电动汽车充电器的平均值模型

2017-12-01 11:48杨梦勤陈庆
价值工程 2017年33期
关键词:电能质量充电器

杨梦勤+陈庆

摘要: 由于电动汽车(EV)电池的负载电路需要准确的充电系统表示法,因此必须构建合适的模型对充电器进行评估分析。本文提出了一种通用EV充电器模型,并研究了评估配电电压的调节和电能质量的问题。该模型的开发是基于平均值模型(AVM)方法而提出的。针对切换模型验证了提出的AVM模型的有效性,且发现电动汽车充电设施的实际测量报告与电动汽车充电器的状态是非常准确逼近的。

Abstract: Because the load circuit of electric vehicle (EV) battery needs accurate charging system representation, it is necessary to construct the appropriate model to evaluate the charger. This paper presents an optimized universal EV charger model, and studies the evaluation of distribution voltage regulation and power quality problems. The development of this model is based on the mean value model (AVM) method. The validity of the proposed AVM model is verified for the switching model, and it is found that the actual measurement report of the electric vehicle charging facility is very accurate with the state of the electric vehicle charger.

关键词: 充电器;电能质量;AVM模型

Key words: charger power;quality;AVM model

中图分类号:U469.72 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2017)33-0092-02

0 引言

为了提高对EV负载上配电电压的认识,必须开发一个典型的EV充电器模型。本文为电动汽车充电器设计一个平均值模型,并针对切换模型验证此模型的有效性。EV充电电路是由一个带功率因数校正级(PFC)的升压转换器的单相整流器,以及与电池的交流电源绝缘的DC-DC变换器组成[1]。一种适用于大多数EV负载的模型正在开发,但这种模型不能代表设备级模型的特征,其主要目的是评估系统中谐波对于EV负载的影响[2]。目前针对1级(120V/12A)电池充电器已经出现了一种复杂的EMTP-RV模型或者开关模型。

商用EV充电器配备脉宽调制(PWM)控制以调节电源侧的电流波形为正弦波。已开发的AVM模型不带PWM控制,故电流波形不能准确呈现。故本文建立了一个基于时域切换模式的配备PWM控制的EV充电器的平均值模型。通过EV充电设施的实际测量报告和仿真实验验证了该模型的有效性。

1 电动汽车电池充电器

电池充电器从电能供应电源处获取能量并将能量传送给电池组。因为电能传送到电池的方式对于电池寿命至关重要,所以充电器还包括用于电池电源管理的控制电路[3]。

EV充电器由三部分构成。第一部分是由一个输入滤波器和全桥整流器构成。第二部分是由一个PFC的升压变换器构成。此升压变换器须将输入电压升高至与电动汽车电池电压兼容的电压水平(300-400V)。第三部分的DC-DC变换器将电池与电源供电系统进行隔离,它由一个连接到输出终端的带低通滤波器的全桥正向DC-DC变换器组成。

2 通用时域电动汽车充电器模型

对1级电池充电器的通用時域模型进行仿真。2级充电器的AVM模型也用此方式开发。对2级充电器,除了将交流电压转变成240V外,假设所有电路参数不变。

一个330V-10kWh的锂电池作为负载。该情况下使用的电池模型是一个384V的直流电压电源接一个0.1Ω的串联电阻。

为了评估EV充电器对配电电网电能质量的影响,DC-DC变换器和电池负载可通过选择适当的电阻来替代。1级EV充电器的等效电阻可通过测量电压的均方根值和DC-DC变换器终端的输入量来验证。负载电压Vload的均方根值是370V且负载电流iload的均方根值为3.64A,得出的等效电阻为101.65Ω。同理,2级EV充电器的降阶模可通过DC-DC变换器和电池负载替代仿真得出等效电阻为58Ω。

3 EV充电器的平均价值模型

EV充电器的组件可分为两个模块,即整流模块和升压变换器模块,分别用于获得低纹波的直流电压和进行功率因数校正。

为了将AVM模型的设计分两个阶段进行,需要一种隔离两个模块的方式。该升压变换器的电感被分为相等的两部分(Lb和Ldc)且将一个非常低的电容(Cdc)引入到两个阶段中。因为引入的电容非常低,所以EV充电器的整个电路的性能仍不受影响。

4 模型验证

该系统通过以下实验进行研究,主要包括EV充电器对切换模型的仿真和验证。

充电系统电源电压的均方根值为Voc=120V。为了仿真降阶模型,DC-DC变换器和电池负载由一个102Ω的等效负载电阻来代替。对AVM模型,PWM控制需要使电池的充电电压维持在370V。

整流的直流电流(idc)波形的峰值是17.5A,对应AVM模型的交流电流波形为正弦波,这与切换模型是一致的。故电源侧交流电流根据1级EV充电器的要求其均方根值接近12.3A。由所提出的AVM模型产生的图形与切换模型所产生的图形几乎重叠,所以验证了AVM模型的有效性。但由不带PWM控制的AVM模型产生的交流电流波形不是正弦波且与切换模型严重偏离。由所提出的AVM模型产生的直流电流(idc)的波形与切换模型产生的半正矢波形几乎重叠。所以,虽然不带PWM控制的AVM模型能够准确表示电流的均方根值,但它不能准确表示电流波形的瞬时值。因此提出的AVM模型有显著的改进并比较精确的模仿了充电器的行为。

5 结论

提出的AVM模型用于评估各种负载情况下的反应。该模型与切换模型相比以了解它如何很好地接近时域仿真。AVM模型对实际测量的EV充电设施也进行了验证。本文验证了所提出的AVM模型在稳态运行期间非常准确的接近EV充电器的模型。此外,分析表明所提出的AVM模型在不包括PWM控制的情况下相较于之前的AVM模型对电能质量有显著的提高。

研究结论认为AVM模型准确地表示了EV负载在充电时对于二次侧设备电压分布的影响。因此,提出的AVM是一种高效代表EV电池充电器的电压质量分析的模型。

参考文献:

[1]M.Chris, M. M. Abul, and G. David, Power Electronics in HEVs: Plug-in Hybrid Electric Vehicles, in Hybrid Electric Vehicles: Principles and Applications with Practical Perspectives. Chichester, UK: Wiley, 2011.

[2]欧阳剑,李迪,柳俊城.电动汽车用动力电池模型的研究综述[J].机电工程技术,2015(12).

[3]王斌,徐俊,曹秉刚,李其玉,杨晴霞,宁博.电动汽车的多模式复合电源能量管理自适应优化[J].西安交通大学学报,2015(12).endprint

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