基于模糊控制的电动汽车充电器的研究

徐郑林，朱建波，郑伟杰，魏佳莹，许 辉

（温州大学 物理与电子信息工程学院，浙江 温州 325035）

基于模糊控制的电动汽车充电器的研究

徐郑林，朱建波，郑伟杰，魏佳莹，许 辉

（温州大学 物理与电子信息工程学院，浙江 温州 325035）

为了改善当前电动汽车充放电方法谐波污染严重、功率因数低、充电时间长、动态性能差，采用了SVPWM控制和模糊PID控制对现有充放电器进行了改进。为了验证该充放电系统及所提出控制策略的有效性，在matlab/simulink平台上进行了仿真验证，结果表明该系统能有效地实现充放电的功能，系统的抗干扰性能明显提高，动态响应性能良好，谐波污染小。

电动汽车；充放电；DC/DC变换器；模糊控制

雾霾的问题受到国内广泛的关注和热议，汽油的消耗和温室气体的大量排放，导致全球气候变暖以及不可再生能源稀缺等的环境问题，已经日趋成为全球备受关注的关键性问题。作为传统汽车的替代品之一，电动汽车在过去的几十年时间里已经逐渐被大众所接受。电动汽车的充电时间长，车用电池生产成本高，是电动汽车当前阶段首先需要解决的难题。要扩大推广电动汽车的使用，解决电池技术和快速充电棘手是根本[1-3]。电动汽车充电器不仅要满足基本的充电要求，还必须保证电网母线电压的稳定性、良好的抗干扰能力以及响应速度。现在的电动汽车充电器在使用双闭环控制后，已经具有良好的稳定性，但由于动态性能较差，本文采用SVPWM控制和模糊PID控制对现有充电器的动态性能进行改进。

1 充电器系统结构

充电器系统结构采用如图1所示，由电网侧双向整流器和电池侧双向DC/DC变换器两大部分。电网侧部分从左到右依次采用三相电压源为电动汽车充放电器进行充电、断路器和LCL滤波器以减小过冲和高频振荡、三相电压型PWM整流器可以实现能量双向流动的特点[4-5]，直流侧电容用来稳定直流母线电压。电池侧的双向DC-DC变换装置，具有充电和放电的功能[6-7]。该双向DC/DC主要应用在稳压直流电源中，它的正极和负极方向都可以输出相应的电压来满足充电和放电两方面的要求。通过控制双向DCDC变换装置中电力电子开关器件的触发角范围，或驱动信号的占空比，可以实现能量的双向传输，从而使本文设计的充电器具有充电和放电的V2G功能[8-10]。

图1 系统硬件结构图

2 网侧变换器的设计

2.1 网侧变换器硬件设计

由于所设计的充电器必须能同时实现V2G，因此需要通过双向逆变器实现能量在电网和电动汽车之前的双向互动控制。IGBT中的控制单元简单，开关频率可达40Hz，高功率IGBT模块可以运行于许多的并行设备中并且具有很高的电流控制能力。基于IGBT上述的优点，本文选用了6个IGBT作为网侧变换器的半导体开关。作为电网侧双极型电压源转换器，该电网侧转换器能够满足电动汽车充放电过程所需的多种功能[11-12]，例如可以在充电过程中将输入的交流电源转化为直流功率输出，并可以在实现V2G的逆变过程中将直流电转化为交流电反馈到电网中，具有双向整流和逆变的功能[13]。因此网侧转换器的拓扑结构，是本文设计的电动汽车充电器功能实现的关键之一。如图2所示。

图2 三相电压PWM整流器的拓扑结构

2.2 网侧变换器的控制策略

为了提高功率因数，现在针对三相PWM整流器的控制，传统的方式是利用电压矢量控制，控制过程中同时引入了电流反馈和电压反馈构成双闭环的形式，电流的反馈可以及时获取充放电的指令信息，电压反馈能使变换器在直流侧的输出能尽快达到预期的电压，且能保持稳定，波动小。但由于在这个过程中使用了PI调节器，减弱了整个系统的动态特性，直接影响了电动汽车系统的稳定性。为了提高整个系统的动态特性，满足电动汽车充放电过程要求的稳定性和快速响应性要求，本文在传统的双闭环系统的基础上，引入了模糊控制和负载前馈控制，系统控制结构框图如图3所示。

3 电池侧变换器的设计

双向半桥DC/DC变换器的控制采用电压电流双闭环结构，电池充电模式时工作在升压状态，本文采用恒流限压充电，即当反馈电压小于给定电压时，电压环饱和，电流给定值为恒流充电指令；当反馈电压大于或等于给定电压时，电压环退出饱和，电流给定值随着电压的上升而减小，电池放电模式时，需要输出稳定直流电压，如图4所示，其中VR和CR分别表示电压、电流调节器。

图3 系统控制结构框图

由于DC/DC变换器为非线性时变的特点，传统电压电流调节采用PID控制时控制效果并不理想，而模糊PID控制可动态调节参数，提高系统的非线性自适应能力，因此本文对电压、电流调节采用模糊PID控制[14-15]，如图5所示。

图4 双向DC/DC变换器控制方框图

图5 模糊PID原理框图

4 仿真结果

仿真结果如图6所示。图（a）是充电过程中引入模糊的充放电控制方式时（a）相电压和电流的仿真图，图（b）是其对应的频谱图。 从图（a）和图（b）可以看出，引入模糊控制和电流前馈控制后，电网输出电流的相位与电网相位基本一致，电流的超调量明显减小，整体呈正弦波形，电流的THD值也降到了2.84%，满足了电动汽车非车载充放装置向电网注入的总谐波电流应小于额定交流输出的5%的要求。改进后的充放电控制方式具有更小的超调量和较短的动态调整时间，并能快速达到单位功率因数，满足的电动汽车动态响应速度快，灵活性好等要求。图（c）是改进后的直流母线电压，其超调量很小。直流环节恢复到稳定状态的时间很短并且动态过程是非振荡的，这就意味着引入模糊控制和电流负载前馈的充放电方式具有更快的响应速度和更短的动态调整时间，提高了充放电系统的动态性能。

5 结 论

改进后的充放电系统具有更强的抗干扰性能，更快的响应速度和更好的稳定性。同时能实现电网侧输出电压和输出电流的同相正弦化，对EDV侧电池状态的仿真结果分析，验证了该系统充放电极强的适应性以及快速充电的能力。

图6 仿真结果

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The electric vehicle charging device based on fuzzy control

XU Zheng-lin， ZHU Jian-bo， ZHENG Wei-jie， WEI Jia-ying， XU Hui
（College of Physics and Electronic Information Engineer， Wenzhou University， Wenzhou 325035，China）

In order to improve the current method of electric vehicles charging and discharge device，serious harmonic pollution and low power factor， long charging time， poor dynamic performance， using the SVPWM control and fuzzy PID control to improve the existing charger.In order to verify the effectiveness of the charging and discharging system and the control strategy，it has been carried out in the matlab/simulink simulation platform，the results shows that the system can effectively realize the function of charging and discharging，the anti-interference performance of the system is obviously improved， and the dynamic response of good performance， small harmonic pollution.

electric vehicle； charging and discharging； DC/DC converter； fuzzy contro

TN99

A

1674－6236（2017）12-0085-04

2016-04-11稿件编号：201604106

温州大学大学生创新创业训练计划项目（DC2015052）；温州大学实验室开放项目（15SK28A）

徐郑林（1995—），男，浙江金华人。研究方向：电气工程及其自动化。