徐鄭林，朱建波，鄭偉杰，魏佳瑩，許 輝

（溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

基于模糊控制的電動(dòng)汽車充電器的研究

徐鄭林，朱建波，鄭偉杰，魏佳瑩，許 輝

（溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

為了改善當(dāng)前電動(dòng)汽車充放電方法諧波污染嚴(yán)重、功率因數(shù)低、充電時(shí)間長、動(dòng)態(tài)性能差，采用了SVPWM控制和模糊PID控制對現(xiàn)有充放電器進(jìn)行了改進(jìn)。為了驗(yàn)證該充放電系統(tǒng)及所提出控制策略的有效性，在matlab/simulink平臺(tái)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)充放電的功能，系統(tǒng)的抗干擾性能明顯提高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好，諧波污染小。

電動(dòng)汽車；充放電；DC/DC變換器；模糊控制

霧霾的問題受到國內(nèi)廣泛的關(guān)注和熱議，汽油的消耗和溫室氣體的大量排放，導(dǎo)致全球氣候變暖以及不可再生能源稀缺等的環(huán)境問題，已經(jīng)日趨成為全球備受關(guān)注的關(guān)鍵性問題。作為傳統(tǒng)汽車的替代品之一，電動(dòng)汽車在過去的幾十年時(shí)間里已經(jīng)逐漸被大眾所接受。電動(dòng)汽車的充電時(shí)間長，車用電池生產(chǎn)成本高，是電動(dòng)汽車當(dāng)前階段首先需要解決的難題。要擴(kuò)大推廣電動(dòng)汽車的使用，解決電池技術(shù)和快速充電棘手是根本[1-3]。電動(dòng)汽車充電器不僅要滿足基本的充電要求，還必須保證電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定性、良好的抗干擾能力以及響應(yīng)速度?，F(xiàn)在的電動(dòng)汽車充電器在使用雙閉環(huán)控制后，已經(jīng)具有良好的穩(wěn)定性，但由于動(dòng)態(tài)性能較差，本文采用SVPWM控制和模糊PID控制對現(xiàn)有充電器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行改進(jìn)。

1 充電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

充電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用如圖1所示，由電網(wǎng)側(cè)雙向整流器和電池側(cè)雙向DC/DC變換器兩大部分。電網(wǎng)側(cè)部分從左到右依次采用三相電壓源為電動(dòng)汽車充放電器進(jìn)行充電、斷路器和LCL濾波器以減小過沖和高頻振蕩、三相電壓型PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的特點(diǎn)[4-5]，直流側(cè)電容用來穩(wěn)定直流母線電壓。電池側(cè)的雙向DC-DC變換裝置，具有充電和放電的功能[6-7]。該雙向DC/DC主要應(yīng)用在穩(wěn)壓直流電源中，它的正極和負(fù)極方向都可以輸出相應(yīng)的電壓來滿足充電和放電兩方面的要求。通過控制雙向DCDC變換裝置中電力電子開關(guān)器件的觸發(fā)角范圍，或驅(qū)動(dòng)信號的占空比，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，從而使本文設(shè)計(jì)的充電器具有充電和放電的V2G功能[8-10]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 網(wǎng)側(cè)變換器的設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)側(cè)變換器硬件設(shè)計(jì)

由于所設(shè)計(jì)的充電器必須能同時(shí)實(shí)現(xiàn)V2G，因此需要通過雙向逆變器實(shí)現(xiàn)能量在電網(wǎng)和電動(dòng)汽車之前的雙向互動(dòng)控制。IGBT中的控制單元簡單，開關(guān)頻率可達(dá)40Hz，高功率IGBT模塊可以運(yùn)行于許多的并行設(shè)備中并且具有很高的電流控制能力?；贗GBT上述的優(yōu)點(diǎn)，本文選用了6個(gè)IGBT作為網(wǎng)側(cè)變換器的半導(dǎo)體開關(guān)。作為電網(wǎng)側(cè)雙極型電壓源轉(zhuǎn)換器，該電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器能夠滿足電動(dòng)汽車充放電過程所需的多種功能[11-12]，例如可以在充電過程中將輸入的交流電源轉(zhuǎn)化為直流功率輸出，并可以在實(shí)現(xiàn)V2G的逆變過程中將直流電轉(zhuǎn)化為交流電反饋到電網(wǎng)中，具有雙向整流和逆變的功能[13]。因此網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車充電器功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。如圖2所示。

圖2 三相電壓PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略

為了提高功率因數(shù)，現(xiàn)在針對三相PWM整流器的控制，傳統(tǒng)的方式是利用電壓矢量控制，控制過程中同時(shí)引入了電流反饋和電壓反饋構(gòu)成雙閉環(huán)的形式，電流的反饋可以及時(shí)獲取充放電的指令信息，電壓反饋能使變換器在直流側(cè)的輸出能盡快達(dá)到預(yù)期的電壓，且能保持穩(wěn)定，波動(dòng)小。但由于在這個(gè)過程中使用了PI調(diào)節(jié)器，減弱了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，直接影響了電動(dòng)汽車系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，滿足電動(dòng)汽車充放電過程要求的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性要求，本文在傳統(tǒng)的雙閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了模糊控制和負(fù)載前饋控制，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3 電池側(cè)變換器的設(shè)計(jì)

雙向半橋DC/DC變換器的控制采用電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電池充電模式時(shí)工作在升壓狀態(tài)，本文采用恒流限壓充電，即當(dāng)反饋電壓小于給定電壓時(shí)，電壓環(huán)飽和，電流給定值為恒流充電指令；當(dāng)反饋電壓大于或等于給定電壓時(shí)，電壓環(huán)退出飽和，電流給定值隨著電壓的上升而減小，電池放電模式時(shí)，需要輸出穩(wěn)定直流電壓，如圖4所示，其中VR和CR分別表示電壓、電流調(diào)節(jié)器。

圖3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

由于DC/DC變換器為非線性時(shí)變的特點(diǎn)，傳統(tǒng)電壓電流調(diào)節(jié)采用PID控制時(shí)控制效果并不理想，而模糊PID控制可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)，提高系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)能力，因此本文對電壓、電流調(diào)節(jié)采用模糊PID控制[14-15]，如圖5所示。

圖4 雙向DC/DC變換器控制方框圖

圖5 模糊PID原理框圖

4 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖6所示。圖（a）是充電過程中引入模糊的充放電控制方式時(shí)（a）相電壓和電流的仿真圖，圖（b）是其對應(yīng)的頻譜圖。 從圖（a）和圖（b）可以看出，引入模糊控制和電流前饋控制后，電網(wǎng)輸出電流的相位與電網(wǎng)相位基本一致，電流的超調(diào)量明顯減小，整體呈正弦波形，電流的THD值也降到了2.84%，滿足了電動(dòng)汽車非車載充放裝置向電網(wǎng)注入的總諧波電流應(yīng)小于額定交流輸出的5%的要求。改進(jìn)后的充放電控制方式具有更小的超調(diào)量和較短的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間，并能快速達(dá)到單位功率因數(shù)，滿足的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，靈活性好等要求。圖（c）是改進(jìn)后的直流母線電壓，其超調(diào)量很小。直流環(huán)節(jié)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間很短并且動(dòng)態(tài)過程是非振蕩的，這就意味著引入模糊控制和電流負(fù)載前饋的充放電方式具有更快的響應(yīng)速度和更短的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間，提高了充放電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié) 論

改進(jìn)后的充放電系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾性能，更快的響應(yīng)速度和更好的穩(wěn)定性。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)輸出電壓和輸出電流的同相正弦化，對EDV側(cè)電池狀態(tài)的仿真結(jié)果分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)充放電極強(qiáng)的適應(yīng)性以及快速充電的能力。

圖6 仿真結(jié)果

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The electric vehicle charging device based on fuzzy control

XU Zheng-lin， ZHU Jian-bo， ZHENG Wei-jie， WEI Jia-ying， XU Hui
（College of Physics and Electronic Information Engineer， Wenzhou University， Wenzhou 325035，China）

In order to improve the current method of electric vehicles charging and discharge device，serious harmonic pollution and low power factor， long charging time， poor dynamic performance， using the SVPWM control and fuzzy PID control to improve the existing charger.In order to verify the effectiveness of the charging and discharging system and the control strategy，it has been carried out in the matlab/simulink simulation platform，the results shows that the system can effectively realize the function of charging and discharging，the anti-interference performance of the system is obviously improved， and the dynamic response of good performance， small harmonic pollution.

electric vehicle； charging and discharging； DC/DC converter； fuzzy contro

TN99

A

1674－6236（2017）12-0085-04

2016-04-11稿件編號：201604106

溫州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（DC2015052）；溫州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（15SK28A）

徐鄭林（1995—），男，浙江金華人。研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。