基于MATLAB的电动汽车非车载充电机仿真建模

顾 越，张晓冬，王 强

（北京交通大学，北京 100041）

电动汽车非车载充电机是一种大功率、非线性的负载，作为负载接入电网，会给电网带来一定的谐波污染，并影响到电网及以电网中的其他电力设备[1-2]。对它进行多方位的建模研究一方面有利于进一步研究电动汽车充电机的机理，提高充电机各方面的性能；另一方面有利于更准确、更全面地研究电网，减少电动汽车对公共电网的谐波污染。

本文主要针对不可控整流型非车载充电机，在Matlab-Simulink的平台上进行建模仿真，并对其注入电网和输出充电的电能进行评估，为日后对电动汽车充电机进行进一步的研究和制造做一定的参考。

1 电动汽车非车载充电机的基本原理

非车载充电机就是固定安装在电动汽车外、与交流电网相连接，为电动汽车动力电池提供直流电能的充电机。比起车载型充电机，非车载充电机具有功率大，充电速度快等特点。实际上，它就是一种依据电力电子技术而研制出来的电源[3]。这个电源根据电动汽车动力电池的充电曲线，采用一定的控制系统，对其充电模式进行控制，以达到更好更快速地为电池充电。其基本工作原理如图1所示。

图1 非车载充电机的工作原理框图

由图1可以看出，非车载充电机工作原理可分成4部分。首先，将电网中380 V的交流电进行滤波和整流，送入第II部分；随后，第II部分将缓慢下降的直流电进行高频的功率变换；接着，第III部分将送来的电流进行二次整流和滤波；另外，第IV部分的控制电路是将输出的直流电经由合理的采样与给定的直流电流电压进行相比并放大，从而输出一个误差调制信号，使其控制高频变换部分中各管的导通与关断，最终达到输出一个既符合用户充电意愿、又符合充电曲线的直流电。[3-4]

2 电动汽车非车载充电机的建模

2.1 高频隔离式DC/DC 变换器

由于全桥变换器的各开关管承受的电压较小，仅为输入电压Uin的幅值，因而被广泛应用在非车载充电机中。其电路拓扑图如图2所示[5-6]。

图2 全桥型隔离式DC/DC变换器

该DC/DC变换器的工作原理是：4个MOSFET管由高频PWM波触发，开关组合VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组，每半个周期交替导通一次。

当VT1、VT4导通时，变压器#1绕组输入的电压为Ui，变压器T的二次绕组同名端输出的电压都比非同名端高，而二极管D2导通并给输出端电感Lo充磁。

当VT2、VT3导通，此时变压器一次绕组的非同名端接到输入电压Uin，同名端连接到近地电位，而二极管D1导通，给输出端电感L充磁。

当所有开关管都关断时，D1、D2续流。

从输出电感的伏秒平衡关系可以导出全桥电路的电压调整率。在开关闭和(ton)与开关断开(toff)期间，输出电感上的平均电压分别为 [Ui(NS/NP)−Ua]和−Ua。因此，

电压的调整率为

即

将该电路应用在电动汽车充电机模型上，即使500 V的直流电为高频DC/DC变换电路的输入电压，某级的额定输出电流为输出电流，各MOSFET管承受的最大电压都为500 V，相对其他类型DC/DC变换器各MOSFET所承受的最大电压也较小，基本可以满足电动汽车充电机的电压调整率要求。

2.2 非车载充电机的控制电路

非车载充电机主要可以执行4种模式的充电方式，即恒流充电、恒压充电、脉冲充电和分阶段充电[7]。本文主要对恒流模式下的电动汽车非车载充电机进行仿真。其中Iref是指输出的基准电流。它先与其真实值Idc做差，生成误差信号，再经过PI调节和一定的放缩调节，得到一个可以使输出电流稳定在基准电流处的不停变换的常数，并以这个常数为幅值的信号作为一个调制波，控制并生成一组PWM波，以其控制DC/DC变换器中的开关管导通。利用Matlab-Simulink[6，8]搭建的控制模型见图3。

图3 恒流闭环控制方式

实际的电动汽车非车载充电机采用的充电方式往往是复合型的，如恒流—恒压式充电、恒流—恒压—恒流式充电。因此，在电动汽车充电机设计与制作中，往往采用恒流、恒压双闭环的控制方式。这时，需要进一步考虑的就是“电池终止充电技术”。一般采用最高电压、最小电流、最高温度及电容控制法[9]。

2.3 不可控整流方式下的充电机MATLAB 模型

根据上述理论在MATLAB-Simulink平台上搭建的模型如图4所示。

图4 非车载充电机在MATLAB-Simulink中的仿真模型

由于充电机是给蓄电池充电，而蓄电池可以近似认为是一个随电量变换的电阻。由于设置的仿真时间较短，可以认为它在仿真时间内的电阻没有发生改变。图4中其余参数设置如下：三相电源104 V，频率为工频50 Hz；采用1.6 MVA、接线方式为三角星接的变压器。高、低压侧的额定电压分别为104 V和380 V；滤波电容为225 μF；用于二次滤波的谐振电感电容分别为0.001 H和0.001 μF。

另外，MATLAB 的仿真算法设为：“ode23s (stiff/Mod. Rosenbrock)”，仿真时间设定为1 s。

3 仿真数据的分析

根据上节的仿真模型，配合以相应的检测电路，便可以对这个非车载充电机的性能特性进行进一步的讨论。

图5所示为输出电流，由图5可知，这个充电机需0.35 s才可达到稳定。而电流则基本稳定在20 A。通过MATLAB中的FFT Analysis Tool模块分析可知，在0.39 s时，电动汽车充电机输出端的电流质量如下：输出电流中含有的直流电流分量为20.0 A，若设直流分量为100%，则基波的有效值为0.219 3 A，谐波含量为0.015 04%。其他谐波含量为：二次谐波含量为0.000 67%，三次谐波含量为0.000 08%，四次谐波含量为0.000 03%。其他次谐波含量均在10-5%以下，基本可以忽略不计。

图5 电动汽车充电机的输出电流

值得一提的是，随着时间的推移，谐波含量越来越小，直流质量越来越高。例如：令直流含量为100%，则0.36 s时输出电流的基波含量为0.016 96%，其他谐波含量也有一定幅度的增加。

系统的功率因数(αcos)用公式表达可表示为：

若输入端忽略损耗，则上式又可以化简为

依照上述理论，可以得到测量电动汽车非车载充电机功率因数的电路图，见图6。电路先计算出谐波畸变率，进而就可以得出电路的功率因数。

图7所示的是电动汽车非车载充电机的功率因数[10]。充电机刚刚开始工作时功率因数较低且不稳定，而到0.035 s以后则基本达到稳定，并一直保持在0.98左右，这符合功率因数大于0.9的性能要求。

图6 功率因数测量电路

图7 电动汽车非车载充电机的功率因数

图8与图9所示分别为隔离变压器一次侧和二次侧电压的谐波含量的柱状图。横轴代表谐波的次数，纵轴代表各次谐波分量的幅值占基波的百分率，即基波的纵轴坐标为100。由图8、图9可以看出，三相桥式不可控整流电路与高频隔离式DC/DC变换器会给系统交流侧带来一定的高次谐波。其中，以5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次、29次、31次、35次和37次谐波相对较大。将谐波次数归纳成数学表达式为6k±1(k=1,2,3,…)。2张图对比可知，变压器一次侧各次谐波幅值都比二次侧的幅值要小近2倍。与此同时，畸变率也从二次侧的0.2%下降到0.08%。可见，Delta-Y的这种接线方式的变压器对减小谐波含量、降低电压畸变率能起到较好效果。

图8 变压器一次侧电压

图9 变压器二次侧电压

值得一提的是，蓄电池负载是一个非线性可变量；电网中的电压电流也不是标准的三相平衡正弦波。因此，利用普通的采样算法和测量方法会对结果造成一定的误差，但并不影响各参数的整体趋势。

4 结论

电动汽车非车载式充电机是一种越来越常见的非线性负载。根据整流方式的不同，投入运行时会给电网带来不同程度的谐波和畸变。根据本文的仿真研究，可以得到以下结论：

1)电动汽车非车载充电机中采用全桥隔离式DC/DC变换器结构比较简单，电路中开关管所承受的电压较小，可以很好地完成充电机的作用。

2)对不可控整流型电动汽车非车载充电机建立的模型基本可以符合要求。

3)不可控整流型的电动汽车非车载充电机结构相对简单，造价低廉，但是注入电网的谐波含量较大，对电网的影响不可忽略，需要额外添加谐波处理装置。

4)不可控型整流器和高频开关都会给电网带来谐波。使用Delta-Y型接线方式的变压器降压后再接负载可明显降低谐波含量和电压畸变率。这一做法很好地降低了电动汽车充电机对电网的不良影响。

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