周超英, 何晶晶, 張凱

(上?？屏盒畔⒐こ坦煞萦邢薰?，上海 200233)

基于RT-LAB的電動汽車車載充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周超英, 何晶晶, 張凱

(上?？屏盒畔⒐こ坦煞萦邢薰?，上海 200233)

基于RT-LAB設(shè)計(jì)了一種雙向單相AC/DC+雙向半橋DC/DC的車載充放電裝置,能進(jìn)行電動汽車充放電過程中的電壓電流控制，實(shí)現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的雙向能量互動，并且在不接電網(wǎng)時可提供220 V/50 Hz車載電源。通過RT-LAB實(shí)時仿真，驗(yàn)證了控制策略的正確性。實(shí)時仿真平臺可為V2G(Vehicle to Grid)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供借鑒意義。

電動汽車；充放電策略；恒流恒壓；Vehicle to Grid；實(shí)時仿真

Abstract: Based on RT-LAB, this paper designs a bidirectional single-phase AC/DC + bidirectional half-bridge DC/DC on-board charge-discharge device, which can control voltage and current during charge and discharge of electric vehicles, realize bi-directional energy interaction between electric vehicles and power grid, and provide 220 V/50 Hz on-board power supply when the grid is disconnected. RT-LAB real-time simulation verifies the correctness of the proposed control strategy. The real-time simulation platform can provide a reference significance for further study of V2G (Vehicle to Grid) technology.

Keywords: electric vehicle；charge-discharge strategy；constant current constant voltage；vehicle to grid；real-time simulation

0 引 言

電動汽車的電池作為智能電網(wǎng)中的移動儲能單元，在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時段向電網(wǎng)傳輸電能，而在電網(wǎng)非高峰負(fù)荷時段電網(wǎng)向電池充電。這種雙向的電能流動稱為車電互聯(lián)(Vehicle to Grid，V2G)。隨著智能電網(wǎng)和電動汽車的推廣，V2G技術(shù)已成為各國研究的熱點(diǎn)[1]。目前關(guān)于電動汽車V2G的研究大多采用三相可逆PWM整流器+雙向DC/DC變換器的方式[2-4]，本文提出了一種車載充放電裝置，將雙向單相AC/DC和雙向半橋DC/DC變換器應(yīng)用到V2G技術(shù)。該裝置不僅可以利用家中的單相電源進(jìn)行充電，而且可以在電網(wǎng)電能匱乏時，實(shí)現(xiàn)蓄電池電能回饋給電網(wǎng)。在電動汽車不并網(wǎng)時，可為車輛上的用電設(shè)備提供220 V/50 Hz交流電源。

實(shí)時仿真不僅能夠克服數(shù)學(xué)模型不精確等因素的影響，而且能進(jìn)行故障模擬，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，是新技術(shù)研發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。本文采用RT-LAB進(jìn)行電動汽車車載充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 車載充放電系統(tǒng)

1.1 車載充放電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

基于RT-LAB的車載充放電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主回路主要由雙向AC/DC、雙向DC/DC、蓄電池構(gòu)成。雙向AC/DC在電動汽車充電時工作在整流狀態(tài)；在電動汽車放電時工作在逆變狀態(tài)。雙向DC/DC實(shí)現(xiàn)升降壓功能和充放電時的恒流恒壓控制。

圖1 車載充放電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 RT-LAB平臺

實(shí)時仿真一般采用定步長的方法，用傳統(tǒng)定步長仿真可能導(dǎo)致模型仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果有差異。RT-LAB提供的RT-EVENT庫包含具有高精度的定步長過零點(diǎn)檢測，能對一個步長內(nèi)發(fā)生的邏輯事件進(jìn)行處理的模塊。RT-eDrive中的電力電子橋封裝了插值算法，在高頻時能進(jìn)行精確仿真?；赗T-LAB的實(shí)時仿真平臺，主要完成以下功能：①將MATLAB模型分割成SC、SM、SS等子模型；②在RT-LAB中編譯子模型；③將各子模型的可執(zhí)行程序下載到目標(biāo)機(jī)；④在上位機(jī)控制界面進(jìn)行信號、開關(guān)等的控制和波形監(jiān)測。圖1中的SC為實(shí)時仿真系統(tǒng)控制界面，SM、SS分配在RT-LAB仿真機(jī)的2個CPU核中進(jìn)行計(jì)算。該平臺還可外接控制器或被控對象等硬件進(jìn)行HIL(Hardware in Loop)或RCP(Rapid Control Prototyping)仿真測試。

1.3 電路參數(shù)設(shè)計(jì)[5-6]

AC/DC側(cè)濾波電感Lg的大小對輸入電流的開關(guān)紋波和實(shí)際電流的跟蹤速度有影響。它需滿足公式(1)

(1)

其中Ud為直流母線電壓，Ugm為電網(wǎng)電壓峰值，Ts為開關(guān)周期，Δigm為交流電流變化最大值。ω為電網(wǎng)頻率，Igm為交流電流基波峰值。

為了消除直流母線電壓所包含的大量二次諧波，必須使Cd滿足公式(2):

(2)

其中ΔUd為電壓紋波變化，Ug為交流電壓有效值，ig為交流電流有效值。

另外，圖1中Ld實(shí)現(xiàn)濾波和升降壓時的儲能、Cb維持母線電壓穩(wěn)定，參數(shù)設(shè)計(jì)見文獻(xiàn)[7]。

2 雙向DC/DC變換器

本設(shè)計(jì)中蓄電池標(biāo)稱電壓為600 V。當(dāng)電動汽車充電時，圖1中雙向DC/DC模塊V1處于常斷狀態(tài)，V2的不斷開關(guān)實(shí)現(xiàn)BOOST變換器的功能；當(dāng)電動汽車放電時，V2處于常斷狀態(tài)，V1的不斷開關(guān)實(shí)現(xiàn)BUCK變換器的功能。

根據(jù)電池充放電特性，本文設(shè)計(jì)的車載充放電裝置在充電初始階段采用恒流充電，當(dāng)母線電壓達(dá)到設(shè)定值后采用恒流恒壓充電；放電時采用恒流放電。為了避免蓄電池過充電或過放電，還應(yīng)監(jiān)測電池SOC(State of Charge)進(jìn)行充放電的控制。

圖2 雙向DC/DC充放電控制

蓄電池充電模式的選擇取決于母線電壓，由于母線電壓的波動，雙向DC/DC會在不同模式間來回切換。為了避免這種情況，本設(shè)計(jì)中充電模式選取采用滯環(huán)控制。雙向DC/DC充放電控制如圖2所示。

3 雙向單相AC/DC變換器

3.1 電動汽車并網(wǎng)控制

當(dāng)電動汽車充電時，雙向AC/DC工作在PWM整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電壓和電流同相位；當(dāng)電動汽車并網(wǎng)時，雙向AC/DC工作在PWM逆變狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電壓和電流反相位。

雙向AC/DC控制采用如圖3所示的母線電壓、電網(wǎng)電流雙閉環(huán)控制和鎖相環(huán)PLL(Phase Locked Loop)控制。

圖3 雙向AC/DC控制

3.2 電動汽車不并網(wǎng)控制

現(xiàn)代汽車用電設(shè)備越來越多，有些設(shè)備的電源必須是220 V/50 Hz交流電。同時可將車載電源作為停電時的應(yīng)急電源。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，電動汽車不并網(wǎng)時車載AC/DC設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 220 V/50 Hz車載電源

4 實(shí)時仿真結(jié)果

電動汽車充放電實(shí)時仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。充電時，網(wǎng)側(cè)電流和電壓同相位，實(shí)現(xiàn)整流。電池SOC逐漸增加，充電電流為定值，電池電壓逐漸增加到給定值，實(shí)現(xiàn)了先恒流后恒流恒壓充電；放電時，網(wǎng)側(cè)電壓和電流反相位，實(shí)現(xiàn)逆變。電池SOC逐漸減小，放電電流為定值，電池電壓逐漸減小。圖7為電動汽車并網(wǎng)時的A相電流頻譜，從圖中可以看出網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率THD(Total Hormonic Distortion)在5%以下，符合并網(wǎng)要求。

圖5 充電實(shí)時仿真結(jié)果

圖6 放電實(shí)時仿真結(jié)果

圖7 電動汽車并網(wǎng)時的A相電流頻譜

5 結(jié)束語

本文建立的基于RT-LAB的電動汽車車載充放電實(shí)時仿真平臺，將雙向單相AC/DC和雙向半橋DC/DC應(yīng)用到V2G技術(shù)，實(shí)時仿真實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與電動汽車間的雙向能量互動。同時該充放電系統(tǒng)可控制蓄電池的恒流恒壓充電和恒流放電，具有作為220 V/50 Hz車載電源和家庭應(yīng)急電源的功能。該實(shí)時仿真平臺，克服了外界條件的限制，有利于算法向控制器移植和二次開發(fā)，為V2G技術(shù)和多輛電動汽車接入時的協(xié)調(diào)控制的進(jìn)一步研究提供了參考。

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Design of an On-board Charge-discharge System for Electric Vehicles Based on RT-LAB

Zhou Chaoying, He Jingjing, Zhang Kai

(Shanghai Keliang Information Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.010

TM615

A

1000-3886(2017)03-0030-02

定稿日期: 2016-09-22

周超英(1981-)，女，湖南益陽人，碩士生，從事電力電子及電機(jī)控制的研究。