车载式蓄电池充放电变换器的设计＊

吕常智潘家兴谢力华

（1.山东科技大学，青岛 266590；2.深圳市伊力科电源有限公司，深圳 518100）

车载式蓄电池充放电变换器的设计＊

吕常智1潘家兴1谢力华2

（1.山东科技大学，青岛 266590；2.深圳市伊力科电源有限公司，深圳 518100）

为实现简单快速地为电动汽车蓄电池充电，并将蓄电池作为备用电源设备，研制了一种电动汽车蓄电池充放电变换器。该变换器用较少的元件不仅实现了电动汽车蓄电池的便捷快速充电和作为备用电源进行放电，而且可作为充电桩的补充。针对该变换器的工作原理和控制策略进行了论述，并通过仿真与试验验证了该变换器的可行性。

1 前言

随着电动汽车的普及，需要建设大量的充电设施以实现对电动汽车蓄电池的充电，虽然目前的充电桩建设项目较多，但是还未普及乡村等边远地区，因此如何实现在无允电桩的情况下快速地为电动汽车蓄电池允电成为急需解决的问题[1～4]。目前市场上的车载式充电器和车载式逆变器只有分体式，这种设备不仅功能单一而且占用了电动汽车的空间[5]。为解决上述问题，设计了一种车载式蓄电池充放电变换器（下称充放电变换器）。该变换器通过插座或电缆与标准市电交流插座连接为电动汽车蓄电池充电，从而实现即插即充；另外，该充放电变换器可将电动汽车蓄电池的直流电逆变为标准的正弦交流电为用电设备提供有效电能。

2 充放电变换器工作原理

该充放电变换器采用的是电压型全桥变流结构，主要包括前级双向PWM变流模块、后级双向DC-DC变换器以及变换器整体监控系统等，其工作原理见图1。该充放电变换器的设计采用了可逆变流技术，当其处于充电模式时，通过电网接入单相交流电，由前级双向PWM变流模块转换为稳定的直流电压，再通过双向DC-DC变换器降压后为电动汽车蓄电池进行充电；当其处于备用电源模式时，蓄电池电能经双向DC-DC变换器升压后再由前级双向PWM变流模块逆变为标准的正弦交流电。充放电变换器工作模式的切换利用物理开关控制。

3 充放电变换器的电路设计

3.1 充放电变换器前级双向变流电路

为抑制电网侧高频谐波对充放电变换器的干扰，设计添加了LCL结构的滤波器，该滤波器对谐波的衰减能力较强，能够以较小的体积实现较高的总谐波电流畸变率THDi指标，从而提高该充放电变换器的运行稳定性[6，7]。图2为充放电变换器的前级电路，包含了LCL结构的滤波器和双向PWM变流器。

图2 充放电变换器前级双向变流电路

双向PWM变流器在不同工作模式下的工作方式不同，当充放电变换器工作于正常充电模式时，双向PWM变流器进入PFC整流工作状态，其将由电网侧输入的正弦交流电压整定为恒定的直流电压，并作为充放电变换器的直流母线电压；当充放电变换器工作于备用电源模式时，双向PWM变流器作为逆变器工作，其将自直流侧吸收的电能逆变成纯正弦电压，蓄电池释放的电能将被有效利用或回馈至交流电网，从而实现将电动汽车蓄电池作为一个储备电源和调频设备。

3.2 充放电变换器后级双向DC-DC电路

双向DC-DC变换器可在不同的工作模式下采用不同的控制策略。当充放电变换器工作于整流充电模式时，双向DC-DC变换器进入Buck变换模式，将直流母线电压经过降压转换为0～370 V的可调直流电压输出；当充放电变换器工作于备用电源模式时，双向DC-DC变换器进入Boost变换模式，它将蓄电池侧回馈的直流电能通过高频升压转换为直流母线电压。充放电变换器后级DC-DC拓扑电路见图3。

图3 充放电变换器后级双向DC-DC拓扑电路

当电动汽车蓄电池需要充电及充放电变换器进入整流充电模式时，开关管T5、D6和电感器协同工作，双向DC-DC变换器工作在Buck降压模式。充电回路的电压基尔霍夫方程为：

式中，Vbus为图3中直流母线电压；Vbat为图3中蓄电池电压；Id为图3中蓄电池工作电流；L3为图3中直流电抗。

由此可得充电回路的传递函数为：

式中，τ(s)为电磁惯性时间常数。

当电动汽车蓄电池放电及充放电变换器工作在备用电源模式时，开关管T6、D5和电感器协同工作，双向DC-DC变换器工作在Boost升压模式。放电回路的电压基尔霍夫方程为：

备用电源回路的传递函数为：

4 充放电变换器控制策略

4.1 双向PWM变流器的控制策略

当充放电变换器稳定运行时，双向PWM变流器交流侧输入功率与直流侧的输出功率平衡，忽略损耗，则:

由此可得：

式中，Va、Ia分别为图2中交流输入端电压与电流的有效值；Vbus、Ib1分别为图2中母线整流电压与直流母线电流；Kt为变流器的交流输入侧与直流输出侧之间的传递系数。

当充放电变换器处于稳定运行时，双向PWM变流器的直流母线电流符合基尔霍夫电流方程：

式中，Ic1为直流母线电容的电流；Id1为经过直流母线电容C后的输出电流；C1、C2为两个并联在直流母线上的电容。

通过调节控制环内环的电流，可以控制直流侧电容的电流，从而调节直流母线电压；控制外环采用了直流电压环，可减小直流母线电压的波动，提高充放电变换器的运行稳定性。双向PWM变流器的双闭环控制结构如图4所示。图4中，Vbus_ref为整流母线的基准电压；Vout为实时采集的逆变输出电压；Vout_ref为逆变输出电压的基准电压。

图4 双向PWM变换器的双闭环控制结构

4.2 双向DC-DC变换器的控制策略

双向DC-DC变换器在不同工作模式下采用不同的控制策略。为了减小充放电变换器运行中存在的稳态误差，双向DC-DC变换器对蓄电池进行充电与放电的控制过程中，均采用电流环与电压环相结合的双闭环控制方式，而且添加了PI调节功能[8～11]。当电动汽车蓄电池进行恒压充电时，为了保证蓄电池充电电压的恒定，控制外环选择电压环，控制内环选择电流环；当蓄电池进行恒流充电或放电工作时，直流的电压外环不工作，只有电流内环起作用。双向DC/DC控制结构如图5所示。图5中，Vbat_ref为蓄电池电压的基准电压，Vbus_ref为直流母线电压的基准电压。

5 仿真与试验结果分析

为了验证该充放电变换器的可行性，利用软件PSIM建立了充放电变换器的功率电路仿真模型。不同模式下充放电变换器的设计指标分别见表1和表2。

图5 不同模式下双向DC/DC控制结构

表1 充放电变换器充电模式设计指标

表2 变换器备用电源模式设计指标

5.1 蓄电池充电仿真

当充放电变换器处于稳定的充电模式时，交流输入电压与交流输入电流的相位、频率保持同步。功率因数近似为1，能量流动方向为由电网侧流向电动汽车蓄电池侧。表3为充放电变换器稳定运行时功率因数、有功功率和THDi仿真测试结果。

表3 充电模式下功率因数、有功功率和THDi仿真测试结果

图6为充放电变换器充电模式下直流母线电压波形与蓄电池电压波形，图7为充放电变换器在充电模式下蓄电池充电电流波形。由于在仿真中对充电电流进行0.1倍采样，所以充电电流保持在10 A左右。由图6和图7可知，该充放电变换器能够实现对蓄电池进行恒流和恒压充电。

图6 充放电变换器在充电模式下直流母线电压与蓄电池电压波形

图7 充放电变换器在充电模式下蓄电池充电电流波形

5.2 蓄电池放电仿真

图8为充放电变换器在备用电源模式下逆变时的直流母线电压Vbus波形，图9为充放电变换器在备用电源模式下逆变输出交流电压VP3与电流Iout波形。由图可知，当充放电变换器工作于备用电源模式并且稳定运行时，电动汽车蓄电池进行放电，充放电变换器逆变的输出电压与输出电流的相位保持同步，功率因数近似为1，能量流动方向为由电动汽车蓄电池侧流向用电设备侧[12，13]。表4为充放电变换器稳定运行时的功率因数、有功功率和THDi仿真测试结果。

5.3 充放电变换器性能测试

图10为充放电变换器突加负载和突卸负载时的变化波形。由图10可看出，在突加负载和突卸负载时直流母线电压波动较小，恢复很快，突变电压在0.001 s内恢复正常，符合设计要求。

图8 充放电变换器在备用电源模式下直流母线电压波形

图9 充放电变换器在备用电源模式下逆变输出电压、电流波形

表4 备用电源模式下功率因数、有功功率和THDi的仿真测试结果

图10 突加负载和突卸负载时电压与电流的瞬时波形

5.4 硬件平台试验测试

根据前述分析搭建车载式蓄电池充放电变换器的实物测试环境。设置交流侧为标准市电电压220 V，频率为50 Hz。根据某电动汽车动力电池的要求，并且考虑蓄电池的浮充电压，该充放电变换器的蓄电池充电电压设定为370 V。电动汽车蓄电池容量设定为3 kW，交流电抗为2 mH，直流母线电压为650 V，直流母线电容为10 000 uF/1 000 V。大功率开关器件选用Infineon的FF750R12ME4型IGBT，开关频率为20 kHz。测试样机如图1所示，试验结果如图12～图14所示。

图11 车载式蓄电池充放电变换器实物照片

图12 充电模式下直流母线电压波形

图13 备用电源模式下输出电压与电流波形

当充放电变换器处于稳定的充电模式时，其功率因数、有功功率和THDi的实际测量结果如表5所列；当充放电变换器处于稳定的备用电源模式时，其功率因数、有功功率和THDi实际测量结果如表6所列。

由图11可看出，实测的稳定电压为650 V，与仿真测试的电压值相符，符合设计目标要求；由图12可看出，经过充放电变换器的逆变输出电压和电流波形符合标准正弦波波形，频率为50 Hz，输出电压有效值为220 V，与仿真的电压波形和数据（图7b）一致；由图13可看出，充放电变换器在遇到突加负载与突卸负载时，电压恢复时间平均为0.003 s，与仿真数据基本相符。通过对比表1～表6可知，充放电变换器在充电模式下和备用电源模式下的各项试验数据均符合设计指标要求，上述结果表明，该充放电变换器的设计实现了预期的功能和可行性目标。

图14 备用电源模式下多次突加负载与突卸负载时输出电压与电流波形

表5 充放电变换器处于充电模式下的功率因数、有功功率和THDi的实际测试结果

表6 充放电变换器处于备用电源模式下功率因数、有功功率和THDi的实际测试结果

6 结束语

本文设计研制了一种新型的车载式电动汽车蓄电池充放电变换器。该变换器仅用较少的元件，实现了电动汽车蓄电池的便捷快速充电和作为备用电源进行放电，并且可作为充电桩的补充。通过理论分析、试验仿真研究验证了该车载式蓄电池充放电变换器的可行性。

1 吴凯,程启明,李明,等.具有V2G功能的电动汽车快速充放电方法.电力自动化设备,2014,34（2）:30～34.

2 王兴贵,赵玲霞,卢耀文.双向逆变器的并网控制策略研究.工业仪表与自动化装置,2011（1）:73～76.

3 宋更付.10kW充放电系统的研究：[学位论文].北京：北京交通大学,2010.

4 朱栋.单相电压型整流PWM电路及其特性研究：[学位论文].北京：华北电力大学,2013.

5 徐强,张维刚.电动车用辅助逆变器的设计与实现.电气传动,2003（2）:41～44.

6 刘月贤,王天钰.电动汽车充放电系统建模与仿真.电力系统保护与控制,2014,42（13）:70～76.

7 沈实叠.3KW单相光伏并网逆变器的研制：[学位论文].杭州：浙江大学,2014.

8 高嵩，王辉，何宁.SPWM电流跟踪并网逆变控制技术研究.西安工业大学学报,2011,35（8）,77～83.

9 沈亚瑞，宋建成.基于双闭环控制的单相逆变器研究.电气开关,2012（4）:21～24.

10 刘庭.6.5 kW车载充电逆变双向变换器设计：[学位论文].武汉：武汉理工大学,2014.

11 王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社, 2009.

12 李瑾.智能电网与电动汽车双向互动技术综述.供用电, 2010（3）:12～14.

13 苏东奇.单相车载充放电机前级可逆整流器研究：[学位论文].重庆：重庆大学,2014.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2016年8月11日。

The Design of Charging and Discharging Converter for On-board Storage Battery

Lv Changzhi1,Pan Jiaxing1,Xie Lihua2
（1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590;2.Shenzhen Ecowatt Power Co.,Ltd., Shenzhen 518100）

In order to charge the electric vehicle storage battery simply and rapidly,use the storage battery as a backup power supply unit,we developed an electric vehicle battery charging and discharging converter,which is not only used with less components to charge electric vehicle battery conveniently and quickly,served as the standby power supply for discharging,but also used as a supplementary of charging point.This paper discussed the working principle and control strategy of the converter,and verified feasibility of the converter through simulation and experiment.

Electric vehicle,Storage battery,Charging and discharging inverter

电动汽车 蓄电池 充放电变换器

U463.63+3

A

1000-3703（2016）12-0007-05

中国博士后科学基金项目（2012M521361）；山东省青年科学家基金项目（BS2012DX034）；山东省自然科学基金项目（ZR2013CQ017，ZR2012EEM021）；山东省高校科技计划项目（J13LN17）；山东省高等学校青年骨干教师国内访问学者项目经费资助。