基于电流前馈解耦PWM的电动汽车阶段充电仿真

吴雪颖 文春兰 林春兰 严芝健

摘    要：电动汽车的充电系统性能取决于整流和充电控制环节，其充电效率及稳定性对电池的寿命、电池容量产生很大的影响.为了提高整流电压输出的稳定性和电池的充电效率，其整流模块采用电流前馈解耦PWM，该方法通过电压外环和电流内环控制以减少整流中的谐波分量并稳定输出电压.针对充电模块控制策略则采用阶段性充电方式即先用电流单环控制的恒流限压充电，当达到设定的电压值后转为恒压限流的双闭环控制充电方式.运用Matlab/Simulink实现电动汽车蓄电池充电模型，并与单一的恒流、恒压两种充电控制策略进行对比.由仿真结果可知，电流前馈解耦PWM整流电压稳定性优于电压型PWM.此外，也验证了阶段性充电控制充电方式对蓄电池的影响较小，具有充电效率较高的优越性.

关键词：电动汽车;PWM整流器;充电控制策略;阶段充电控制

中图分类号：U469.72;TM461          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.013

0    引言

2018年，中国汽车市场分析研讨会上指出，截至2017年底我国新能源汽车的保有量高达180万辆，占世界保有量的50%以上.我国国家能源局、工信部、财政部共同制定的《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》指出，新能源汽车发展速度与其充电配套设施极不平衡，主要原因为选址难、充电效率低、充电对电网影响大等问题，制约着新能源汽车快速发展及广泛应用[1-3].由此可见，新能源汽车充放电控制对新能源汽车发展以及能源优化调度极为重要.

文献[4]采用模糊PID控制算法对电动汽车充电过程进行控制，其结果表明该方法对电动汽车充电过程具有良好静态和动态性能.文献[5]考虑了电动汽车的充电特性和谐波特性，对电动汽车充电对配套设施、投资费用产生影响进行分析.文献[6]基于Matlab/Simulink搭建了新能源电车快速充电系统，采用虚拟同步机的电动汽车快速充电控制技术，兼顾快速充电时，通过模拟同步电机的惯量和阻尼特性进行平抑传输功率的波动，进而改善并网点电能质量.文献[7]考虑了蓄电池特性、充电模式及充电谐波等因素建立计及时序特性的电动汽车充电站快充谐波分析模型，研究了电动汽车充电站各次谐波及总谐波畸变时序变化规律.结果表明，电动汽车充电机拓扑结构及數量对充电站谐波特性影响明显，谐波总畸变率呈现明显的时序特性.文献[8]计及周末充电高峰效应的私家车充电负荷计算方法，并利用 MATLAB软件搭建了配电网模型，仿真分析了不同规模电动汽车接入配电网后对节点电压偏移、电压不平衡的影响.此外，还综合考虑了快速充电与慢速充电、纯电式与插入式电动汽车充电对配电网的不同影响，同时考虑了慢速充电在三相均衡充电与不均衡充电模式下对三相电压不平衡的影响.由此可见，电动汽车的充电特性、蓄电池特性以及充电谐波影响对电网、投入费用以及电动汽车性能影响很大[9-10].

为了分析充电方式及整流控制对蓄电池产生的影响，本文基于Matlab/Simulink建立电池、充电控制以及整流模块，考虑了电流前馈解耦PWM和电压型PWM不同整流控制策略对整流电压稳定性产生的影响.此外，通过恒压、恒流及阶段性充电3种不同充电方式对蓄电池充电速率及充电电压产生影响进行仿真分析.

1    电动汽车蓄电池充电建模及仿真

1.1   阶段充电仿真模型搭建

图1为Matlab/Simulink软件中的电动汽车蓄电池充电仿真模型.上部分仿真模型中A、B、C为三相交流电，LC滤波，电流、电压的检测，整流桥，以及充电控制;下部分PI控制为电流前馈解耦的整流控制[11-12].

1.2   PWM整流模型的搭建

1.2.1   PWM整流器

由图1可知，PWM整流器模型电路由[①]电网三相交流电;[②]功率开关器件LC滤波;[③]直流侧电路3部分组成.交流电路由交流电动势e、网侧电感L组成;直流网侧电路主要由负载电阻Rl、负载电动势el组成.整流器的工作原理主要是将三相电网的交流电整流成直流电，通过电压外环和电流内环的控制，减少在整流中的谐波，提高整流效果.

1.2.2   PWM整流器模型搭建

普通电压型PWM整流控制只是单环控制，存在耦合影响.图2为电流前馈解耦控制模块，它是在普通电压型PWM整流控制的基础上，增加了电流内环控制.电流内环主要根据电压外环输出的电流反馈信号来调节电流，例如修正单位功率因数正弦电流;电压外环用于调节整流器直流侧的电压，并给电压内环提供电流指令，电压外环为直流侧电压的调节控制环，电流内环为交流侧电流变换的前馈解耦控制环.电流内环与电压外环的相互反馈控制，构成了PWM整流器的整个控制，其详细控制框图如图3所示[13-14].       1.3   充电控制方式

1.3.1   恒流充电方式

在蓄电池需要充电时，通过用充电设备保持恒定电流给蓄电池充电方式为恒流充电.如图4所示，在充电过程中，充电电流一直保持不变，随着动力电池剩余电量SOC（State of Charge）的增加，充电电压也随之增加，一般地，当充电电压达到蓄电池的充电截止电压时充电结束.

1.3.2   恒压充电方式

恒压充电方式即为充电设备给予恒定电压给蓄电池充电. 如图5所示，在充电过程中，控制充电设备输出恒定的充电电压给动力电池，随着动力电池在充电过程中SOC容量不断地增加，充电电流不断减小.一般地，当充电电流减小至蓄电池的涓流截止电压时，充电结束.蓄电池恒压充电的方法易于控制，但恒压充电方式在充电初期电池等效内阻小，充电电流过大，易损坏电池;若取小一点的恒定电压充电，则会使蓄电池电量不容易充满.

1.3.3   阶段性充电方式

阶段充电方法即是给蓄电池充电过程中，先恒流充电再恒压充电方式.考虑到当蓄电池的电解水很少时，电阻小，避免了蓄電池过充及充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，在0～t2阶段采用恒流限压充电如图6所示，当蓄电池电动势上升到一定值时，再转为恒压限流充电方式如图7曲线所示.

2    电动车充电系统仿真分析

本文通过Simulink建立电动汽车的充电仿真系统，验证所提出的几种充电控制策略的有效性.其详细的仿真参数取值为：交流电源380 V、LC滤波参数5 mH、给定直流侧电压800 V.

2.1   不同整流控制策略对比分析

图8纵轴的Udc1为电压型PWM整流器整流后直流侧电压，横坐标表示仿真时间.由图可知，整流后的电压响应速度较慢，且电压存在波动，需要较长时间才逐渐稳定输出所需要的电压值.

图9的纵轴Udc2为电流前馈解耦PWM整流器整流后直流电压，横坐标为仿真时间.与电压型PWM整流相对比，一开始电压经短暂振荡后，迅速稳定在设定的直流电压值，其波动较小，其整流效果比电压型PWM的好.

2.2   充电控制策略仿真比较分析

2.2.1   不同充电控制方法对蓄电池SOC影响

由图10 —图12可知，蓄电池充电初始SOC为55.6%.图10、图11及图12分别为恒流充电、恒压充电及阶段性充电1.5 s的蓄电池SOC值分别为56.100%、56.150%及56.175%.3种充电方式的SOC仿真曲线值可知，阶段充电方式的充电效率比其他两种充电方式稍微高.

2.2.2   不同充电控制的充电电压的比较

从图13—图15可看出，采用恒流充电控制，在充电过程中电流保持恒定，充电电压呈非线性曲线上升，但未达到充电电压的最大值.而采用恒压充电控制，充电过程中充电电压保持恒定.而图15中的阶段充电方式，0～0.8 s区间的恒流充电阶段，充电电流恒定时，充电电压呈上升趋势，在0.8 s后采用恒压充电方式，电压随充电电流同时增大，随后呈非线性曲线下降到恒定值.

综上所述，在3种充电方式中，阶段充电方法更符合马斯曲线[15].电流同时增大，随后呈非线性曲线下降到恒定值.

3    结论

通过Matlab/Simulink仿真结果表明，电流前馈解耦PWM整流器的整流稳定性优于电压型PWM整流器，波动性较小.此外，3种充电控制策略对比可知，在相同的仿真时间内，阶段充电方式的充电效率高于其他两种充电方法，且采用恒流限压、恒压限流阶段性充电方式可以降低蓄电池充电过程中出现的过压或者过流的风险.

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Phased charging simulation of electric vehicle based on current

feedforward decoupling PWM

WU Xueying， WEN Chunlan， LIN Chunlan， YAN Zhijian

（School of Vocational and Technical Education， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： The performance of the charging system of an electric vehicle depends on the rectification and charging control， and its charging efficiency and stability have great influence on the life of the   battery and its capacity. In order to improve the stability of the rectified voltage output and the charging efficiency of the battery， the rectifier module adopts current feedforward decoupling PWM， which is controlled by the voltage outer loop and the current inner loop to reduce harmonic components in the rectification and stabilize the output voltage. For the charging module control strategy， the phase    charging mode is adopted， that is， the constant current limiting voltage charging controlled by the      current single loop is first used， and when the set voltage value is obtained， the double closed loop    control charging mode is switched to the constant voltage current limiting. The electric vehicle battery charging model is realized by Matlab/Simulink， and compared with a single constant current and      constant voltage charging control strategy. It can be seen from the simulation results that the current feedforward decoupling PWM rectification voltage stability is better than the voltage type PWM. In   addition， it is also verified that the phased charge control charging method has less influence on the   battery and has higher charging efficiency.

Key words： electric vehicle; PWM rectifier; charge control strategy; stage charge control

（责任编辑：黎   娅）