吳雪穎 文春蘭 林春蘭 嚴芝健

摘? ? 要：電動汽車的充電系統(tǒng)性能取決于整流和充電控制環(huán)節(jié)，其充電效率及穩(wěn)定性對電池的壽命、電池容量產生很大的影響.為了提高整流電壓輸出的穩(wěn)定性和電池的充電效率，其整流模塊采用電流前饋解耦PWM，該方法通過電壓外環(huán)和電流內環(huán)控制以減少整流中的諧波分量并穩(wěn)定輸出電壓.針對充電模塊控制策略則采用階段性充電方式即先用電流單環(huán)控制的恒流限壓充電，當達到設定的電壓值后轉為恒壓限流的雙閉環(huán)控制充電方式.運用Matlab/Simulink實現(xiàn)電動汽車蓄電池充電模型，并與單一的恒流、恒壓兩種充電控制策略進行對比.由仿真結果可知，電流前饋解耦PWM整流電壓穩(wěn)定性優(yōu)于電壓型PWM.此外，也驗證了階段性充電控制充電方式對蓄電池的影響較小，具有充電效率較高的優(yōu)越性.

關鍵詞：電動汽車;PWM整流器;充電控制策略;階段充電控制

中圖分類號：U469.72;TM461? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.013

0? ? 引言

2018年，中國汽車市場分析研討會上指出，截至2017年底我國新能源汽車的保有量高達180萬輛，占世界保有量的50%以上.我國國家能源局、工信部、財政部共同制定的《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》指出，新能源汽車發(fā)展速度與其充電配套設施極不平衡，主要原因為選址難、充電效率低、充電對電網影響大等問題，制約著新能源汽車快速發(fā)展及廣泛應用[1-3].由此可見，新能源汽車充放電控制對新能源汽車發(fā)展以及能源優(yōu)化調度極為重要.

文獻[4]采用模糊PID控制算法對電動汽車充電過程進行控制，其結果表明該方法對電動汽車充電過程具有良好靜態(tài)和動態(tài)性能.文獻[5]考慮了電動汽車的充電特性和諧波特性，對電動汽車充電對配套設施、投資費用產生影響進行分析.文獻[6]基于Matlab/Simulink搭建了新能源電車快速充電系統(tǒng)，采用虛擬同步機的電動汽車快速充電控制技術，兼顧快速充電時，通過模擬同步電機的慣量和阻尼特性進行平抑傳輸功率的波動，進而改善并網點電能質量.文獻[7]考慮了蓄電池特性、充電模式及充電諧波等因素建立計及時序特性的電動汽車充電站快充諧波分析模型，研究了電動汽車充電站各次諧波及總諧波畸變時序變化規(guī)律.結果表明，電動汽車充電機拓撲結構及數(shù)量對充電站諧波特性影響明顯，諧波總畸變率呈現(xiàn)明顯的時序特性.文獻[8]計及周末充電高峰效應的私家車充電負荷計算方法，并利用 MATLAB軟件搭建了配電網模型，仿真分析了不同規(guī)模電動汽車接入配電網后對節(jié)點電壓偏移、電壓不平衡的影響.此外，還綜合考慮了快速充電與慢速充電、純電式與插入式電動汽車充電對配電網的不同影響，同時考慮了慢速充電在三相均衡充電與不均衡充電模式下對三相電壓不平衡的影響.由此可見，電動汽車的充電特性、蓄電池特性以及充電諧波影響對電網、投入費用以及電動汽車性能影響很大[9-10].

為了分析充電方式及整流控制對蓄電池產生的影響，本文基于Matlab/Simulink建立電池、充電控制以及整流模塊，考慮了電流前饋解耦PWM和電壓型PWM不同整流控制策略對整流電壓穩(wěn)定性產生的影響.此外，通過恒壓、恒流及階段性充電3種不同充電方式對蓄電池充電速率及充電電壓產生影響進行仿真分析.

1? ? 電動汽車蓄電池充電建模及仿真

1.1? ?階段充電仿真模型搭建

圖1為Matlab/Simulink軟件中的電動汽車蓄電池充電仿真模型.上部分仿真模型中A、B、C為三相交流電，LC濾波，電流、電壓的檢測，整流橋，以及充電控制;下部分PI控制為電流前饋解耦的整流控制[11-12].

1.2? ?PWM整流模型的搭建

1.2.1? ?PWM整流器

由圖1可知，PWM整流器模型電路由[①]電網三相交流電;[②]功率開關器件LC濾波;[③]直流側電路3部分組成.交流電路由交流電動勢e、網側電感L組成;直流網側電路主要由負載電阻Rl、負載電動勢el組成.整流器的工作原理主要是將三相電網的交流電整流成直流電，通過電壓外環(huán)和電流內環(huán)的控制，減少在整流中的諧波，提高整流效果.

1.2.2? ?PWM整流器模型搭建

普通電壓型PWM整流控制只是單環(huán)控制，存在耦合影響.圖2為電流前饋解耦控制模塊，它是在普通電壓型PWM整流控制的基礎上，增加了電流內環(huán)控制.電流內環(huán)主要根據(jù)電壓外環(huán)輸出的電流反饋信號來調節(jié)電流，例如修正單位功率因數(shù)正弦電流;電壓外環(huán)用于調節(jié)整流器直流側的電壓，并給電壓內環(huán)提供電流指令，電壓外環(huán)為直流側電壓的調節(jié)控制環(huán)，電流內環(huán)為交流側電流變換的前饋解耦控制環(huán).電流內環(huán)與電壓外環(huán)的相互反饋控制，構成了PWM整流器的整個控制，其詳細控制框圖如圖3所示[13-14].? ? ? ?1.3? ?充電控制方式

1.3.1? ?恒流充電方式

在蓄電池需要充電時，通過用充電設備保持恒定電流給蓄電池充電方式為恒流充電.如圖4所示，在充電過程中，充電電流一直保持不變，隨著動力電池剩余電量SOC（State of Charge）的增加，充電電壓也隨之增加，一般地，當充電電壓達到蓄電池的充電截止電壓時充電結束.

1.3.2? ?恒壓充電方式

恒壓充電方式即為充電設備給予恒定電壓給蓄電池充電. 如圖5所示，在充電過程中，控制充電設備輸出恒定的充電電壓給動力電池，隨著動力電池在充電過程中SOC容量不斷地增加，充電電流不斷減小.一般地，當充電電流減小至蓄電池的涓流截止電壓時，充電結束.蓄電池恒壓充電的方法易于控制，但恒壓充電方式在充電初期電池等效內阻小，充電電流過大，易損壞電池;若取小一點的恒定電壓充電，則會使蓄電池電量不容易充滿.

1.3.3? ?階段性充電方式

階段充電方法即是給蓄電池充電過程中，先恒流充電再恒壓充電方式.考慮到當蓄電池的電解水很少時，電阻小，避免了蓄電池過充及充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，在0～t2階段采用恒流限壓充電如圖6所示，當蓄電池電動勢上升到一定值時，再轉為恒壓限流充電方式如圖7曲線所示.

2? ? 電動車充電系統(tǒng)仿真分析

本文通過Simulink建立電動汽車的充電仿真系統(tǒng)，驗證所提出的幾種充電控制策略的有效性.其詳細的仿真參數(shù)取值為：交流電源380 V、LC濾波參數(shù)5 mH、給定直流側電壓800 V.

2.1? ?不同整流控制策略對比分析

圖8縱軸的Udc1為電壓型PWM整流器整流后直流側電壓，橫坐標表示仿真時間.由圖可知，整流后的電壓響應速度較慢，且電壓存在波動，需要較長時間才逐漸穩(wěn)定輸出所需要的電壓值.

圖9的縱軸Udc2為電流前饋解耦PWM整流器整流后直流電壓，橫坐標為仿真時間.與電壓型PWM整流相對比，一開始電壓經短暫振蕩后，迅速穩(wěn)定在設定的直流電壓值，其波動較小，其整流效果比電壓型PWM的好.

2.2? ?充電控制策略仿真比較分析

2.2.1? ?不同充電控制方法對蓄電池SOC影響

由圖10 —圖12可知，蓄電池充電初始SOC為55.6%.圖10、圖11及圖12分別為恒流充電、恒壓充電及階段性充電1.5 s的蓄電池SOC值分別為56.100%、56.150%及56.175%.3種充電方式的SOC仿真曲線值可知，階段充電方式的充電效率比其他兩種充電方式稍微高.

2.2.2? ?不同充電控制的充電電壓的比較

從圖13—圖15可看出，采用恒流充電控制，在充電過程中電流保持恒定，充電電壓呈非線性曲線上升，但未達到充電電壓的最大值.而采用恒壓充電控制，充電過程中充電電壓保持恒定.而圖15中的階段充電方式，0～0.8 s區(qū)間的恒流充電階段，充電電流恒定時，充電電壓呈上升趨勢，在0.8 s后采用恒壓充電方式，電壓隨充電電流同時增大，隨后呈非線性曲線下降到恒定值.

綜上所述，在3種充電方式中，階段充電方法更符合馬斯曲線[15].電流同時增大，隨后呈非線性曲線下降到恒定值.

3? ? 結論

通過Matlab/Simulink仿真結果表明，電流前饋解耦PWM整流器的整流穩(wěn)定性優(yōu)于電壓型PWM整流器，波動性較小.此外，3種充電控制策略對比可知，在相同的仿真時間內，階段充電方式的充電效率高于其他兩種充電方法，且采用恒流限壓、恒壓限流階段性充電方式可以降低蓄電池充電過程中出現(xiàn)的過壓或者過流的風險.

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Phased charging simulation of electric vehicle based on current

feedforward decoupling PWM

WU Xueying， WEN Chunlan， LIN Chunlan， YAN Zhijian

（School of Vocational and Technical Education， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： The performance of the charging system of an electric vehicle depends on the rectification and charging control， and its charging efficiency and stability have great influence on the life of the? ?battery and its capacity. In order to improve the stability of the rectified voltage output and the charging efficiency of the battery， the rectifier module adopts current feedforward decoupling PWM， which is controlled by the voltage outer loop and the current inner loop to reduce harmonic components in the rectification and stabilize the output voltage. For the charging module control strategy， the phase? ? charging mode is adopted， that is， the constant current limiting voltage charging controlled by the? ? ? current single loop is first used， and when the set voltage value is obtained， the double closed loop? ? control charging mode is switched to the constant voltage current limiting. The electric vehicle battery charging model is realized by Matlab/Simulink， and compared with a single constant current and? ? ? constant voltage charging control strategy. It can be seen from the simulation results that the current feedforward decoupling PWM rectification voltage stability is better than the voltage type PWM. In? ?addition， it is also verified that the phased charge control charging method has less influence on the? ?battery and has higher charging efficiency.

Key words： electric vehicle; PWM rectifier; charge control strategy; stage charge control

（責任編輯：黎? ?婭）