張 云 魏逸航 劉強(qiáng)強(qiáng) 孔治國(guó)

(1. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 天津 300072； 2. 中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所 無(wú)錫 214063； 3. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司 天津 300399)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，石油、煤炭等傳統(tǒng)化石能源過(guò)度開(kāi)采利用導(dǎo)致能源枯竭、價(jià)格上漲，全球能源形勢(shì)十分嚴(yán)峻，而且溫室效應(yīng)和環(huán)境污染日趨嚴(yán) 重[1]。大力發(fā)展新能源以減緩環(huán)境污染和能源危機(jī)，改善人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境，受到全世界各個(gè)國(guó)家的重視和政策支持[2]。新能源汽車(chē)作為一種典型的新能源應(yīng)用，可以改善傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的排放物對(duì)環(huán)境造成污染的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“綠色出行”[3]。其主要分為以下四類(lèi)：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)和其他新能源汽車(chē)等[4]。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)不但控制性、穩(wěn)定性和安全性更好，而且其能源結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多樣化，同時(shí)可以減少電動(dòng)汽車(chē)的污染物排放，是一種清潔型交通工具[5]。電動(dòng)汽車(chē)可與電網(wǎng)連接，使得電動(dòng)汽車(chē)不但能夠從電網(wǎng)吸收能量，為電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載動(dòng)力蓄電池充電，即運(yùn)行在電網(wǎng)到車(chē)模式(Grid to vehicle，G2V)，而且還能夠?qū)⑿铍姵氐哪芰恐匦伦⑷氲诫娋W(wǎng)中，即運(yùn)行在車(chē)到電網(wǎng)模式(Vehicle to grid，V2G)[6]。上述的兩種運(yùn)行模式具有無(wú)功及有功功率調(diào)節(jié)、可再生能源的輸出跟蹤、電流諧波過(guò)濾以及負(fù)載平衡等功能[7]。

電動(dòng)汽車(chē)核心技術(shù)部分主要包括車(chē)載電源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)、充電諧波分析和充電站監(jiān)控系統(tǒng)等。關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已有很多相關(guān)研究，主要包括充電電壓等級(jí)、充電模式、充電速度、充電方式以及充放電設(shè)備集成化等方面。其中文獻(xiàn)[8]對(duì)目前常用的電動(dòng)汽車(chē)充電電壓等級(jí)以及有線充電和無(wú)線充電兩種充電模式的原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并指出了這兩種充電模式的區(qū)別以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[9]主要是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和快速兩種充電模式在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并通過(guò)數(shù)學(xué)和仿真對(duì)比這兩種充電模式的電能效率；文獻(xiàn)[10]提出一種充分利用車(chē)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及動(dòng)力電機(jī)的三相繞組實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)直流充電和交流充電的方案，具有體積小、成本低、效率高以及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性；文獻(xiàn)[11]研究討論了電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)連接的新技術(shù)，主要包括車(chē)到住宅(Vehicle to house，V2H)、車(chē)到車(chē)(Vehicle to vehicle，V2V)和車(chē)到電網(wǎng)(V2G)三種技術(shù)，并提出這些新技術(shù)的方法和前景，包括框架結(jié)構(gòu)、建模、電力電子技術(shù)、電池技術(shù)、控制策略?xún)?yōu)化、無(wú)功功率支持以及信息和通信技術(shù)；文獻(xiàn)[12]對(duì)微網(wǎng)中可再生能源和電動(dòng)汽車(chē)充放電設(shè)施集成化的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入研究，并指出高度集成化將為智能電網(wǎng)的建設(shè)提供技術(shù)支持。

雖然電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和發(fā)展，但是從以往的研究成果可以看出，目前電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)仍存在車(chē)載動(dòng)力蓄電池的充電器輸入電壓范圍小、車(chē)載雙向直流變換器的變換增益低、充電設(shè)備集成化程度低、充電設(shè)備整體體積和質(zhì)量大、車(chē)載變換器以及車(chē)載能量管理系統(tǒng)的利用率低等問(wèn)題[13-15]。

為了解決電動(dòng)汽車(chē)目前充放電技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本文提出一種新的駐車(chē)充放電一體化方案。相比于目前的電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)，該方案同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 該方案不但能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的車(chē)載復(fù)合能量源與車(chē)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)之間能量的雙向流動(dòng)，而且可以實(shí)現(xiàn)車(chē)載復(fù)合能量源與主電網(wǎng)或微網(wǎng)之間的能量交互，使得整個(gè)車(chē)載復(fù)合能量源和能量源管理系統(tǒng)的利用率得到提高；② 該方案充分利用車(chē)載三相逆變器、車(chē)載動(dòng)力三相電機(jī)、車(chē)載直流母線和車(chē)載雙向直流變換器，結(jié)合車(chē)載復(fù)合能量源管理系統(tǒng)，使得整個(gè)車(chē)載復(fù)合能量源不僅可以進(jìn)行直流充電，也可進(jìn)行交流充電，從而拓寬車(chē)載動(dòng)力蓄電池的充電方式，并大幅度提高車(chē)載變換器和動(dòng)力電機(jī)的利用率；③ 該方案采用的車(chē)載雙向直流變換器具有變換增益寬和開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，可以降低電動(dòng)汽車(chē)充電器對(duì)充電輸入電壓等級(jí)的要求，并在很大程度上簡(jiǎn)化車(chē)載充電器和非車(chē)載充電樁的體積和重量。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第1節(jié)為引言與背景介紹；第2節(jié)主要是對(duì)基于車(chē)載寬增益雙向直流變換器的電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合能量源系統(tǒng)進(jìn)行概述；第3節(jié)對(duì)提出的電動(dòng)汽車(chē)駐車(chē)充放電一體化方案的運(yùn)行模式和機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的介紹；第4節(jié)主要是以試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文的充放電方案進(jìn)行驗(yàn)證；第5節(jié)主要是對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)。

2 電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合能量源系統(tǒng)

基于車(chē)載寬增益雙向直流變換器的電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合能量源系統(tǒng)如圖1所示，主要由以下四個(gè)部分組成：車(chē)載復(fù)合能量源(蓄電池與超級(jí)電容)、車(chē)載寬增益雙向直流變換器、車(chē)載直流母線以及車(chē)載能量管理系統(tǒng)。

圖1 基于車(chē)載寬增益雙向直流變換器的電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合能量源系統(tǒng)組成圖

車(chē)載復(fù)合能量源由高比能量的動(dòng)力蓄電池和高比功率的超級(jí)電容組成。低壓蓄電池通過(guò)車(chē)載雙向直流變換器維持高壓母線上的穩(wěn)態(tài)及低頻波動(dòng)的能量，適合為電動(dòng)汽車(chē)較長(zhǎng)時(shí)間提供或吸收平緩的能量，但是其功率密度小，難以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)負(fù)載突變的需求。而超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備，充放電效率高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，功率密度大，因此能與電池形成互補(bǔ)，共同輸出功率[16]。其可以在電動(dòng)汽車(chē)起動(dòng)或制動(dòng)瞬間提供或吸收高頻大功率，從而極大地削減電動(dòng)汽車(chē)負(fù)載突變對(duì)動(dòng)力蓄電池造成的沖擊，減少對(duì)動(dòng)力蓄電池的損傷從而延長(zhǎng)其使用壽命，并能提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[17]。

在電動(dòng)汽車(chē)的整個(gè)復(fù)合能量源系統(tǒng)中，車(chē)載直流母線起到能量流通中樞的作用，其連接車(chē)載雙向直流變換器、車(chē)載三相逆變器、微網(wǎng)直流母線以及充電樁輸出端口，并實(shí)現(xiàn)這四者之間的能量流通。在駐車(chē)充電時(shí)，車(chē)載直流母線的電壓范圍也決定充電電源的電壓等級(jí)和范圍。

為了實(shí)現(xiàn)車(chē)載復(fù)合能量源與車(chē)載直流母線之間能量的雙向流通，本系統(tǒng)采用新型的車(chē)載寬增益雙向直流變換器拓?fù)洹Ｆ渲须姵貍?cè)采用共地非對(duì)稱(chēng)H橋?qū)捲鲆娣秶p向DC-DC變換器，超級(jí)電容側(cè)采用開(kāi)關(guān)電容寬增益范圍雙向DC-DC變換器，兩種拓?fù)浞謩e如圖2、圖3所示。

圖2 共地非對(duì)稱(chēng) H 橋拓?fù)?

圖3 交錯(cuò)開(kāi)關(guān)電容寬增益拓?fù)?

與傳統(tǒng)拓?fù)?如Buck/Boost拓?fù)?相比，兩種拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)分別介紹如下。

(1) 共地非對(duì)稱(chēng)H橋?qū)捲鲆娣秶p向DC-DC變換器：可以實(shí)現(xiàn)高降壓/升壓比，從屬有源功率開(kāi)關(guān)無(wú)需任何額外硬件即可實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)啟和關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率。這種具有公共接地的雙向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于可再生能源應(yīng)用和混合能源電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

(2) 開(kāi)關(guān)電容寬增益范圍雙向DC-DC變換器：可實(shí)現(xiàn)高升壓/降壓比，即寬電壓增益范圍，從而避免極端占空比。另外該拓?fù)溥€具有功率開(kāi)關(guān)和電容器電壓應(yīng)力低、低壓側(cè)電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)功率開(kāi)關(guān)允許ZVS開(kāi)啟和關(guān)閉，提高了變換器的效率。同時(shí)由于其具有自平衡功能，電容器電壓和電感器電流可以很容易地平衡。該拓?fù)渚哂辛己玫膭?dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，適用于各種新能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的低壓能量源和高壓直流母線之間的電源接口。

兩種拓?fù)涞脑鲆娴然A(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 所用拓?fù)浠A(chǔ)參數(shù)

上述兩種雙向直流變換器拓?fù)涠伎梢詫?shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。雙向直流變換器兩象限運(yùn)行示意圖如圖4所示。

圖4 雙向直流變換器兩象限運(yùn)行

當(dāng)I1＞0，U1＞0(或I2＜0，U2＞0)時(shí)，功率從雙向直流變換器右側(cè)流向左側(cè)；當(dāng)I1＜0，U1＞0(或I2＞0，U2＞0)時(shí)，功率從雙向直流變換器左側(cè)流向右側(cè)。上述兩種拓?fù)涠伎梢酝ㄟ^(guò)DSP實(shí)時(shí)調(diào)整占空比使其工作在升壓或者降壓模式，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

由上述介紹分析可知，相比于目前常規(guī)的電動(dòng)汽車(chē)采用的常規(guī)雙向直流變換器，文中采用的變換器大幅度地降低對(duì)車(chē)載動(dòng)力蓄電池充電輸入電壓等級(jí)范圍的要求，使得整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的復(fù)合能量源和能量管理系統(tǒng)的利用率得到提高。

另外，為了使電動(dòng)汽車(chē)具有良好的電驅(qū)動(dòng)性能以及合理的能量分配，電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載能量管理系統(tǒng)必須對(duì)車(chē)載復(fù)合能量源系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制，使電動(dòng)汽車(chē)在車(chē)輛控制系統(tǒng)選定的工作模式下，能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車(chē)能量流的分配進(jìn)行優(yōu)化和最佳控制，以實(shí)現(xiàn)最大限度利用車(chē)載復(fù)合能量源的能量，提高電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性能。

3 電動(dòng)汽車(chē)駐車(chē)充放電一體化方案

與常規(guī)的駐車(chē)充放電方案不同的是，本文所提出的駐車(chē)充放電一體化方案是基于電動(dòng)汽車(chē)處于駐車(chē)狀態(tài)，充分利用電動(dòng)汽車(chē)本身的功率變換器、動(dòng)力電機(jī)以及能量管理系統(tǒng)，對(duì)復(fù)合能量源進(jìn)行充放電，以提高車(chē)載變換器和能量管理系統(tǒng)的利用率，該方案的主要組成部分及內(nèi)部功率流向如圖5所示，圖5中虛線表示各組成部分間的功率流向。從圖5可以看出，該充放電系統(tǒng)中，除了直流微網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及微網(wǎng)直流負(fù)載三者與微網(wǎng)直流母線之間的功率是單向流動(dòng)，其他功率變換器的功率都是雙向流動(dòng)，從而有助于實(shí)現(xiàn)車(chē)載復(fù)合能量源的快速充放電。

該駐車(chē)充放電一體化方案包括如下三種運(yùn)行 模式。

圖5 駐車(chē)充放電一體化方案主要組成部分及功率流向圖

3.1 模式一：車(chē)載動(dòng)力蓄電池直流充電

本方案中的直流充電方式是將直流微網(wǎng)母線或充電樁直流輸出端與車(chē)載直流母線直接連接，并充分利用車(chē)載寬增益雙向直流變換器及能量管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力蓄電池進(jìn)行直流充電。

該方案中的直流充電模式可分為以下兩類(lèi)：第一類(lèi)是利用充電樁充電(Vehicle charging pile to vehicle，VCP2V)，如圖6a所示；第二類(lèi)是利用直流微網(wǎng)充電(DC grid to vehicle，DG2V)，如圖6b所示。

圖6 車(chē)載動(dòng)力蓄電池直流充電

充電樁充電是將三相電網(wǎng)電壓先后經(jīng)充電樁內(nèi)部的三相全控變換器的整流，以及隔離型雙向直流變換器的功率變換后，產(chǎn)生的直流電壓加在車(chē)載直流母線上，為車(chē)載動(dòng)力蓄電池進(jìn)行直流充電，如圖6a所示。目前充電樁充電存在以下主要問(wèn)題：充電樁本身體積和重量較大，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的前期投資大以及相關(guān)的充電標(biāo)準(zhǔn)和電壓等級(jí)還未標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化等，而本充電方案中的車(chē)載寬增益雙向直流變換器，能夠適應(yīng)不同輸出直流電壓范圍的充電樁，并且可以充分利用車(chē)載雙向直流變換器和能量管理系統(tǒng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，極大地簡(jiǎn)化充電樁，從而很好地解決了充電樁存在的上述問(wèn)題。

除了常規(guī)的充電樁充電，直流微網(wǎng)充電已經(jīng)成為目前全球發(fā)展較快的清潔能源充電方式之一。直流微網(wǎng)充電通常是指將光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及微網(wǎng)直流負(fù)載所形成的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)直流充放電接口與車(chē)載直流母線直接連接，在不外接額外直流充電器的情況下，充分利用車(chē)載寬增益雙向直流變換器，對(duì)車(chē)載動(dòng)力蓄電池進(jìn)行直流充電，如圖6b所示。該種充電方式所用的能量都是可再生能源和清潔能源，符合目前新能源發(fā)展的需求。

3.2 模式二：車(chē)載動(dòng)力蓄電池直接交流充電

隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的充電方式已不再局限于傳統(tǒng)的直流充電，直接交流充電方式也正在快速發(fā)展。在本文提出的駐車(chē)充放電一體化方案中，電動(dòng)汽車(chē)采用的直接交流充電方式，是在不增加額外外圍設(shè)備的情況下，充分利用電動(dòng)汽車(chē)自身的車(chē)載三相動(dòng)力電機(jī)、車(chē)載三相全控型整流器、車(chē)載直流母線、車(chē)載寬增益雙向直流變換器以及車(chē)載能量管理系統(tǒng)，對(duì)車(chē)載動(dòng)力蓄電池進(jìn)行直接交流充電，如圖7所示。

圖7 車(chē)載動(dòng)力蓄電池交流充電

從圖7可以看出，本文所提直接交流充電方案的特點(diǎn)就是著重對(duì)車(chē)載三相全控型變換器以及車(chē)載三相動(dòng)力電機(jī)加以利用，所以不管是單相交流電源，還是三相交流電源，該直接交流充電方案都能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載動(dòng)力蓄電池的充電要求。當(dāng)采用三相交流電源對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行直接交流充電時(shí)，將車(chē)載三相動(dòng)力電機(jī)的三相繞組斷開(kāi)，并作為車(chē)載三相全控整流器的交流測(cè)輸入電感，此時(shí)車(chē)載三相全控型變換器就作為電動(dòng)汽車(chē)三相交流充電時(shí)的三相全控整流器；而當(dāng)采用單相交流電源對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電時(shí)，可只使用車(chē)載動(dòng)力電機(jī)三相繞組中的兩相繞組，以及車(chē)載三相全控整流器中的兩組半橋電路，間接地將車(chē)載三相整流器作為電動(dòng)汽車(chē)單相交流充電時(shí)的單相整流器。

根據(jù)交流充電電源相數(shù)的不同，選擇上述兩種整流器進(jìn)行整流，得到的寬范圍直流電壓加在車(chē)載直流母線上，充分利用車(chē)載能量管理系統(tǒng)和寬增益雙向直流變換器間接地為車(chē)載動(dòng)力蓄電池的充電提供直流電源。而常規(guī)的駐車(chē)充放電方案中電動(dòng)汽車(chē)駐車(chē)時(shí)只能通過(guò)充電樁來(lái)進(jìn)行充電，充電電壓固定，變換器的利用率不高，并且不能利用電機(jī)來(lái)進(jìn)行充電。與之相比，上述充電方式不但極大地拓寬了電動(dòng)汽車(chē)的充電方式，而且還進(jìn)一步提高了車(chē)載變換器和相應(yīng)電氣設(shè)備的利用率，在整個(gè)充放電過(guò)程中，變換器和電機(jī)的參與度明顯提高。同時(shí)也能夠大大減小充電器的體積和重量，并降低電動(dòng)汽車(chē)整體設(shè)備的價(jià)格以及附加成本。

與常規(guī)充電方式不同的是，本方案的上述兩種充電方式采用的車(chē)載直流變換器都為寬增益雙向直流變換器。車(chē)載直流變換器寬增益的優(yōu)點(diǎn)使得該直流充電方式大幅度地降低了車(chē)載動(dòng)力蓄電池對(duì)充電輸入電壓的敏感程度。

當(dāng)要求對(duì)車(chē)載動(dòng)力蓄電池進(jìn)行快速充電時(shí)，需要在充電過(guò)程加入停止充電和負(fù)脈沖充電環(huán)節(jié)，即整個(gè)充電過(guò)程中不僅有G2V過(guò)程，還有停止充電以及V2G兩個(gè)附加過(guò)程，如圖8所示，從而減輕動(dòng)力蓄電池的內(nèi)壓以及析氣量，提高電池的充電速率[18]。此外，這兩個(gè)附加充電過(guò)程的加入，還有助于車(chē)載動(dòng)力蓄電池的去極化，延長(zhǎng)車(chē)載動(dòng)力蓄電池的使用壽命。

圖8 快速充電正負(fù)脈沖充電電流波形

為了實(shí)現(xiàn)上述車(chē)載動(dòng)力蓄電池的快速充電，就需要整個(gè)復(fù)合能量源直流充電系統(tǒng)在車(chē)載能量管理系統(tǒng)的控制下，直流微網(wǎng)和充電樁與車(chē)載動(dòng)力蓄電池之間能夠進(jìn)行G2V-OFF-V2G三種模式的快速切換，即車(chē)載雙向直流變換器在車(chē)載能量管理系統(tǒng)的控制下，能夠快速地進(jìn)行Buck-OFF-Boost三種運(yùn)行模式的切換，以實(shí)現(xiàn)充電設(shè)備與車(chē)載動(dòng)力蓄電池之間能量的快速雙向流通。因此，上述兩種模式的充電方案能夠?yàn)樵摽焖俪潆姺椒ㄌ峁┝己玫腣2G放電過(guò)程，并能將放電能量回饋電網(wǎng)，提高快速充電的整體效率。

3.3 模式三：車(chē)載復(fù)合能量源放電

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)處于駐車(chē)狀態(tài)時(shí)，除了上述兩種充電模式外，車(chē)載復(fù)合能量源在車(chē)載能量管理系統(tǒng)的控制下，還能夠通過(guò)車(chē)載雙向直流變換器和車(chē)載直流母線進(jìn)行放電，此時(shí)車(chē)載直流母線與微網(wǎng)直流母線或充電樁直流輸出端連接。車(chē)載復(fù)合能量源的放電功率主要有以下兩個(gè)流通方向：一是流向直流微網(wǎng)，為微網(wǎng)中的直流負(fù)載提供功率，即V2DG，如圖9a所示；二是通過(guò)充電樁的內(nèi)部雙向變換器流向交流微網(wǎng)，即V2AG，如圖9b所示。

從圖9a可以看出，當(dāng)車(chē)載復(fù)合能量源的功率流向直流微網(wǎng)中的直流負(fù)載時(shí)，無(wú)需車(chē)載功率變換器之外的其他變流器裝置，充分利用電動(dòng)汽車(chē)自身的車(chē)載變換器、復(fù)合能量源以及車(chē)載能量管理系統(tǒng)。因此在車(chē)載能量管理系統(tǒng)的控制下，車(chē)載復(fù)合能量源經(jīng)過(guò)車(chē)載雙向直流變換器可為直流微網(wǎng)負(fù)載提供其所需的能量和瞬時(shí)功率。

從圖9b可以看出，當(dāng)車(chē)載復(fù)合能量源的功率流向交流微網(wǎng)時(shí)，充分利用車(chē)載雙向直流變換器、車(chē)載能量管理系統(tǒng)。在電動(dòng)汽車(chē)以及充電樁的能量管理系統(tǒng)的控制下，車(chē)載復(fù)合能量源經(jīng)過(guò)各類(lèi)雙向功率變換器的功率變換之后，產(chǎn)生的三相交流電既可以并入交流電網(wǎng)，產(chǎn)生額外的收益，也可以供交流微網(wǎng)中的交流負(fù)載使用。

圖9 車(chē)載復(fù)合能量源放電

上述兩種放電模式都需要車(chē)載能量管理系統(tǒng)根據(jù)車(chē)載復(fù)合能量源的不同特性，對(duì)復(fù)合能量源的放電過(guò)程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。特別是當(dāng)微網(wǎng)中出現(xiàn)負(fù)載突變時(shí)，在車(chē)載能量管理系統(tǒng)的檢測(cè)和控制下，車(chē)載超級(jí)電容能夠迅速響應(yīng)，發(fā)揮自身功率密度大的優(yōu)勢(shì)，為微網(wǎng)中的負(fù)載提供或吸收突變功率，以減少負(fù)載突變對(duì)車(chē)載動(dòng)力蓄電池以及直流微網(wǎng)儲(chǔ)能蓄電池的沖擊和損傷，從而延長(zhǎng)兩者的使用壽命，提高整個(gè)系統(tǒng)在不同負(fù)載狀況下的響應(yīng)速度。

本文所提充放電一體化方案中的三種運(yùn)行模式并不是相互獨(dú)立的，而是能夠相互配合、相互切換的。本文提出的充放電一體化方案就是基于以上目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)本身的車(chē)載能量管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得這三種運(yùn)行模式既能夠單獨(dú)工作，又可以協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而充分利用電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載復(fù)合能量源、車(chē)載變換器、車(chē)載能量管理系統(tǒng)以及各類(lèi)車(chē)載電氣設(shè)備。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提充放電方案的合理性和正確性，搭建了復(fù)合能量源充放電系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)，其主要試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件和電路參數(shù)

設(shè)置直流母線參考電壓為400 V進(jìn)行基本的原理驗(yàn)證。其中，復(fù)合能量源中的超級(jí)電容組采用CSDWELL公司型號(hào)MODWJ001PM031Z2的超級(jí)電容，電容組由4個(gè)該型號(hào)的超級(jí)電容模塊串聯(lián)組成，蓄電池組為磷酸鐵鋰電池，額定電壓為48 V，工作電壓為51 V，容量為20 A·h。本文所提充放電一體化方案的驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。反饋和控制系統(tǒng)接口采用TI-TMS320F28335 DSP控制器。該試驗(yàn)平臺(tái)中的直流變換器樣機(jī)都為寬增益雙向直流變換器，額定功率為1.2 kW，滿(mǎn)足驗(yàn)證試驗(yàn)的 要求。

圖10 所提出方案的試驗(yàn)平臺(tái)

另外試驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比如表3所示。雖然實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)的峰值功率與平均功率是試驗(yàn)平臺(tái)功率的100倍左右，但這種差距取決于所用電池組以及負(fù)載側(cè)的功率。因此本文中為合理的等比縮小試驗(yàn)，通過(guò)此驗(yàn)證試驗(yàn)取得的結(jié)論可以應(yīng)用在實(shí)際的電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)中。驗(yàn)證試驗(yàn)主要包括以下三組典型試驗(yàn)波形。

表3 試驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表

首先，為了驗(yàn)證本文充放電系統(tǒng)中雙向直流變換器寬增益，能夠?qū)π铍姵爻潆婋妷旱燃?jí)的要求會(huì)有所降低的優(yōu)勢(shì)，以模擬實(shí)際車(chē)載雙向直流變換器的增益變寬，對(duì)車(chē)載動(dòng)力蓄電池的充電電壓等級(jí)選擇所帶來(lái)的影響。因此，本文采用不同等級(jí)的直流母線電壓，分別對(duì)蓄電池進(jìn)行4 A的恒流充電，此時(shí)的直流母線充電電壓和蓄電池電流波形如圖11所示。從圖11可以看出，當(dāng)母線電壓UDC_bus在160～400 V之間變化時(shí)，在經(jīng)過(guò)寬增益雙向直流變換器的功率變換后，都能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行很好的恒流充電，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)合能量源電動(dòng)汽車(chē)的寬范圍直流充電。

圖11 不同母線充電電壓下的母線電壓和蓄電池電流波形

其次，本文所提充放電一體化方案中的蓄電池與微網(wǎng)之間的能量在經(jīng)過(guò)寬增益雙向直流變換器的變換后，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向的流通，即實(shí)現(xiàn)車(chē)載動(dòng)力蓄電池組與微網(wǎng)之間能夠在G2V和V2G兩種運(yùn)行模式之間進(jìn)行切換。因此，本文使用DSP模塊控制雙向直流變換器每隔3.2 s進(jìn)行一次運(yùn)行模式的切換，此時(shí)整個(gè)切換過(guò)程的蓄電池端電壓和電流如圖12a所示。從圖12a可以看出，蓄電池每次充放電電流都為4 A，在運(yùn)行模式切換時(shí)端電壓只有很小的變化，幾乎一直保持在50 V左右。兩種運(yùn)行模式切換的瞬態(tài)過(guò)程分別如圖12b和圖12c所示，從圖中可以看出，不管是V2DG切換至DG2V，還是DG2V切換至V2DG，都有著很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，都能在經(jīng)過(guò)4～8 ms后完成整個(gè)切換過(guò)程，這也間接地驗(yàn)證了本文充放電一體化方案中的車(chē)載雙向直流變換器能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池組與微網(wǎng)之間能量的雙向流通。

圖12 蓄電池和直流母線間功率的雙向切換試驗(yàn)波形

最后，復(fù)合能量源電動(dòng)汽車(chē)駐車(chē)時(shí)，車(chē)載直流母線連接戶(hù)用直流微網(wǎng)，當(dāng)戶(hù)用負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，在能量管理系統(tǒng)的檢測(cè)和控制下，蓄電池和超級(jí)電容能夠利用自身的高能量密度和高功率密度特性，分別為母線負(fù)載提供或吸收平均功率和突變功率。在電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用中，一旦車(chē)載直流母線功率發(fā)生突變時(shí)，車(chē)載動(dòng)力蓄電池組以及超級(jí)電容組也會(huì)在車(chē)載能量管理系統(tǒng)的控制下為車(chē)載直流母線及時(shí)地提供其所需的功率。本文試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的直流母線功率在400～600 W之間階躍變化，此時(shí)在車(chē)載能量管理控制系統(tǒng)的作用下，蓄電池和超級(jí)電容組所提供的電流如圖13所示。從圖13可以看出，不管直流母線負(fù)載功率突增還是突減，超級(jí)電容都能夠迅速響應(yīng)，并提供較大的瞬時(shí)電流，此時(shí)蓄電池的電流上升的較為平緩，從而整個(gè)復(fù)合能量源系統(tǒng)既能夠迅速響應(yīng)直流母線負(fù)載功率的要求，又能夠達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的。

圖13 負(fù)載突變時(shí)的蓄電池和超級(jí)電容電流波形

綜上所述，文中的三組典型試驗(yàn)可以驗(yàn)證所提充放電方法的重要環(huán)節(jié)，即車(chē)載復(fù)合能量源通過(guò)雙向直流變換器和汽車(chē)直流母線之間的能量交互。第一組試驗(yàn)驗(yàn)證了蓄電池通過(guò)寬增益雙向直流變換器可以在較大的汽車(chē)直流母線電壓范圍內(nèi)進(jìn)行能量交互，從而驗(yàn)證了模式一和模式二這兩種車(chē)載動(dòng)力蓄電池充電模式的可行性；第二組試驗(yàn)進(jìn)行了充放電之間的穩(wěn)定切換，即實(shí)現(xiàn)蓄電池組與微網(wǎng)之間能量的雙向流通，從而驗(yàn)證了模式二中所提到的快速充電模式的可行性，并且也驗(yàn)證了模式三中的車(chē)載復(fù)合能量源放電工況；第三組試驗(yàn)充分地體現(xiàn)了復(fù)合能量源為所接入的直流微網(wǎng)“消峰填谷”的優(yōu)勢(shì)，從而驗(yàn)證了模式三中車(chē)載復(fù)合能量源放電的優(yōu)勢(shì)和可行性，同時(shí)這種特性也可以體現(xiàn)在前兩種模式中。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于車(chē)載寬增益直流變換器的多源電動(dòng)汽車(chē)駐車(chē)充放電一體化方法。

(1) 與目前的電動(dòng)汽車(chē)駐車(chē)充放電方案相比，該方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合能量源與微網(wǎng)之間的能量交互，而且降低了車(chē)載動(dòng)力蓄電池對(duì)充電輸入電壓等級(jí)的要求。

(2) 該方法中蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合能量源，能夠?yàn)樗尤氲闹绷魑⒕W(wǎng)“消峰填谷”。

(3) 該方法不但充分利用了車(chē)載直流母線、車(chē)載雙向直流變換器以及車(chē)載能量管理系統(tǒng)，而且充分利用了車(chē)載三相逆變器/整流器以及車(chē)載動(dòng)力電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載動(dòng)力蓄電池的直流充電和交流充電兩種充電方式。

通過(guò)典型的三組試驗(yàn)結(jié)果與理論分析可知，本文所提出的駐車(chē)充放電一體化方法合理可行，可在未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)研究領(lǐng)域進(jìn)一步推廣實(shí)現(xiàn)。