具有V2G功能的电动汽车快速充放电方法

吴 凯，程启明，李 明，白园飞，陈 根

（上海电力学院 自动化工程学院，上海 200090）

0 引言

电动汽车 EV（Electric Vehicle）清洁、环保、节能，成为未来新能源汽车发展的主要方向，也是解决全球能源紧缺和环境污染问题的有效途径[1-2]。电动汽车和电网互动技术V2G（Vehicle to Grid）是现代智能电网和智能微电网的重要组成部分，可以调节电网峰谷差，降低电网传统调峰、调频的备用容量，还有利于电网大量吸纳可再生能源发电量，提高电网运行的稳定性和经济性[3-4]。可逆充放电机是电动汽车和电网实现能量双向流动的载体，主要由可逆PWM整流器和双向DC/DC变换器组成，研究其高功率因数快速充放电对实现V2G功能具有重要意义。

三相电压型PWM整流器具有网侧电流谐波低、单位功率因数及高恒定直流侧电压等优点[5-6]，得到了广泛关注。文献[7]提出一种基于SVPWM的直接电流控制方法，实现电动汽车的高功率因数充电；文献[8]提出一种通过施加恒定扰动来抑制起动瞬间网侧电流冲击的方法，并提出利用q轴电流给定不为0的方法来校正整流器的功率因数；文献[9]提出在同样的谐波要求下，相对纯电感型滤波，LCL滤波可以降低电感值的大小。对双向DC/DC变换器的研究集中在电路拓扑[10-11]和控制[12-14]2 个方面。 要实现电动汽车的快速充放电，必须解决动力电池的极化问题[15]，文献[16]提出采用脉冲电流充电，适时进行反向放电，消除电池的极化现象。

本文将可逆PWM整流器和双向DC/DC变换器应用到电动汽车快速充放电技术中，对可逆PWM整流器采用前馈解耦的电压电流双闭环控制策略，有效地提高了充电机的功率因数，保持充放电过程中直流母线电压的稳定；同时用LCL滤波器代替L滤波器，在达到相同滤波效果的前提下降低了电感值，提高了系统的响应速度。对双向DC/DC变换器采用电流闭环控制，并对充放电分别采用脉冲充电和恒流放电，有效地控制了充放电的电流，实现快速充放电功能。

1 可逆充电机的工作原理

非车载式可逆充电机主要包括可逆PWM整流部分、双向DC/DC变换部分、动力电池以及电池管理系统 BMS（Battery Management System），充电整体结构如图1所示。根据BMS对动力电池剩余电量的监测，设定不同的充放电运行模式，实现充电机潮流双向流动。充电时，从电网接入交流电由整流装置转换为稳定的直流电压，再经DC/DC变换装置降压后给动力电池充电；放电时，动力电池经DC/DC变换装置升压后逆变为交流电接入电网。

图1 充电机整体框图Fig.1 Overall diagram of charger

1.1 可逆PWM整流器

可逆PWM整流器由基于LCL滤波的三相电压型PWM整流器组成，既是电动汽车充电时的供电电源，又是电动汽车放电时的负载，且在电池的充放电过程中，具有单位功率因数、电能双向流动、低谐波污染等优点。主电路拓扑结构如图2所示，图中，ea、eb、ec为电网三相交流电压；ia、ib、ic为三相交流电流；Udc和Idc分别为直流侧电压和电流；Lg和L分别为网侧电感和整流侧电感；Cf和C分别为滤波电容和直流侧电容；Rd为阻尼电阻。

图2 LCL滤波的PWM整流器拓扑结构图Fig.2 Topology of PWM rectifier with LCL filter

在相同滤波条件下，采用LCL滤波比采用单L滤波使用更小的电感值[9]，且在低频情况下，LCL滤波器可以等效为L滤波器，等效电感LT=L+Lg。忽略滤波电容Cf，在以电网电压定向的同步旋转坐标系下，PWM整流器其数学模型为：

其中，ud、uq分别为整流器交流侧电压矢量的d、q分量；id、iq分别为整流器交流侧电流矢量的d、q分量；ed、eq分别为交流电源电压矢量的d、q分量。

1.2 双向DC/DC变换器

Buck-Boost双向DC/DC变换器结构简单、可靠性高，易实现电压的双向控制，能满足电动汽车V2G的功能，拓扑结构如图3所示。

图3 双向DC/DC变换器拓扑结构图Fig.3 Topology of bi-directional DC/DC converter

电动汽车充电时，双向DC/DC变换电路由开关管VTbuck、VDbuck和电感L构成，工作在Buck模式。充电回路的电压基尔霍夫方程如下：

由此可得充电回路的传递函数为：

其中，Udc为输入电压；Ubat为电池充电电压；iL为充电电流；Rbat为电池内阻；L为滤波电感；τl为电磁惯性时间常数。

充电回路的动态结构模型如图4所示。

图4 充电回路的动态结构Fig.4 Dynamic structure of charging loop

放电时，DC/DC变换电路由开关管VTboost、VDboost和滤波电感L构成，变换器工作在Boost模式。放电回路的电压基尔霍夫方程如下：

放电回路的传递函数为：

2 电动汽车充放电控制策略

2.1 PWM整流器控制策略

由式（1）可以看出d、q轴变量相互耦合，为此提出基于PI调节器的前馈解耦控制策略并采用双闭环控制系统。采用基于PI调节器的前馈解耦控制策略时，u*d、u*q控制方程为：

其中，KiP、KiI为电流内环比例调节增益和积分调节增益；u*d、u*q为电压指令值；i*d、i*q为电流指令值。

解耦后系统的结构框图如图5所示。

图5 基于前馈解耦控制策略的控制结构Fig.5 Structure of feedforward decoupled control

按典型二阶系统对电流内环PI参数设计[8]，将解耦后电流内环小惯性环节进行合并，d轴和q轴的电流内环PI参数相同。电压外环PI参数设计与电流内环类似，电流内环和电压外环的PI参数分别如下：

其中，Ts为开关周期；KPWM为PWM单元的增益；Udc为直流侧电压。

2.2 双向DC/DC变换器的控制策略

双向DC/DC变换器在不同的工作模式下对应的控制策略也不相同。本文是要控制充电和放电电流，因此在充放电过程中都采用电流闭环控制。为消除被控量的稳态误差，采用PI调节器，控制结构如图6（a）所示。图中，Ks是开环增益；τoi是电流滤波时间常数。

根据电动汽车的常用动力电池-锂电池组的特性，本文选择脉冲式快速充电方法对电动汽车进行充电，放电时采用恒定大电流快速放电方法。脉冲充电使用间断的电流充电，充电过程中有瞬时电流放电，提高了电池的接受能力，排除了极化现象，缩短了充电时间，提高了充电效率[16]；恒定大电流快速放电提高了电动汽车瞬间向电网供电的能力，可用于电力系统的调峰和调频。充放电的控制框图如图6（b）和 6（c）所示。

图6 双向DC/DC控制结构Fig.6 Structure of bi-directional DC-DC control

3 仿真结果分析

使用MATLAB/Simulink作为本文的仿真工具，选择SimPowerSystem中自带的锂电池作为电动汽车的动力电池，建立仿真模型。根据电动汽车动力电池的要求，设置锂电池的标称电压为150 V，电池容量为100 A·h，充放电均采用大电流（0.3 C，即30 A，C为电池充放电倍率）方式进行。

3.1 充电仿真

充电时可逆PWM整流器工作在整流状态，电网侧电压、电流及功率波形如图7所示。从图7中可以看出网侧电流和电压保持同相位，有功功率从电网流向电池，无功功率为0，实现功率因数为1，且采用LCL滤波使电流谐波畸变保持在3%以下。

双向DC/DC变换器工作在降压模式，电池的充电电压、充电电流如图8所示。采用基于电流闭环控制的脉冲充电方式，充电电流保持在0 A和35 A这2个状态，充电电压随着充电时间的增长逐渐脉冲式增大。

图7 PWM整流器波形Fig.7 Waveforms of PWM rectifier

图8 电池充电波形Fig.8 Waveforms of battery charging

为验证本文所提脉冲充电方法的快速性，又对恒流和恒压2种充电方法进行对比仿真。设置3种充电方式的电池初始值相同，电池的荷电状态SOC（State Of Charge）随时间的变化如图9所示。可以看出，脉冲充电速度最快，其次是恒流充电，而恒压充电速度最慢。

3.2 放电仿真

放电时，电动汽车动力电池通过电压提升后输入到可逆PWM整流器，双向DC/DC变换器部分的仿真结果如图10所示。放电电流保持在35 A不变，电池SOC线性下降，放电电压经过DC/DC变换器提升后迅速达到稳定值，保证了逆变器的输入电压。

放电时PWM整流器工作在逆变状态，波形如图11所示。可以看出，网侧电压和电流相位相差180°，有功功率从电池流向电网，无功功率为0，实现功率因数为-1，同时网侧电流谐波畸变率仅为2.59%。

图9 SOC变化Fig.9 Waveforms of SOC

图10 电池放电波形Fig.10 Waveforms of battery discharging

图11 PWM逆变器波形Fig.11 Waveforms of PWM inverter

4 结论

本文建立了具有V2G功能的电动汽车充放电机模型，将可逆PWM整流器和双向DC/DC变换器应用到电动汽车快速充放电技术中。可逆PWM整流器选择基于LCL滤波的三相电压型PWM整流器的拓扑结构，采用前馈解耦的电压电流双闭环控制策略，实现充放电的功率因数为±1，把网侧电流谐波畸变率控制在3%以下，同时保证直流母线电压快速稳定。双向DC/DC变换器采用电流闭环控制，并对充放电分别采用脉冲充电和恒流放电，有效地控制了充放电的电流，实现快速充放电功能。仿真结果表明，网侧电流谐波小，功率双向流动，且功率因数近似达到±1，系统动态响应快，控制方法简单且易于实现。