基于RT-LAB的电动汽车车载充放电系统设计

周超英, 何晶晶, 张凯

(上海科梁信息工程股份有限公司，上海 200233)

基于RT-LAB的电动汽车车载充放电系统设计

周超英, 何晶晶, 张凯

(上海科梁信息工程股份有限公司，上海 200233)

基于RT-LAB设计了一种双向单相AC/DC+双向半桥DC/DC的车载充放电装置,能进行电动汽车充放电过程中的电压电流控制，实现电动汽车与电网的双向能量互动，并且在不接电网时可提供220 V/50 Hz车载电源。通过RT-LAB实时仿真，验证了控制策略的正确性。实时仿真平台可为V2G(Vehicle to Grid)技术的进一步研究提供借鉴意义。

电动汽车；充放电策略；恒流恒压；Vehicle to Grid；实时仿真

Abstract: Based on RT-LAB, this paper designs a bidirectional single-phase AC/DC + bidirectional half-bridge DC/DC on-board charge-discharge device, which can control voltage and current during charge and discharge of electric vehicles, realize bi-directional energy interaction between electric vehicles and power grid, and provide 220 V/50 Hz on-board power supply when the grid is disconnected. RT-LAB real-time simulation verifies the correctness of the proposed control strategy. The real-time simulation platform can provide a reference significance for further study of V2G (Vehicle to Grid) technology.

Keywords: electric vehicle；charge-discharge strategy；constant current constant voltage；vehicle to grid；real-time simulation

0 引 言

电动汽车的电池作为智能电网中的移动储能单元，在电网高峰负荷时段向电网传输电能，而在电网非高峰负荷时段电网向电池充电。这种双向的电能流动称为车电互联(Vehicle to Grid，V2G)。随着智能电网和电动汽车的推广，V2G技术已成为各国研究的热点[1]。目前关于电动汽车V2G的研究大多采用三相可逆PWM整流器+双向DC/DC变换器的方式[2-4]，本文提出了一种车载充放电装置，将双向单相AC/DC和双向半桥DC/DC变换器应用到V2G技术。该装置不仅可以利用家中的单相电源进行充电，而且可以在电网电能匮乏时，实现蓄电池电能回馈给电网。在电动汽车不并网时，可为车辆上的用电设备提供220 V/50 Hz交流电源。

实时仿真不仅能够克服数学模型不精确等因素的影响，而且能进行故障模拟，降低研发风险，是新技术研发过程中的一个重要环节。本文采用RT-LAB进行电动汽车车载充放电系统设计。

1 车载充放电系统

1.1 车载充放电系统基本结构

基于RT-LAB的车载充放电系统基本结构如图1所示。主回路主要由双向AC/DC、双向DC/DC、蓄电池构成。双向AC/DC在电动汽车充电时工作在整流状态；在电动汽车放电时工作在逆变状态。双向DC/DC实现升降压功能和充放电时的恒流恒压控制。

图1 车载充放电系统基本结构

1.2 RT-LAB平台

实时仿真一般采用定步长的方法，用传统定步长仿真可能导致模型仿真结果和实际结果有差异。RT-LAB提供的RT-EVENT库包含具有高精度的定步长过零点检测，能对一个步长内发生的逻辑事件进行处理的模块。RT-eDrive中的电力电子桥封装了插值算法，在高频时能进行精确仿真。基于RT-LAB的实时仿真平台，主要完成以下功能：①将MATLAB模型分割成SC、SM、SS等子模型；②在RT-LAB中编译子模型；③将各子模型的可执行程序下载到目标机；④在上位机控制界面进行信号、开关等的控制和波形监测。图1中的SC为实时仿真系统控制界面，SM、SS分配在RT-LAB仿真机的2个CPU核中进行计算。该平台还可外接控制器或被控对象等硬件进行HIL(Hardware in Loop)或RCP(Rapid Control Prototyping)仿真测试。

1.3 电路参数设计[5-6]

AC/DC侧滤波电感Lg的大小对输入电流的开关纹波和实际电流的跟踪速度有影响。它需满足公式(1)

(1)

其中Ud为直流母线电压，Ugm为电网电压峰值，Ts为开关周期，Δigm为交流电流变化最大值。ω为电网频率，Igm为交流电流基波峰值。

为了消除直流母线电压所包含的大量二次谐波，必须使Cd满足公式(2):

(2)

其中ΔUd为电压纹波变化，Ug为交流电压有效值，ig为交流电流有效值。

另外，图1中Ld实现滤波和升降压时的储能、Cb维持母线电压稳定，参数设计见文献[7]。

2 双向DC/DC变换器

本设计中蓄电池标称电压为600 V。当电动汽车充电时，图1中双向DC/DC模块V1处于常断状态，V2的不断开关实现BOOST变换器的功能；当电动汽车放电时，V2处于常断状态，V1的不断开关实现BUCK变换器的功能。

根据电池充放电特性，本文设计的车载充放电装置在充电初始阶段采用恒流充电，当母线电压达到设定值后采用恒流恒压充电；放电时采用恒流放电。为了避免蓄电池过充电或过放电，还应监测电池SOC(State of Charge)进行充放电的控制。

图2 双向DC/DC充放电控制

蓄电池充电模式的选择取决于母线电压，由于母线电压的波动，双向DC/DC会在不同模式间来回切换。为了避免这种情况，本设计中充电模式选取采用滞环控制。双向DC/DC充放电控制如图2所示。

3 双向单相AC/DC变换器

3.1 电动汽车并网控制

当电动汽车充电时，双向AC/DC工作在PWM整流状态，网侧电压和电流同相位；当电动汽车并网时，双向AC/DC工作在PWM逆变状态，网侧电压和电流反相位。

双向AC/DC控制采用如图3所示的母线电压、电网电流双闭环控制和锁相环PLL(Phase Locked Loop)控制。

图3 双向AC/DC控制

3.2 电动汽车不并网控制

现代汽车用电设备越来越多，有些设备的电源必须是220 V/50 Hz交流电。同时可将车载电源作为停电时的应急电源。为了实现这些功能，电动汽车不并网时车载AC/DC设计如图4所示。

图4 220 V/50 Hz车载电源

4 实时仿真结果

电动汽车充放电实时仿真结果如图5、图6所示。充电时，网侧电流和电压同相位，实现整流。电池SOC逐渐增加，充电电流为定值，电池电压逐渐增加到给定值，实现了先恒流后恒流恒压充电；放电时，网侧电压和电流反相位，实现逆变。电池SOC逐渐减小，放电电流为定值，电池电压逐渐减小。图7为电动汽车并网时的A相电流频谱，从图中可以看出网侧电流谐波畸变率THD(Total Hormonic Distortion)在5%以下，符合并网要求。

图5 充电实时仿真结果

图6 放电实时仿真结果

图7 电动汽车并网时的A相电流频谱

5 结束语

本文建立的基于RT-LAB的电动汽车车载充放电实时仿真平台，将双向单相AC/DC和双向半桥DC/DC应用到V2G技术，实时仿真实现了电网与电动汽车间的双向能量互动。同时该充放电系统可控制蓄电池的恒流恒压充电和恒流放电，具有作为220 V/50 Hz车载电源和家庭应急电源的功能。该实时仿真平台，克服了外界条件的限制，有利于算法向控制器移植和二次开发，为V2G技术和多辆电动汽车接入时的协调控制的进一步研究提供了参考。

[1] 张文亮,武斌,李武峰,等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨[J].电网技术,2009，33(4):1-5.

[2] 马立新,穆清伦,费少帅,等.基于V2G应用的蓄电池恒流放电的控制策略[J].中国电力,2014，47(7):35-38.

[3] 吴凯,程启明,李明,等.具有具有V2G功能的电动汽车快速充放电方法[J].电力自动化设备,2014，33(2):30-34.

[4] 李武峰,罗小英,边孝成,谢添卉.电动汽车蓄电池充放电装置研究[J].电力电子技术,2013,47(8)：89-91.

[5] 唐丽丽,郑琼林.单相PWM整流器主电路参数选择探讨[J].北京交通大学学报,2000,24(4):98-102.

[6] XIAOHU ZHOU,GANGYAO WANG,LUKIC S.et al.Multi-function bi-directional battery charger for plug-in hybrid electric vehicle application[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.USA:IEEE,2009：3930-3936.

[7] 王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．四版.北京：机械工业出版社，2008．

Design of an On-board Charge-discharge System for Electric Vehicles Based on RT-LAB

Zhou Chaoying, He Jingjing, Zhang Kai

(Shanghai Keliang Information Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.010

TM615

A

1000-3886(2017)03-0030-02

定稿日期: 2016-09-22

周超英(1981-)，女，湖南益阳人，硕士生，从事电力电子及电机控制的研究。