双向充电桩SPM控制方法的可行性分析

邵麟港，汤佩文，黄祖朋，邓海文，邵杰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州，545007）

0 引言

双向功率变换器作为智能电网与电动汽车能量交换的载体，是影响V2G 技术发展的重要因素。其中三相VSI 型双向AC/DC 变换器和隔离型全桥-全桥式双向DC/DC 变换器作为电动汽车充电桩双向功率变换器主电路拓扑，隔离型桥式-桥式双向DC/DC 电路的驱动信号是由六脉冲电压信号调制变换得到的，故本文以其调制产生过程，将隔离型桥式-桥式双向DC/DC 电路的控制方式命名为六脉冲调制（Six-Pulse Modulation，SPM）控制法。

1 系统指标

本系统以某款一体式直流充电机的相关指标为依据进行仿真计算，该充电机的具体指标如表1 所示。

表1 37.5kW 充电桩指标

本文在仿真中设定交流侧为三相交流311V 相电压VIN，频率f0为50Hz，充电额定功率P0为37.5kW，直流侧母线电压平均值为VDC，充电机输出为直流500V 直流电压VOUT，整体效率η 为0.92，双向AC/DC 开关频率fSW为20kHz，隔离型双向DC/DC 开关频率fs 为100kHz。

2 系统仿真模型的搭建

该系统使用Simulink 搭建仿真模型，仿真模型由控制单元、主电路单元以及滤波单元3 个部分组成。如图1 所示为系统的总体控制单元，其中包含了SPM 波发生模块和SOLM 波发生模块。控制单元首先产生参考信号V6p，再将V6p 分别送进SPM 波发生模块和SOLM 波发生模块，产生双向DC/DC 与双向AC/DC 电路拓扑驱动信号。由硬件电路采集电网电压相位后，使用控制器产生同步的三相电压参考信号，并取其线电压Uab、Ubc、Uca 作为初始信号，根据三相整流原理，将三相线电压Uab、Ubc、Uca 取绝对值，送入Simulink 自带的最大值模块，得到参考信号V6p。

图1 控制单元仿真图

将三相线电压初始信号分别取反，分别送入Simulink 自带的数据选择模块1-6 号输入口，此模块0 号输入口为定时口，由于V6p 的频率为300Hz，故定时器时间设为1/300s，这样，数据选择器每隔1/300 s 将选取一个参考信号与V6p 相除，并与高频载波信号（三角波）相比，得到一个高频调制的调制信号，调制信号被送入selector 模块，同时产生的V6p参考信号被送入DC/DC Drive 模块。

参考信号V6p 被用作产生驱动信号的同时，也被送入DC/DC 驱动模块，如图2 所示，此模块的目的是将隔离型全桥-全桥式双向DC/DC 电路中两上管驱动信号移相V6p 脉宽。首先将参考信号V6p 被高频载波相比，产生高频信号Vgate，再设计使用两个JK 触发器所组成的上升沿翻转分频器以及下降沿翻转分频器，来实现移相功能，其主要是将参考信号Vgate 分别以其上升沿和下降沿出发翻转，从而实现驱动信号移相功能，最终得到SPM 控制信号。

图2 DC/DC 驱动模块仿真图

3 仿真结果及分析

按照上文SPM 与SOLM 控制原理和模型搭建方法，经过Simulink 仿真，图3 所示为SPM 驱动信号，输出信号波形依次为Vgate、GM1 和GM3。

图3 SPM 控制驱动波形

3.1 充电过程仿真结果

图4 为充电模式下，在SOLM 控制方法下，输入三相交流线电压经双向AC/DC 电路整流，输出SPDC 波的结果图。因漏电感和寄生参数的影响，使得SPDC 波上叠加了高次电流谐波，存在一些毛刺，需在三相整流器后并接一个小电容来吸收即可。

图4 输出SPDC 波与输入三相线电压

图5 为SPM 控制策略，隔离型全桥-全桥式双向DC/DC电路将前级双向AC/DC 电路输出的SPDC 波调整为满足电动汽车充电要求的500V 直流电压波形图。

图5 输入SPDC 波与充电直流电压

3.2 逆变过程仿真结果

图6 所示电动汽车工作于放电模式时，SPM 控制方法，隔离型双向DC/DC 电路将500V 直流电压转换成平均值为540V SPDC 波的输出结果，仿真结果验证了SPM 控制策略在隔离型全桥-全桥式双向DC/DC 电路中的双向性。

图6 输入直流电压与输出SPDC

4 结语

本文使用Simulink 对SPM 控制策略进行建模仿真，比较了在充电时电动汽车充电桩电路在SPM 控制策略下驱动信号和充电、放电的输出波形的合理性，并验证了充电并网、放电逆变两个方向实现的可行性。