱动时应该退出，又需要若干个开关来实现。

5、充电不再仅仅是BMS的事情了，需要整车参与，在协议和接口方面，如何适应现有的充电桩？

欢迎关注公众号： 电力电子杂谈

                               
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袁建州

很好！就是看不到图

陈四川

袁建州 发表于 2018-2-9 09:59
很好！就是看不到图

没办法，论坛不好上传图片，发表的时候还能看图片，后来就看不到了。

方便的话关注公众号吧。

雪松知到

陈四川 发表于 2018-2-21 12:26
没办法，论坛不好上传图片，发表的时候还能看图片，后来就看不到了。

方便的话关注公众号吧。{:1_562: ...

关注哪个公众号，提供下，谢谢

小吴

东西很好，能不能把图片单独发我一下。学习学习一下