并网能量回收动力电池组测试系统拓扑及其控制

龙 波 李迅波 郝晓红 黄 波 周晓东 郎曼江 胡庆华

（1.电子科技大学机械电子工程学院 成都 610054 2.川庆物探公司国际勘探事业部 成都 610213 3.四川华能涪江水电有限责任公司 成都 610021 4.四川宝石机械成都装备制造分公司 成都 610051）

1 引言

近年来随着电动汽车技术的快速发展，电动汽车用电池的参数和性能直接影响着电动汽车技术的普及。如何评价电动汽车用电池的性能成为了电动车电池技术发展的关键。目前，电动汽车动力电池组测试系统（Power Accumulator Battery Pack Testing System，PABPTS）正是用来评价各类动力电池组性能的设备。它可以对动力电池组进行恒流、恒压、恒功率和内阻测试。

该设备参数通常需要满足如下要求[1,2]：①高电压，大电流的输出能力（比如450V/500A，225kW）；②全量程范围的电压和电流测试能力；③可调节测试电流从零到设置值的响应时间必须控制在 15ms的范围内；④高功率因数、低总谐波的网侧电流；⑤具备能量回馈的能力，放电能量可以高效率的回馈到电网以供网侧其他负载使用。

从当前动力电池组测试系统的现状而言，大多采用的是非并网型的测试系统，为得到高精度的测试电流，现有技术基本思路是使得放电测试用功率器件工作在线性放大区，将放电测试能量用功率电阻损耗掉。该方法的优点是精度高，响应速度快、电流谐波小，缺点是功耗大、能量不能回收再利用，不能测试较大的放电电流。

针对动力电池组放电的能量回收控制极其设计方面，前期已经做了一定的工作[3-6]。本文将在前期的工作基础上继续研究并提出一种无变压器型的动力电池组测试系统拓扑结构，该拓扑中所有功率器件均功率在开关状态，同时具备较低的导通和开关损耗，由于采用了多电平逆变技术，其输出电流谐波含量小，另外系统中没有工频变压器，使得其并网效率大大提高。改进的功率主电路拓扑可以实现大范围、高精度的恒压、恒流、恒功率等测试，并且可以将放电能量直接回馈到电网，在实现电池测试的同时达到了节能的目的。

2 并网无变压器动力电池组测试系统拓扑

2.1 系统的拓扑结构

图1 中给出了能量回收动力电池组测试系统的结构框图，其主要由以下几个部分组成：①待测试串联动力电池组vbat；②升/降压电流滤波电感L；③非隔离双向DC-DC 半桥变换器；④直流母线侧电解电容Cdc；⑤三相电压源型二极管中点电压钳位型三电平AC-DC 半桥变换器；⑥逆变器输出电流滤波器；⑦动力电网vg。

图1 并网动力电池组测试系统结构框图Fig.1 Block diagram of the proposed grid-connected energy recovery power accumulator battery pack testing system

系统采用二极管中点电压钳位型三电平逆变器的主要目的是降低功率器件开关应力、改善输出电流总谐波含量，使得滤波器体积降低，缩小系统的体积和重量，同传统的两电平逆变器加外置工频变压器以及电流滤波器的方案相比，具有更多的优势。

2.2 系统工作原理

动力电池组测试系统的工作原理主要包括两个方面：充电模式和放电模式，充电模式主要用来模拟电动车在刹车制动情况下动力电池组接受充电电流的能力。目前，电动车辆的控制器大多采用了再生制动控制策略，将刹车制动的能量经升压控制后回收到蓄电池中，这样可以延长蓄电池一次充电行驶里程。充电模式模拟了制动能量回收对蓄电池充电情况。此时，动力电网经过电流滤波器以及三相PWM 整流器进行单位功率因数升压整流控制（cosθ=1）后，再经双向DC-DC 变压器对蓄电池组进行高精度充电控制，该状态下充电电流方向如图2 中的实线箭头所示。

放电模式主要用来模拟电动车辆在启动、加速、爬坡等情况下动力蓄电池组的供电能力，由于瞬间大电流放电会带来电池组发热、使用寿命降低等问题，因此需要对动力电池组的瞬间大电流放电能力进行评估。当动力电池组做放电测试时，动力电池组通过Boost 变换器，在实现恒流放电的同时将低压直流信号升压至并网逆变器所需要的最小直流母线电压，当直流母线电压达到设定值时，通过对三相并网逆变器的单位功率因数控制（cosθ=-1），实现输出电流滤波后并网发电。该状态下的放电电流方向如图2 中虚线箭头所示。

图2 并网动力电池组测试系统充放电工作原理Fig.2 Operation principles of the grid-connected energy recovery PABPTS under charging and discharging mode

3 复合主电路功率变换器及其控制

图3 给出了充放电控制部分的主电路结构，可以看出，由于直流母线部分含有大量的电解电容以维持直流母线电压的稳定，同时可以作为无功能量的缓冲，因此，DC-DC 变换器和AC-DC 变换器是解耦的，可以进行独立控制。下面对这两个主电路的控制策略进行分别介绍。

图3 恒流测试工作模式下Boost 变换器连续放电测试模式下工作原理Fig.3 Operation principle of Boost converter under continuous discharging current testing mode

3.1 恒流放电模式下Boost 变换器控制

由于系统中两套主电路是解耦的，故而将Boost变换器部分分离出来分析，得到如图3 所示的主电路结构。其中iref代表设定的放电电流参考指令值，vbat是串联动力蓄电池组端电压，L 是变换器升压电感，vc代表直流母线电容端电压；idis代表动力电池组放电电流。图3 中给出了VT6分别在导通和关断情况下电池组放电电流方向，关于Boost 变换器连续电流工作模式下的数学模型、电抗器参数设计和控制器的设计技术已经比较成熟，并在文献[3]中进行了详细说明，此处不再赘述。

3.2 并网逆变器控制策略

为由文献[7]可知，三相并网逆变器在dq0 坐标系下的数学模型为

式中，id、iq为并网有功和无功电流分量；i0为零电流分量；R 为线路等效电阻；L 为网侧并网电感；Dd、Dq分别为dq 坐标系下等效控制占空比；ed、eq为dq 坐标系下电网的等效输入电压分量；vdc为直流母线电压；L 为并网电感；将Dd和Dq分别与直流母线电压相乘得到等效输入电压vd、vq，于是式（1）可以改写为

为简化分析，在式（2）中，令

得到dq 同步旋转坐标系下有功和无功轴的等效控制占空比为

将式（2）、式（3）和式（4）相结合，得到电流内环控制框图如图4 所示。其中，sd、sq分别为闭环dq 轴电流误差，Gd(s)、Gq(s) 为dq 坐标系下有功、无功电流控制器。图4 中可以看出，id、iq一个相互耦合的系统，为了实现两者独立控制，需要进行系统解耦，此时需要引入ω0L、ed*、eq*三个变量，得到解耦后的系统电流内环控制结构框图如图5 所示。

图4 解耦前电流内环控制结构框图Fig.4 Block diagram of the inner current closed loop before decoupling

图5 解耦后电流内环控制结构框图Fig.5 Block diagram of the inner current closed loop after decoupling

从图5 中可以看出，通过解耦，dq 同步旋转坐标系下的有功、无功电流分量可以分别进行独立控制。图6 给出了无隔离变压器并网型的能量回收动力电池组测试系统控制框图，其主要由两个大的部分组成，一个双向DC-DC 变换器和一个三相电压源型的并网逆变器。DC-DC 变换器根据测试需要主要实现恒流、恒压和恒功率放电测试，在动力电池组放电的同时，会导致直流母线电压的升高，如果直流母线电压不能得到有效控制，必然导致直流侧功率器件出现过压击穿。因此，在三相逆变器侧，采用电压外环电流内环的双闭环控制方案，并网电流的指令值由直流母线电压外环的输出决定。并网逆变器侧主要包括相电压、相电流检测模块，锁相环模块用来检测当前电网合成电压矢量的位置信号。有功和无功电流检测单元用来实现并网有功和无功电流的解耦控制。并网逆变器调制策略采用空间矢量调制，从而保证最大直流母线电压的利用率。由于采用了LCL 型滤波器，使得其比传统的L 和LC 型的滤波器具备更小的体积，输出电流谐波进一步降低。文献[8]给出了LCL 型滤波器的参数设计方法，文献[9]给出了LCL 滤波器的振荡抑制方法。

通过这种方法，动力电池组放电测试能量就通过三相并网逆变器回馈到电网，达到了实现放电测试目的同时实现了能量的回收，大大节约了测试用电功耗，提高了效率。该系统对于大功率充放电测试设备而言，具有更加重要的意义。

图6 并网动力电池组测试系统控制系统结构原理框图Fig.6 Schematic and control diagram of the proposed grid-connected energy recovery PABPTS

4 实验及其结果分析

为了验证前面提出的控制系统方案的有效性，本文搭建了一套175kW 的双通道动力电池组测试系统硬件平台。其中，并网逆变器部分实验所采用的器件参数、动力电池组参数、双向DC-DC 变换器以及双向AC-DC 变换器参数如附表1 和附表2所示。IGBT 驱动芯片采用隔离光耦，型号为HCPL—316J，并网相电流采样采用LT108—S7，核心控制CPU 采用TI 公司TMS320F28335，其具备强大的浮点运算能力和丰富的外设单元，非常适合该系统的应用。直流母线电压参考设定为900V，动力电池组由10 节12V/200AH 的铅酸蓄电池组串联组成。系统可以同时对两组动力电池组进行同时充放电控制，提高了测试效率。

系统中，并网逆变器部分电流内环比例积分PI控制器参数设置为 kP=0.04，积分时间参数为T=0.012。电流采样频率设置为50μs。图6 中PI 调节器的连续系统传递函数表达式为

图6 中有功和无功电流分量控制采用相同的控制器。实验结果如图7～图10 所示。

图7 恒流放电测试电流响应Fig.7 Time response of discharging current

图8 直流母线电压、电流波形图Fig.8Waveforms of DC-link voltage (vdc) and current (idc)

图9 放电情况下有功、无功电流分量响应Fig.9 Time response of the active and reactive current component (id,iq) under discharging mode

图10 并网相电压、相电流波形Fig.10Waveforms of grid-connected phase current and voltage

图7 给出动力电池组放电测试电流响应曲线，在20ms 时刻，放电电流指令值为200A，从实验结果中可以看出，实际反馈电流在出现一定的超调后很快收敛至指令电流值，峰值电流达到225A 左右。60ms 时，指令值改变为100A，可以看出放电电流同样在一定的超调之后收敛于指令值。

图8 给出直流母线电压、电流的波形响应。直流母线电压外环指令值设定为900V，可以看出，在动力电池组放电电流指令值由200A 变成100A 时，直流母线电压突然下降，然后回升值指令值，从直流母线的电流响应可以看出，这是由于直流母线侧电流降低，直流侧电容充电速度变慢所致。

图9 给出网侧有功、无功电流响应曲线，可以看出，通过解耦控制方法，可以分别对并网有功和无功电流分量进行控制，同时可以看出所设计的控制器在并网电感参数从1～0.67mH 之间变化时，依然可以实现比较好的稳定性。

图10 给出了并网相电压和相电流的响应波形，从实验结果可以看出，电流内环响应速度快，相电流和相电压很好的保持同步，实现了单位功率因数的控制，达到了系统的性能要求。

5 结论

针对传统的以能耗功率电阻作为放电负载的动力电池组测试系统存在的功耗大、发热严重、能量浪费的问题，将并网发电技术与动力电池组测试技术相结合，提出了一种并网型能量回收动力电池组测试系统。分析了拓扑结构、并网侧逆变器电流内环解耦控制策略。实验结果表明，该方案可以实现动力电池组恒流、恒压和恒功率等测试，具有响应速度快、测试范围宽、电流谐波含量低、回收效率高等特点，满足了动力电池组放电节能的需要，具有重要的意义。

附 录

附表1 并网部分AC-DC 变换器实验采用的器件参数App.Tab.1 Component parameters used for in AC-DC converter

附表2 实验中采用动力电池组及逆变器参数App.Tab.2 Power accumulator and AC-DC inverter parameters used in experiment

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