双向高效高功率因数电动汽车充电机研究

胡 龙， 罗 安， 刘月华， 谢龙裕， 卓燕平

(1.湖南大学电气学院，湖南长沙410082；2.国网南平供电公司，福建南平353000)

双向高效高功率因数电动汽车充电机研究

胡 龙1,2， 罗 安1， 刘月华1， 谢龙裕1， 卓燕平2

(1.湖南大学电气学院，湖南长沙410082；2.国网南平供电公司，福建南平353000)

电动汽车作为一种高效、节能、零排放的交通工具，将成为未来城市的主导。而对充电机的研究，将直接影响未来电动汽车的发展。针对传统电动汽车充电机的结构，提出了一种高效且高功率因数、低谐波含量、能量双向流动的充电机结构。该结构前级采用三相电压型PWM整流器，后级DC/DC变换电路采用电流可逆斩波电路。针对前级，推导了一种功率前馈的无差拍控制，该方法实现了系统的快速、无差整流。针对后级，提出了一种基于马斯定律的自适应多阶段恒流充电控制，能够有效地延长蓄电池的使用寿命和缩短充电时间。最后通过仿真与实验验证了所提结构与方法能够实现充电机的双向高效、高功率因数、低谐波功能。

充电机；PWM整流器；DC/DC；功率前馈；无差拍；多阶段恒流

随着电动汽车(EV)的飞速发展，充电设施中的非线性、冲击性以及不对称负荷所产生的谐波引起电能质量指标恶化，干扰了电力设备及电气负载的正常运行。充电机是将三相交流电变为高压直流，然后再经过DC/DC变换将其变为蓄电池能够接受的低压直流。

目前充电机主要的拓扑结构由三相不可控整流器和高频变压器隔离DC/DC变换器组成。特点是电网侧电流谐波大、变换效率低。文献[1]针对该结构功率因数低、谐波含量高的缺点提出了加有源电力滤波器(APF)的方案。为此，本文研究了一种三相电压型PWM整流器+电流可逆斩波电路。该结构减少了开关数量，去掉了高频变压器，降低了系统成本和损耗，且能实现能量的双向流动，不仅能做到给电池充电，而且还能将电池的能量回馈给电网。

本文研究的电动汽车充电机结构，前级是三相电压型PWM整流器，后级是电流可逆斩波电路。本文首先对该拓扑结构进行了简单建模，并与传统充电机结构进行比较[2-3]，然后针对充电机前级采用了一种功率前馈的无差拍控制策略[4-6]，实现了系统的高功率因数、低谐波和快速响应运行；后级根据蓄电池特性[7-9]，提出了一种基于马斯定律的多阶段恒流充电控制策略，实现了蓄电池的高效快速充电。最后，通过仿真与实验验证该结构和控制策略的正确性。

1 电动汽车充电机的拓扑结构分析

目前市场上最主流的电动汽车充电机结构采用的是三相不控整流+高频变压器隔离DC/DC变换器。该结构最大的缺点是电网侧电流谐波含量大。针对这一缺点有人提出了一种并联APF的充电机，其结构如图1所示。该结构通过APF发出一个与负载谐波幅值相同相位相反的电流波形，从而达到消除电网侧谐波的目的。该结构需要先检测负载谐波电流然后进行治理，复杂了系统的设计。

图1 并联APF的电动汽车充电机结构

为了实现充电机的高效运行，降低谐波含量和系统成本，提高功率因数和实现能量的双向流动，本文提出了一种高效高功率因数的电动汽车充电机结构，其拓扑结构如图2所示。它由前级的三相电压型PWM整流器和后级的电流可逆斩波电路组成。图中为电网侧三相电压源，为网侧滤波电感为网侧输入电流，功率开关器件使用IGBT，为高压直流侧电容且为输出滤波电感，为输出直流侧电容。为分析方便，首先定义单极性二值逻辑开关函数为：

图2 高效高功率因数充电机拓扑结构

对前级应用基尔霍夫电压定律有式(2)：

根据式(2)可以得到前级的等效电路图，如图3所示。

图3 前级PWM整流器的等效模型

后级的电流可逆斩波DC/DC电路，可以理解为由一个Boost电路和一个Buck电路组成的复合电路。该电路不仅能实现电流的正向流动，还能够实现电流的逆向流动，从而为整个充电机能量的双向流动奠定了基础。在该电路中，和构成降压斩波电路，由高压直流侧向蓄电池充电；和构成升压斩波电路，把蓄电池的能量反馈给高压直流侧。

根据上面的分析我们建立了电流可逆斩波电路在两种状态下的等效电路，如图4所示。

图4 电流可逆斩波等效电路

将其化简得输出电压：

同理可得图4(b)的输出电压：

通过前面的分析我们可以看出，当充电机给蓄电池充电时，只要将关断，调节的导通占空比就可以得到需要的充电电压，当蓄电池给电网回馈能量时，只要将关断，调节的导通占空比就可以得到需要的整流器直流侧电压。

2 三相VSR的功率前馈无差拍控制

为实现三相VSR对直流侧负载功率的快速跟踪和提高系统的动态响应性能，本文采用了基于功率前馈的有功电流控制。对于充电机来说我们可以将整个后级当作三相VSR的非线性负载，这样我们只要检测前级的输出功率即可。假设其输出功率为，理想情况下，认为系统的开关损耗为0，根据能量守恒原理有：

为了维持PWM整流器直流侧电压的稳定并弥补整个系统的能量损失，采用一个PI调节器来实现直流侧电压外环的调节：

为了实现内环电流的快速跟踪，本文采用一种电流无差拍控制方法，能够实现快速准确跟踪指令电流。由式(8)计算出PWM整流器网侧有功电流分量，由式(9)得到直流侧电压的电流调节信号，则总有功电流分量信号为：

式中：“+”表示整流模式，“－”表示逆变模式。因此只要改变参考电流调节信号的正负号即可实现两种模式的切换。

在稳态时，根据双极性PWM控制方式，可将式(3)离散化得到占空比表达式(12):

图5 功率前馈的无差拍控制框图

3 自适应多阶段恒流充电控制

当充电机处于充电状态时，其负载是蓄电池，它是一种电、化学、热力学的综合系统，其动态特性相当复杂。根据马斯定律，得到蓄电池的最大可接受充电电流曲线，如图6所示。根据图6我们可以知道，电池的充电电流只能在接受区内，且越接近最大可接受充电电流曲线，电池的充电时间就越短。目前常规的充电方式有两种，分别是恒压充电和恒流充电。若蓄电池采用恒压充电，在充电前期充电电流相当大，易造成被充蓄电池过流或充电设备损坏；在充电后期，对电池电压的变化很难补偿，所以很难将蓄电池完全充满。另外由于不能调整充电电流的大小，不适合初次充电和长时间放置的蓄电池充电；若蓄电池采用恒流充电，一般使用0.1～0.2的电流给电池充电，充电时间太长。针对上面的问题，本文提出了一种多阶段恒流充电方式。其思想就是通过电池管理系统实时检测电池的端电压、温度和充电时间来判断各个充电阶段的充电电流。其充电曲线如图6所示。从图6可以看到，我们将充电电流在0.2～1.2范围内分成六个充电阶段，最后进行浮充阶段，电流为0.1，时间为。各个分阶段分别对电池进行恒流充电，通过设置各个分阶段电池电压的上限，当电池电压上升到规定值时转入下一个分阶段充电。充电阶段分得越多，其充电曲线就越接近理想充电曲线，充电速度也就越快。

图6 多阶段恒流充电曲线

对充电机的后级来说，为了实现前面所说的多阶段恒流充电，本文提出了一种电压电流双环控制，其控制框图如图7所示。

图7 电压电流双环控制

4 仿真与实验验证

为了验证本文提出的双向高效高功率因数的电动汽车充电机的拓扑结构和控制方法的正确性，利用电力仿真软件PSIM6.0搭建了充电机的模型进行仿真验证。仿真参数为：充电机输出功率为20 kW，网侧相电压有效值220 V，频率50 Hz；前级直流侧为两个10 000 μF的电容串联；直流侧电压参考值为700 V；电网侧滤波电感1.0 mH；前级IGBT开关频率为10 kHz；后级IGBT开关频率为10 kHz；后级输出滤波电感0.5 mH；后级输出电容2 000 μF。

为了验证充电机运行在给蓄电池充电状态时前级功率前馈无差拍控制方法的快速跟踪和系统响应速度，将仿真分为2个阶段：(1)0～0.2 s时为空载运行；(2)0.2～0.4 s时投入负载运行，并将其与传统双PI控制进行了比较，得到了如图8所示的直流侧电压仿真波形。

图8 两种不同控制方法时的三相VSR直流侧电压波形

在0～0.2 s稳压过程中，图8(a)的电压调节时间长且出现了超调，而图8(b)的电压调节时间短、没有超调。在0.2 s投入负载后，图8(a)的电压出现了较大的波动，经过了较长时间才稳定，而图8(b)的电压只是出现了较小的下跌，很快就回到稳定状态。图9为充电机双向运行状态下电网侧a相电压与电流的仿真波形。图9(a)为充电机给蓄电池充电时a相电压和电流波形，从图中我们可以看到电压和电流的相位几乎相同，功率因数达到了0.99。图9(c)为充电机作为逆变器回馈能量时电压和电流波形。从图中可以看到电流与电压相位相差180°，实现了能量的高效回馈。图10为多阶段恒流充电的充电电流与充电电压，从图中可以看出当充电电压到达某一个定值时，充电电流发生变化。

5 实验结果

为了进一步验证双向高效高功率因数充电机的有效性，在实验室搭建了功率为20 kW的硬件平台。充电机运行在充电状态时采用可变电阻代替蓄电池，运行在逆变状态时采用一朝阳电源代替蓄电池。控制电路采用TMS320F2812作为核心的DSP数字控制器，功率开关器件选用英飞凌公司生产的IGBT模块，其型号为FF300R12ME4，其他实验参数与仿真参数相同。

图11为Fluck示波器在实验现场采集到的电压电流波形。图11(a)为充电机给负载充电时网侧A相电压与电流波形，从波形可以看出电压与电流相位几乎一致，实现了单位功率因数充电。图11(b)为充电机作为逆变装置给电网反馈能量时网侧A相电压与电流波形，从波形可以看出电压与电流相位完全相反，实现了能量的高效回馈。

图9 电网侧A相电压与电流仿真波形

图10 多阶段充电电流与充电电压仿真波形

6 结论

本文研究了一种双向高效高功率因数的电动汽车充电机。其前级是三相电压型PWM整流器，通过采用功率前馈无差拍控制方法来实现电流的快速跟踪与响应；后级采用电流可逆斩波电路，从结构上分析了该结构双向运行的情况，并从理论上提出了一种基于马斯定律的自适应多阶段恒流充电控制方法。实验证明本文研究的双向高效高功率因数充电机能够实现双向高效、高功率因数、低谐波功能。

图11 电网侧A相电压与电流实验波形

[1]刘国海，魏明洋，陈兆岭.电动汽车充电机谐波抑制工作机理的研究[J].电力电子技术，2011，45(12)：11-14.

[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]万健如，裴玮，张国香.统一电能质量调节器同步无差拍控制方法研究[J].中国电机工程学报，2005，25(13)：63-67.

[5]唐健，王翔，何英杰，等.三相四线制有源滤波器的新型无差拍控制[J].电力系统自动化，2007，31(19)：59-63.

[6]施大发，王晓，陈燕东，等.一种光伏并网与电能质量复合控制系统的设计[J].电力系统自动化，2012,36(4)：40-45.

[7]王迎迎.电动汽车智能充电机的研究与设计[D].郑州：郑州大学，2011.

[8]勾长虹，杜津玲.铅酸蓄电池充电接受能力及充电方式选择[J].电源技术，1996，20(6)：243-247.

[9]贾英江，王立冬，王维斌.铅酸蓄电池充电方法初探[J].电源技术，2001，25(1)：27-28.

[10]方宇.高功率因数可逆PWM变换器及其数字控制研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

Dual purpose high-efficient and high-power-factor of electric vehicle charger

As a kind of high efficient energy-saving and zero mission vehicle,electric vehicle would play a leading role in the city life in the future.The research of charger would have a direct impact on the future development of electric vehicle.Based on the traditional electric vehicle charger structure,a high efficiency,high power factor,low harmonic and a dual purpose of charger structure was put forward.Three-phase voltage source PWM rectifier was used by preceding stage of this structure.Current reversible chopper circuit was used by the later stage.For the preceding stage,a power feed-forward dead-beat control method was derived,which could realize quickly rectifying.For the later stage,a multi-stage constant current charging control based on the law of Mass was proposed,which could effectively prolong the service life of battery and shorten the charging time.Finally,simulation and experiment results verify the correctness of the proposed structure and the method can achieve dual purpose high-efficiency, high-power-factor and low harmonic function of charger.

charger;PWM rectifier;DC/DC;power feed-forward;dead-beat;multi-stage constant current

TM 571

A

1002-087 X(2016)03-0700-05

2015-08-13

国家“973”基础研究计划(2009CB219706)

胡龙(1987—)，男，湖南省人，硕士生，主要研究方向为PWM整流器和电动汽车充电机。