电动汽车充放电控制器的设计与仿真研究

杨光辉，叶圣双，钱祥忠

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

电动汽车充放电控制器的设计与仿真研究

杨光辉，叶圣双，钱祥忠†

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

针对目前常用的充放电机功率因数低和谐波污染大的问题，分析并研究了基于三相AC/DC整流器和双DC/DC变流器的充放电系统.三相AC/DC整流器利用电压外环和电流内环的双闭环控制，实现了其与电网之间的解耦控制；DC/DC变换器在充电模式下采用恒流恒压控制，在放电模式下采用电流负反馈控制，相应地实现了电动汽车充电时的多模式控制和放电时的功率因素调节.最后构建了仿真模型，在 MATLAB/SIMULINK下进行了系统仿真，结果表明，利用所提出的方法充放电能够实现能量的双向流动，可以达到相应的充放电指标要求，并能有效地消除谐波污染.

电动汽车；V2G；充放电；MATLAB/SIMULINK

全球能源危机和环境污染对电力系统发展提出了更高的要求，在此背景下，智能电网技术成为了各国电力行业关注的焦点之一[1-3].与此同时，电动汽车作为一种绿色交通工具，其发展已成为汽车产业发展的必然趋势[4].

针对如何推动电动汽车发展的同时又能解决不断增长的电动汽车的用电需求，以及如何利用电动汽车作为移动的分布式储能单元来解决日常的电力峰谷差的问题，人们提出了电网和电动汽车之间能量互动的V2G技术[5].电动汽车作为能够移动的储能单元已成为智能电网的重要组成部分，而充放电机则是实现电网与电动汽车之间能量交互的关键接口[6-15].

为实现电网到电动汽车之间的能量转换，并使其具有较高的功率因数和较低的谐波污染，本文对充放电系统的电路结构和控制方法进行了研究，提出了在充电时采用多模式控制和放电时采用电流负反馈控制的新的控制策略，仿真结果表明，利用所提出的方法可达到充放电的指标要求，满足电网与电动汽车之间的能量互动.

1 电动汽车充放电系统主电路结构

电动汽车接入电网后，要实现充电和放电的功能.主电路结构由交流侧滤波电路、三相AC/DC整流器、双向DC/DC变换器、直流侧滤波电路和控制电路等主要部分构成，如图1所示.

该系统在功能上主要分为三相AC/DC整流器的整流和逆变以及DC/DC变换器的升降压斩波两大部分.当系统工作于充电模式时，三相AC/DC整流器从电网接收能量进行整流后给后级变换器提供稳定的直流母线电压，双向DC/DC变换器则工作在降压状态下给电动汽车电池充电.当系统工作于放电模式时，双向DC/DC变换器从电动汽车电池接收能量并工作在升压状态下给前级整流器提供直流母线电压，此时的三相AC/DC整流器则工作于逆变状态向电网返回能量.网侧和电池侧加入的滤波环节可提高功率因数，抑制谐波污染，中间电容Cd用于稳压和滤波.

图1 主电路结构Fig 1 Main Circuit Structure

1.1 三相AC/DC整流器控制

三相 AC/DC整流器前级与电网相连，后级通过电容 Cd与双向 DC/DC变换器相连，三相AC/DC整流器用于完成与电网的能量互动.

对三相AC/DC整流器的控制要实现稳定直流侧电压不变和功率因数校正，采用三相AC/DC整流器构建基于dq坐标的电压外环、电流内环双闭环控制，解耦后的调节器方程如下式所示：

其中，Vd和Vq为电压给定值，Kdp和Kdi为d轴PI调节器的系数，Kqp和Kqi为q轴PI调节器的系数，idref和iqref分别为d轴和q轴电流参考值.电压外环控制可以稳定直流母线电压，按照电压外环输出的电流指令信号对电流进行电流内环控制，再利用SVPWM波形，产生触发开关管的导通脉冲，其控制框图如图2所示.电网中的电流ia、ib、ic经 dq变换为id和iq；电压测量值Vdc与参考值Vdref比较产生差值通过PI调节器调节后产生电流给定值idref，为实现功率因数为1，需将iqref的参考值设为0，将变换后的id和iq分别与给定值进行比较再通过PI调节器和电流调节器前馈解耦环节，利用（1）式得出所需电压指令，利用SVPWM产生触发脉冲，控制开关管的导通与关断，实现充放电的要求.图2中id和iq为变换后的d轴和q轴电流，idref和iqref分别为d轴和q轴电流给定，Vdc和Vref分别为电压测量值和电压给定值，ud和uq为d轴和q轴电压分量，ucd和ucq为输出电压指令.

1.2 双向DC/DC变换器控制

双向DC/DC变换器前级通过电容Cd与三相AC/DC整流器相连，后级通过滤波电感和电容L1、C1与电动汽车上的电池相连.

图2 三相AC/DC整流器控制策略Fig 2 Control Strategy of Three Phase AC/DC Rectifier

双向DC/DC变换器在充放电时分别工作于Buck和Boost两种运行模式.在给电动汽车充电时，S8保持关断，控制S7工作在开关状态，此运行模式为Buck降压模式，当电动汽车向电网放电时，S7保持关断，控制S8工作在开关状态，此运行模式为Boost升压模式[8]；前者负责将电压较高的直流母线电压变为电动汽车充电所需的直流电压，后者负责将较低的电池电压变为较高的直流母线电压，并为前级三相AC/DC整流器提供能量.

图3为双向DC/DC变换器控制框图，图中u和i为测量的电压和电流，uref为电压给定值，iPI和iC分别为充电和放电时的电流给定值.充电时采取先恒流后恒压方式，开始充电时，由于电池两端电压 U相对较低，还不能达到所设定的电压值 uref，此时外环电压通过限幅会输出饱和，所输出的值即为电流内环的给定值 iref，将此值与测量的电流值i进行比较后，再通过PI调节器的作用输出PWM波对电动汽车进行恒流充电；随着充电时间的推移，电动汽车电池两端电压 U会不断升高，当电动汽车电池的电压值到达所给定的电压uref后，略有超调，就会退出饱和。最后电压外环的输出值用来作为电流内环的给定值，实现从恒流充电到恒压充电的模式转换，符合电动汽车的先恒流再恒压的充电模式.

图3 双向DC/DC变换器控制策略Fig 3 Control Strategy of Bidirectional DC/DC Convertor

放电时则采取电流负反馈的策略进行控制，根据系统情况设定放电参考电流iref，通过将放电时电流的测量值与参考值进行比较，再经过 PI调节器的调节产生控制信号控制开关管的导通与关断来控制放电电流的稳定，实现恒流放电.

2 主电路参数分析

网侧电感的大小值决定着谐波污染和稳态输入电流，其取值应满足[9-10]：

中间直流母线电容 Cd的大小决定直流纹波的大小，同时能够稳定直流母线电压，并起到缓冲电网与电动汽车之间的能量的作用，工程上常以满足电压的纹波指标和瞬态响应指标为标准，所以需满足[11-13]：

直流侧电感工作在充放电两种模式下，需满足不同的储能要求，常以临界连续条件和纹波指标来确定，应满足[14-15]：

3 仿真分析

为验证本文所提出的方法的可行性，在MATLAB/SIMULINK下搭建仿真模型进行分析，具体仿真参数为：网侧电感7 mH，中间母线电容2000 μF，直流侧电感20 mH，直流侧电容3200 μF，网侧电阻0.1 Ω，开关频率20 kHz；电动汽车电池模型采用系统自带模型，标称电压330 V，额定容量60 Ah直流母线电压600 V.仿真模型如图4所示.

图4 仿真模型图Fig 4 Simulation Model Drawing

3.1 充电模式仿真

设电池模型初始荷电状态为40%，开始阶段采用恒流充电模式，当一段时间后SOC达到某一设定值时转为恒压充电.仿真结果分别如图5、图6、图7、图8所示.图5为充电状态下a相电网电压电流波形，由图可看出电网电流为正弦波且和电压同相位；图6为充电时的直流母线电压，经过短暂的0.15s调节整定后达到稳定，电压达到所要求的600 V，为后级DC/DC变换器提供稳定的直流电压；图7为恒流充电时充电电流，大致维持在45A恒定不变，随着充电的进行，当SOC达到设定值时，由恒流充电变为恒压充电；图8为恒压充电时充电电压，因为有一个恒流到恒压充电的切换，所以在0–0.13s内电压有一个短暂上升的过程，转换为恒压充电后电压保持不变，以370 V大小为电池充电.

图5 充电时电网电压和电流波形Fig 5 Network Voltage and Current Waveforms in Charge Mode

图6 充电时直流母线电压Fig 6 DC Bus Voltage at Charge

图7 电池恒流充电时充电电流Fig 7 Battery Constant Charge Current in Charge Mode

图8 电池恒压充电时充电电压Fig 8 Battery Charging Voltage at Constant Voltage

3.2 放电模式仿真

设电池的初始SOC为90%，进行放电模式仿真.仿真结果分别如图9、图10、图11、图12所示.由图9和图10可看出并网电流输出经过短暂的振荡过程后达到稳定呈正弦方式变化，谐波THD = 1.66%，达到并网要求，电流波形中的高次谐波是由于开始时较大的电流波动引起的.图11表示放电时直流母线电压随时间的变化，显示经过短暂的电压上升时间，逐渐达到600V，满足了要求.图12为放电模式下电池放电时的电流波形图，显示放电电流经过短暂的振荡后逐渐上升，在0.3 s后达到稳定，以恒定的电流值放电.

图9 放电模式下并网电流波形Fig 9 Grid Connected Current Waveform in Discharge Mode

图10 并网电流谐波分析Fig 10 Harmonic Analysis of Grid Connected Current

图11 放电时直流母线电压Fig 11 DC Bus Voltage at Discharge

图12 放电模式下电池放电时电流Fig 12 Battery Discharge Current in Discharge

4 结 论

本文提出的电动汽车充放电实现方法，以相应的主电路结构并结合相应的控制策略成功实现了电动汽车的充放电功能.通过MATLAB/SIMULINK搭建了系统仿真模型，对充电和放电两种模式分别进行了仿真分析，仿真结果表明了本文所提出的方法是可行的，能够完成对电动汽车的恒压恒流充电以及并网时的恒流放电，具有高功率因素和比较低的谐波污染，可以有效实现电动汽车和电网之间的能量互动.

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（编辑：王一芳）

On Design and Simulation for Charging and Discharging Controller of Electric Vehicle

YANG Guanghui, YE Shengshuang, QIAN Xiangzhong
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University,Wenzhou, China 325035)

This paper probes into the issue of lower power factor and larger harmonic pollution to the commonly-used recharge-discharge machines. The charging and discharging system based on three-phase AC/DC rectifier and dual DC/DC converter is analyzed and studied as well. The three-phase AC/DC rectifier utilized by the double-loop control of the voltage outer loop and the current inner loop to realize the decoupling control connected with the power grid. DC/DC converter makes use of constant current and constant voltage control in the charging mode and current negative feedback control in the discharge mode,which accordingly realizes the multi-mode control when the electric vehicle is in charge and the power-factor adjustment when the electric vehicle is in discharge. The simulation model is constructed finally and the system simulation is implemented under the MATLAB/SIMULINK. The results show that the utilization of the proposed charge-discharge method can achieve the bi-direction flow of energy, and meanwhile achieve the corresponding charge and discharge criteria requirement and effectively eliminate the harmonic pollution.

Electric Vehicle; V2G; Charge-discharge; MATLAB/SIMULINK

TM727

A

1674-3563(2017)04-0046-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2017.04.007 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

2016-10-24

温州大学大学生创新创业训练计划项(DC2016048)

杨光辉(1996- )，男，河南周口人，研究方向：电力电子技术.† 通讯作者，xzhqian@263.net