龍 波 李迅波 郝曉紅 黃 波 周曉東 郎曼江 胡慶華

（1.電子科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院 成都 610054 2.川慶物探公司國際勘探事業(yè)部 成都 610213 3.四川華能涪江水電有限責(zé)任公司 成都 610021 4.四川寶石機械成都裝備制造分公司 成都 610051）

1 引言

近年來隨著電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展，電動汽車用電池的參數(shù)和性能直接影響著電動汽車技術(shù)的普及。如何評價電動汽車用電池的性能成為了電動車電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，電動汽車動力電池組測試系統(tǒng)（Power Accumulator Battery Pack Testing System，PABPTS）正是用來評價各類動力電池組性能的設(shè)備。它可以對動力電池組進行恒流、恒壓、恒功率和內(nèi)阻測試。

該設(shè)備參數(shù)通常需要滿足如下要求[1,2]：①高電壓，大電流的輸出能力（比如450V/500A，225kW）；②全量程范圍的電壓和電流測試能力；③可調(diào)節(jié)測試電流從零到設(shè)置值的響應(yīng)時間必須控制在 15ms的范圍內(nèi)；④高功率因數(shù)、低總諧波的網(wǎng)側(cè)電流；⑤具備能量回饋的能力，放電能量可以高效率的回饋到電網(wǎng)以供網(wǎng)側(cè)其他負載使用。

從當前動力電池組測試系統(tǒng)的現(xiàn)狀而言，大多采用的是非并網(wǎng)型的測試系統(tǒng)，為得到高精度的測試電流，現(xiàn)有技術(shù)基本思路是使得放電測試用功率器件工作在線性放大區(qū)，將放電測試能量用功率電阻損耗掉。該方法的優(yōu)點是精度高，響應(yīng)速度快、電流諧波小，缺點是功耗大、能量不能回收再利用，不能測試較大的放電電流。

針對動力電池組放電的能量回收控制極其設(shè)計方面，前期已經(jīng)做了一定的工作[3-6]。本文將在前期的工作基礎(chǔ)上繼續(xù)研究并提出一種無變壓器型的動力電池組測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲中所有功率器件均功率在開關(guān)狀態(tài)，同時具備較低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗，由于采用了多電平逆變技術(shù)，其輸出電流諧波含量小，另外系統(tǒng)中沒有工頻變壓器，使得其并網(wǎng)效率大大提高。改進的功率主電路拓撲可以實現(xiàn)大范圍、高精度的恒壓、恒流、恒功率等測試，并且可以將放電能量直接回饋到電網(wǎng)，在實現(xiàn)電池測試的同時達到了節(jié)能的目的。

2 并網(wǎng)無變壓器動力電池組測試系統(tǒng)拓撲

2.1 系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 中給出了能量回收動力電池組測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其主要由以下幾個部分組成：①待測試串聯(lián)動力電池組vbat；②升/降壓電流濾波電感L；③非隔離雙向DC-DC 半橋變換器；④直流母線側(cè)電解電容Cdc；⑤三相電壓源型二極管中點電壓鉗位型三電平AC-DC 半橋變換器；⑥逆變器輸出電流濾波器；⑦動力電網(wǎng)vg。

圖1 并網(wǎng)動力電池組測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the proposed grid-connected energy recovery power accumulator battery pack testing system

系統(tǒng)采用二極管中點電壓鉗位型三電平逆變器的主要目的是降低功率器件開關(guān)應(yīng)力、改善輸出電流總諧波含量，使得濾波器體積降低，縮小系統(tǒng)的體積和重量，同傳統(tǒng)的兩電平逆變器加外置工頻變壓器以及電流濾波器的方案相比，具有更多的優(yōu)勢。

2.2 系統(tǒng)工作原理

動力電池組測試系統(tǒng)的工作原理主要包括兩個方面：充電模式和放電模式，充電模式主要用來模擬電動車在剎車制動情況下動力電池組接受充電電流的能力。目前，電動車輛的控制器大多采用了再生制動控制策略，將剎車制動的能量經(jīng)升壓控制后回收到蓄電池中，這樣可以延長蓄電池一次充電行駛里程。充電模式模擬了制動能量回收對蓄電池充電情況。此時，動力電網(wǎng)經(jīng)過電流濾波器以及三相PWM 整流器進行單位功率因數(shù)升壓整流控制（cosθ=1）后，再經(jīng)雙向DC-DC 變壓器對蓄電池組進行高精度充電控制，該狀態(tài)下充電電流方向如圖2 中的實線箭頭所示。

放電模式主要用來模擬電動車輛在啟動、加速、爬坡等情況下動力蓄電池組的供電能力，由于瞬間大電流放電會帶來電池組發(fā)熱、使用壽命降低等問題，因此需要對動力電池組的瞬間大電流放電能力進行評估。當動力電池組做放電測試時，動力電池組通過Boost 變換器，在實現(xiàn)恒流放電的同時將低壓直流信號升壓至并網(wǎng)逆變器所需要的最小直流母線電壓，當直流母線電壓達到設(shè)定值時，通過對三相并網(wǎng)逆變器的單位功率因數(shù)控制（cosθ=-1），實現(xiàn)輸出電流濾波后并網(wǎng)發(fā)電。該狀態(tài)下的放電電流方向如圖2 中虛線箭頭所示。

圖2 并網(wǎng)動力電池組測試系統(tǒng)充放電工作原理Fig.2 Operation principles of the grid-connected energy recovery PABPTS under charging and discharging mode

3 復(fù)合主電路功率變換器及其控制

圖3 給出了充放電控制部分的主電路結(jié)構(gòu)，可以看出，由于直流母線部分含有大量的電解電容以維持直流母線電壓的穩(wěn)定，同時可以作為無功能量的緩沖，因此，DC-DC 變換器和AC-DC 變換器是解耦的，可以進行獨立控制。下面對這兩個主電路的控制策略進行分別介紹。

圖3 恒流測試工作模式下Boost 變換器連續(xù)放電測試模式下工作原理Fig.3 Operation principle of Boost converter under continuous discharging current testing mode

3.1 恒流放電模式下Boost 變換器控制

由于系統(tǒng)中兩套主電路是解耦的，故而將Boost變換器部分分離出來分析，得到如圖3 所示的主電路結(jié)構(gòu)。其中iref代表設(shè)定的放電電流參考指令值，vbat是串聯(lián)動力蓄電池組端電壓，L 是變換器升壓電感，vc代表直流母線電容端電壓；idis代表動力電池組放電電流。圖3 中給出了VT6分別在導(dǎo)通和關(guān)斷情況下電池組放電電流方向，關(guān)于Boost 變換器連續(xù)電流工作模式下的數(shù)學(xué)模型、電抗器參數(shù)設(shè)計和控制器的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并在文獻[3]中進行了詳細說明，此處不再贅述。

3.2 并網(wǎng)逆變器控制策略

為由文獻[7]可知，三相并網(wǎng)逆變器在dq0 坐標系下的數(shù)學(xué)模型為

式中，id、iq為并網(wǎng)有功和無功電流分量；i0為零電流分量；R 為線路等效電阻；L 為網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)電感；Dd、Dq分別為dq 坐標系下等效控制占空比；ed、eq為dq 坐標系下電網(wǎng)的等效輸入電壓分量；vdc為直流母線電壓；L 為并網(wǎng)電感；將Dd和Dq分別與直流母線電壓相乘得到等效輸入電壓vd、vq，于是式（1）可以改寫為

為簡化分析，在式（2）中，令

得到dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下有功和無功軸的等效控制占空比為

將式（2）、式（3）和式（4）相結(jié)合，得到電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖4 所示。其中，sd、sq分別為閉環(huán)dq 軸電流誤差，Gd(s)、Gq(s) 為dq 坐標系下有功、無功電流控制器。圖4 中可以看出，id、iq一個相互耦合的系統(tǒng)，為了實現(xiàn)兩者獨立控制，需要進行系統(tǒng)解耦，此時需要引入ω0L、ed*、eq*三個變量，得到解耦后的系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

圖4 解耦前電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of the inner current closed loop before decoupling

圖5 解耦后電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of the inner current closed loop after decoupling

從圖5 中可以看出，通過解耦，dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的有功、無功電流分量可以分別進行獨立控制。圖6 給出了無隔離變壓器并網(wǎng)型的能量回收動力電池組測試系統(tǒng)控制框圖，其主要由兩個大的部分組成，一個雙向DC-DC 變換器和一個三相電壓源型的并網(wǎng)逆變器。DC-DC 變換器根據(jù)測試需要主要實現(xiàn)恒流、恒壓和恒功率放電測試，在動力電池組放電的同時，會導(dǎo)致直流母線電壓的升高，如果直流母線電壓不能得到有效控制，必然導(dǎo)致直流側(cè)功率器件出現(xiàn)過壓擊穿。因此，在三相逆變器側(cè)，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方案，并網(wǎng)電流的指令值由直流母線電壓外環(huán)的輸出決定。并網(wǎng)逆變器側(cè)主要包括相電壓、相電流檢測模塊，鎖相環(huán)模塊用來檢測當前電網(wǎng)合成電壓矢量的位置信號。有功和無功電流檢測單元用來實現(xiàn)并網(wǎng)有功和無功電流的解耦控制。并網(wǎng)逆變器調(diào)制策略采用空間矢量調(diào)制，從而保證最大直流母線電壓的利用率。由于采用了LCL 型濾波器，使得其比傳統(tǒng)的L 和LC 型的濾波器具備更小的體積，輸出電流諧波進一步降低。文獻[8]給出了LCL 型濾波器的參數(shù)設(shè)計方法，文獻[9]給出了LCL 濾波器的振蕩抑制方法。

通過這種方法，動力電池組放電測試能量就通過三相并網(wǎng)逆變器回饋到電網(wǎng)，達到了實現(xiàn)放電測試目的同時實現(xiàn)了能量的回收，大大節(jié)約了測試用電功耗，提高了效率。該系統(tǒng)對于大功率充放電測試設(shè)備而言，具有更加重要的意義。

圖6 并網(wǎng)動力電池組測試系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.6 Schematic and control diagram of the proposed grid-connected energy recovery PABPTS

4 實驗及其結(jié)果分析

為了驗證前面提出的控制系統(tǒng)方案的有效性，本文搭建了一套175kW 的雙通道動力電池組測試系統(tǒng)硬件平臺。其中，并網(wǎng)逆變器部分實驗所采用的器件參數(shù)、動力電池組參數(shù)、雙向DC-DC 變換器以及雙向AC-DC 變換器參數(shù)如附表1 和附表2所示。IGBT 驅(qū)動芯片采用隔離光耦，型號為HCPL—316J，并網(wǎng)相電流采樣采用LT108—S7，核心控制CPU 采用TI 公司TMS320F28335，其具備強大的浮點運算能力和豐富的外設(shè)單元，非常適合該系統(tǒng)的應(yīng)用。直流母線電壓參考設(shè)定為900V，動力電池組由10 節(jié)12V/200AH 的鉛酸蓄電池組串聯(lián)組成。系統(tǒng)可以同時對兩組動力電池組進行同時充放電控制，提高了測試效率。

系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器部分電流內(nèi)環(huán)比例積分PI控制器參數(shù)設(shè)置為 kP=0.04，積分時間參數(shù)為T=0.012。電流采樣頻率設(shè)置為50μs。圖6 中PI 調(diào)節(jié)器的連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)表達式為

圖6 中有功和無功電流分量控制采用相同的控制器。實驗結(jié)果如圖7～圖10 所示。

圖7 恒流放電測試電流響應(yīng)Fig.7 Time response of discharging current

圖8 直流母線電壓、電流波形圖Fig.8Waveforms of DC-link voltage (vdc) and current (idc)

圖9 放電情況下有功、無功電流分量響應(yīng)Fig.9 Time response of the active and reactive current component (id,iq) under discharging mode

圖10 并網(wǎng)相電壓、相電流波形Fig.10Waveforms of grid-connected phase current and voltage

圖7 給出動力電池組放電測試電流響應(yīng)曲線，在20ms 時刻，放電電流指令值為200A，從實驗結(jié)果中可以看出，實際反饋電流在出現(xiàn)一定的超調(diào)后很快收斂至指令電流值，峰值電流達到225A 左右。60ms 時，指令值改變?yōu)?00A，可以看出放電電流同樣在一定的超調(diào)之后收斂于指令值。

圖8 給出直流母線電壓、電流的波形響應(yīng)。直流母線電壓外環(huán)指令值設(shè)定為900V，可以看出，在動力電池組放電電流指令值由200A 變成100A 時，直流母線電壓突然下降，然后回升值指令值，從直流母線的電流響應(yīng)可以看出，這是由于直流母線側(cè)電流降低，直流側(cè)電容充電速度變慢所致。

圖9 給出網(wǎng)側(cè)有功、無功電流響應(yīng)曲線，可以看出，通過解耦控制方法，可以分別對并網(wǎng)有功和無功電流分量進行控制，同時可以看出所設(shè)計的控制器在并網(wǎng)電感參數(shù)從1～0.67mH 之間變化時，依然可以實現(xiàn)比較好的穩(wěn)定性。

圖10 給出了并網(wǎng)相電壓和相電流的響應(yīng)波形，從實驗結(jié)果可以看出，電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度快，相電流和相電壓很好的保持同步，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)的控制，達到了系統(tǒng)的性能要求。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的以能耗功率電阻作為放電負載的動力電池組測試系統(tǒng)存在的功耗大、發(fā)熱嚴重、能量浪費的問題，將并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)與動力電池組測試技術(shù)相結(jié)合，提出了一種并網(wǎng)型能量回收動力電池組測試系統(tǒng)。分析了拓撲結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)側(cè)逆變器電流內(nèi)環(huán)解耦控制策略。實驗結(jié)果表明，該方案可以實現(xiàn)動力電池組恒流、恒壓和恒功率等測試，具有響應(yīng)速度快、測試范圍寬、電流諧波含量低、回收效率高等特點，滿足了動力電池組放電節(jié)能的需要，具有重要的意義。

附 錄

附表1 并網(wǎng)部分AC-DC 變換器實驗采用的器件參數(shù)App.Tab.1 Component parameters used for in AC-DC converter

附表2 實驗中采用動力電池組及逆變器參數(shù)App.Tab.2 Power accumulator and AC-DC inverter parameters used in experiment

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