呂常智潘家興謝力華

（1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.深圳市伊力科電源有限公司，深圳 518100）

車(chē)載式蓄電池充放電變換器的設(shè)計(jì)＊

呂常智1潘家興1謝力華2

（1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.深圳市伊力科電源有限公司，深圳 518100）

為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速地為電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充電，并將蓄電池作為備用電源設(shè)備，研制了一種電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充放電變換器。該變換器用較少的元件不僅實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的便捷快速充電和作為備用電源進(jìn)行放電，而且可作為充電樁的補(bǔ)充。針對(duì)該變換器的工作原理和控制策略進(jìn)行了論述，并通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了該變換器的可行性。

1 前言

隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，需要建設(shè)大量的充電設(shè)施以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的充電，雖然目前的充電樁建設(shè)項(xiàng)目較多，但是還未普及鄉(xiāng)村等邊遠(yuǎn)地區(qū)，因此如何實(shí)現(xiàn)在無(wú)允電樁的情況下快速地為電動(dòng)汽車(chē)蓄電池允電成為急需解決的問(wèn)題[1～4]。目前市場(chǎng)上的車(chē)載式充電器和車(chē)載式逆變器只有分體式，這種設(shè)備不僅功能單一而且占用了電動(dòng)汽車(chē)的空間[5]。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種車(chē)載式蓄電池充放電變換器（下稱充放電變換器）。該變換器通過(guò)插座或電纜與標(biāo)準(zhǔn)市電交流插座連接為電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充電，從而實(shí)現(xiàn)即插即充；另外，該充放電變換器可將電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的直流電逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的正弦交流電為用電設(shè)備提供有效電能。

2 充放電變換器工作原理

該充放電變換器采用的是電壓型全橋變流結(jié)構(gòu)，主要包括前級(jí)雙向PWM變流模塊、后級(jí)雙向DC-DC變換器以及變換器整體監(jiān)控系統(tǒng)等，其工作原理見(jiàn)圖1。該充放電變換器的設(shè)計(jì)采用了可逆變流技術(shù)，當(dāng)其處于充電模式時(shí)，通過(guò)電網(wǎng)接入單相交流電，由前級(jí)雙向PWM變流模塊轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，再通過(guò)雙向DC-DC變換器降壓后為電動(dòng)汽車(chē)蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)其處于備用電源模式時(shí)，蓄電池電能經(jīng)雙向DC-DC變換器升壓后再由前級(jí)雙向PWM變流模塊逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的正弦交流電。充放電變換器工作模式的切換利用物理開(kāi)關(guān)控制。

3 充放電變換器的電路設(shè)計(jì)

3.1 充放電變換器前級(jí)雙向變流電路

為抑制電網(wǎng)側(cè)高頻諧波對(duì)充放電變換器的干擾，設(shè)計(jì)添加了LCL結(jié)構(gòu)的濾波器，該濾波器對(duì)諧波的衰減能力較強(qiáng)，能夠以較小的體積實(shí)現(xiàn)較高的總諧波電流畸變率THDi指標(biāo)，從而提高該充放電變換器的運(yùn)行穩(wěn)定性[6，7]。圖2為充放電變換器的前級(jí)電路，包含了LCL結(jié)構(gòu)的濾波器和雙向PWM變流器。

圖2 充放電變換器前級(jí)雙向變流電路

雙向PWM變流器在不同工作模式下的工作方式不同，當(dāng)充放電變換器工作于正常充電模式時(shí)，雙向PWM變流器進(jìn)入PFC整流工作狀態(tài)，其將由電網(wǎng)側(cè)輸入的正弦交流電壓整定為恒定的直流電壓，并作為充放電變換器的直流母線電壓；當(dāng)充放電變換器工作于備用電源模式時(shí)，雙向PWM變流器作為逆變器工作，其將自直流側(cè)吸收的電能逆變成純正弦電壓，蓄電池釋放的電能將被有效利用或回饋至交流電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)將電動(dòng)汽車(chē)蓄電池作為一個(gè)儲(chǔ)備電源和調(diào)頻設(shè)備。

3.2 充放電變換器后級(jí)雙向DC-DC電路

雙向DC-DC變換器可在不同的工作模式下采用不同的控制策略。當(dāng)充放電變換器工作于整流充電模式時(shí)，雙向DC-DC變換器進(jìn)入Buck變換模式，將直流母線電壓經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換為0～370 V的可調(diào)直流電壓輸出；當(dāng)充放電變換器工作于備用電源模式時(shí)，雙向DC-DC變換器進(jìn)入Boost變換模式，它將蓄電池側(cè)回饋的直流電能通過(guò)高頻升壓轉(zhuǎn)換為直流母線電壓。充放電變換器后級(jí)DC-DC拓?fù)潆娐芬?jiàn)圖3。

圖3 充放電變換器后級(jí)雙向DC-DC拓?fù)潆娐?/p>

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)蓄電池需要充電及充放電變換器進(jìn)入整流充電模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管T5、D6和電感器協(xié)同工作，雙向DC-DC變換器工作在Buck降壓模式。充電回路的電壓基爾霍夫方程為：

式中，Vbus為圖3中直流母線電壓；Vbat為圖3中蓄電池電壓；Id為圖3中蓄電池工作電流；L3為圖3中直流電抗。

由此可得充電回路的傳遞函數(shù)為：

式中，τ(s)為電磁慣性時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)蓄電池放電及充放電變換器工作在備用電源模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管T6、D5和電感器協(xié)同工作，雙向DC-DC變換器工作在Boost升壓模式。放電回路的電壓基爾霍夫方程為：

備用電源回路的傳遞函數(shù)為：

4 充放電變換器控制策略

4.1 雙向PWM變流器的控制策略

當(dāng)充放電變換器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，雙向PWM變流器交流側(cè)輸入功率與直流側(cè)的輸出功率平衡，忽略損耗，則:

由此可得：

式中，Va、Ia分別為圖2中交流輸入端電壓與電流的有效值；Vbus、Ib1分別為圖2中母線整流電壓與直流母線電流；Kt為變流器的交流輸入側(cè)與直流輸出側(cè)之間的傳遞系數(shù)。

當(dāng)充放電變換器處于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，雙向PWM變流器的直流母線電流符合基爾霍夫電流方程：

式中，Ic1為直流母線電容的電流；Id1為經(jīng)過(guò)直流母線電容C后的輸出電流；C1、C2為兩個(gè)并聯(lián)在直流母線上的電容。

通過(guò)調(diào)節(jié)控制環(huán)內(nèi)環(huán)的電流，可以控制直流側(cè)電容的電流，從而調(diào)節(jié)直流母線電壓；控制外環(huán)采用了直流電壓環(huán)，可減小直流母線電壓的波動(dòng)，提高充放電變換器的運(yùn)行穩(wěn)定性。雙向PWM變流器的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中，Vbus_ref為整流母線的基準(zhǔn)電壓；Vout為實(shí)時(shí)采集的逆變輸出電壓；Vout_ref為逆變輸出電壓的基準(zhǔn)電壓。

圖4 雙向PWM變換器的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

4.2 雙向DC-DC變換器的控制策略

雙向DC-DC變換器在不同工作模式下采用不同的控制策略。為了減小充放電變換器運(yùn)行中存在的穩(wěn)態(tài)誤差，雙向DC-DC變換器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電與放電的控制過(guò)程中，均采用電流環(huán)與電壓環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方式，而且添加了PI調(diào)節(jié)功能[8～11]。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)蓄電池進(jìn)行恒壓充電時(shí)，為了保證蓄電池充電電壓的恒定，控制外環(huán)選擇電壓環(huán)，控制內(nèi)環(huán)選擇電流環(huán)；當(dāng)蓄電池進(jìn)行恒流充電或放電工作時(shí)，直流的電壓外環(huán)不工作，只有電流內(nèi)環(huán)起作用。雙向DC/DC控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中，Vbat_ref為蓄電池電壓的基準(zhǔn)電壓，Vbus_ref為直流母線電壓的基準(zhǔn)電壓。

5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該充放電變換器的可行性，利用軟件PSIM建立了充放電變換器的功率電路仿真模型。不同模式下充放電變換器的設(shè)計(jì)指標(biāo)分別見(jiàn)表1和表2。

圖5 不同模式下雙向DC/DC控制結(jié)構(gòu)

表1 充放電變換器充電模式設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2 變換器備用電源模式設(shè)計(jì)指標(biāo)

5.1 蓄電池充電仿真

當(dāng)充放電變換器處于穩(wěn)定的充電模式時(shí)，交流輸入電壓與交流輸入電流的相位、頻率保持同步。功率因數(shù)近似為1，能量流動(dòng)方向?yàn)橛呻娋W(wǎng)側(cè)流向電動(dòng)汽車(chē)蓄電池側(cè)。表3為充放電變換器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)、有功功率和THDi仿真測(cè)試結(jié)果。

表3 充電模式下功率因數(shù)、有功功率和THDi仿真測(cè)試結(jié)果

圖6為充放電變換器充電模式下直流母線電壓波形與蓄電池電壓波形，圖7為充放電變換器在充電模式下蓄電池充電電流波形。由于在仿真中對(duì)充電電流進(jìn)行0.1倍采樣，所以充電電流保持在10 A左右。由圖6和圖7可知，該充放電變換器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。

圖6 充放電變換器在充電模式下直流母線電壓與蓄電池電壓波形

圖7 充放電變換器在充電模式下蓄電池充電電流波形

5.2 蓄電池放電仿真

圖8為充放電變換器在備用電源模式下逆變時(shí)的直流母線電壓Vbus波形，圖9為充放電變換器在備用電源模式下逆變輸出交流電壓VP3與電流Iout波形。由圖可知，當(dāng)充放電變換器工作于備用電源模式并且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)蓄電池進(jìn)行放電，充放電變換器逆變的輸出電壓與輸出電流的相位保持同步，功率因數(shù)近似為1，能量流動(dòng)方向?yàn)橛呻妱?dòng)汽車(chē)蓄電池側(cè)流向用電設(shè)備側(cè)[12，13]。表4為充放電變換器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)、有功功率和THDi仿真測(cè)試結(jié)果。

5.3 充放電變換器性能測(cè)試

圖10為充放電變換器突加負(fù)載和突卸負(fù)載時(shí)的變化波形。由圖10可看出，在突加負(fù)載和突卸負(fù)載時(shí)直流母線電壓波動(dòng)較小，恢復(fù)很快，突變電壓在0.001 s內(nèi)恢復(fù)正常，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 充放電變換器在備用電源模式下直流母線電壓波形

圖9 充放電變換器在備用電源模式下逆變輸出電壓、電流波形

表4 備用電源模式下功率因數(shù)、有功功率和THDi的仿真測(cè)試結(jié)果

圖10 突加負(fù)載和突卸負(fù)載時(shí)電壓與電流的瞬時(shí)波形

5.4 硬件平臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)前述分析搭建車(chē)載式蓄電池充放電變換器的實(shí)物測(cè)試環(huán)境。設(shè)置交流側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)市電電壓220 V，頻率為50 Hz。根據(jù)某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的要求，并且考慮蓄電池的浮充電壓，該充放電變換器的蓄電池充電電壓設(shè)定為370 V。電動(dòng)汽車(chē)蓄電池容量設(shè)定為3 kW，交流電抗為2 mH，直流母線電壓為650 V，直流母線電容為10 000 uF/1 000 V。大功率開(kāi)關(guān)器件選用Infineon的FF750R12ME4型IGBT，開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。測(cè)試樣機(jī)如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖11 車(chē)載式蓄電池充放電變換器實(shí)物照片

圖12 充電模式下直流母線電壓波形

圖13 備用電源模式下輸出電壓與電流波形

當(dāng)充放電變換器處于穩(wěn)定的充電模式時(shí)，其功率因數(shù)、有功功率和THDi的實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表5所列；當(dāng)充放電變換器處于穩(wěn)定的備用電源模式時(shí)，其功率因數(shù)、有功功率和THDi實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表6所列。

由圖11可看出，實(shí)測(cè)的穩(wěn)定電壓為650 V，與仿真測(cè)試的電壓值相符，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求；由圖12可看出，經(jīng)過(guò)充放電變換器的逆變輸出電壓和電流波形符合標(biāo)準(zhǔn)正弦波波形，頻率為50 Hz，輸出電壓有效值為220 V，與仿真的電壓波形和數(shù)據(jù)（圖7b）一致；由圖13可看出，充放電變換器在遇到突加負(fù)載與突卸負(fù)載時(shí)，電壓恢復(fù)時(shí)間平均為0.003 s，與仿真數(shù)據(jù)基本相符。通過(guò)對(duì)比表1～表6可知，充放電變換器在充電模式下和備用電源模式下的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，上述結(jié)果表明，該充放電變換器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能和可行性目標(biāo)。

圖14 備用電源模式下多次突加負(fù)載與突卸負(fù)載時(shí)輸出電壓與電流波形

表5 充放電變換器處于充電模式下的功率因數(shù)、有功功率和THDi的實(shí)際測(cè)試結(jié)果

表6 充放電變換器處于備用電源模式下功率因數(shù)、有功功率和THDi的實(shí)際測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研制了一種新型的車(chē)載式電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充放電變換器。該變換器僅用較少的元件，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的便捷快速充電和作為備用電源進(jìn)行放電，并且可作為充電樁的補(bǔ)充。通過(guò)理論分析、試驗(yàn)仿真研究驗(yàn)證了該車(chē)載式蓄電池充放電變換器的可行性。

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2016年8月11日。

The Design of Charging and Discharging Converter for On-board Storage Battery

Lv Changzhi1,Pan Jiaxing1,Xie Lihua2
（1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590;2.Shenzhen Ecowatt Power Co.,Ltd., Shenzhen 518100）

In order to charge the electric vehicle storage battery simply and rapidly,use the storage battery as a backup power supply unit,we developed an electric vehicle battery charging and discharging converter,which is not only used with less components to charge electric vehicle battery conveniently and quickly,served as the standby power supply for discharging,but also used as a supplementary of charging point.This paper discussed the working principle and control strategy of the converter,and verified feasibility of the converter through simulation and experiment.

Electric vehicle,Storage battery,Charging and discharging inverter

電動(dòng)汽車(chē) 蓄電池 充放電變換器

U463.63+3

A

1000-3703（2016）12-0007-05

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2012M521361）；山東省青年科學(xué)家基金項(xiàng)目（BS2012DX034）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2013CQ017，ZR2012EEM021）；山東省高校科技計(jì)劃項(xiàng)目（J13LN17）；山東省高等學(xué)校青年骨干教師國(guó)內(nèi)訪問(wèn)學(xué)者項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助。