基于车载宽增益双向直流变换器的多源电动汽车充放电一体化方法

2022-08-06魏逸航刘强强孔治国

电气工程学报 2022年2期

张云魏逸航刘强强孔治国

(1. 天津大学电气自动化与信息工程学院天津 300072； 2. 中国航发控制系统研究所无锡 214063； 3. 中国汽车技术研究中心有限公司天津 300399)

1 引言

进入21世纪以来，石油、煤炭等传统化石能源过度开采利用导致能源枯竭、价格上涨，全球能源形势十分严峻，而且温室效应和环境污染日趋严重[1]。大力发展新能源以减缓环境污染和能源危机，改善人类赖以生存的自然环境，受到全世界各个国家的重视和政策支持[2]。新能源汽车作为一种典型的新能源应用，可以改善传统燃油汽车的排放物对环境造成污染的问题，实现“绿色出行”[3]。其主要分为以下四类：混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车和其他新能源汽车等[4]。与传统的内燃机汽车相比，电动汽车不但控制性、稳定性和安全性更好，而且其能源结构可实现多样化，同时可以减少电动汽车的污染物排放，是一种清洁型交通工具[5]。电动汽车可与电网连接，使得电动汽车不但能够从电网吸收能量，为电动汽车车载动力蓄电池充电，即运行在电网到车模式(Grid to vehicle，G2V)，而且还能够将蓄电池的能量重新注入到电网中，即运行在车到电网模式(Vehicle to grid，V2G)[6]。上述的两种运行模式具有无功及有功功率调节、可再生能源的输出跟踪、电流谐波过滤以及负载平衡等功能[7]。

电动汽车核心技术部分主要包括车载电源系统、电机驱动系统、电动汽车充放电技术、充电谐波分析和充电站监控系统等。关于电动汽车充放电技术，国内外已有很多相关研究，主要包括充电电压等级、充电模式、充电速度、充电方式以及充放电设备集成化等方面。其中文献[8]对目前常用的电动汽车充电电压等级以及有线充电和无线充电两种充电模式的原理进行了详细的介绍，并指出了这两种充电模式的区别以及各自的优缺点；文献[9]主要是对标准和快速两种充电模式在电动汽车领域的应用进行介绍，并通过数学和仿真对比这两种充电模式的电能效率；文献[10]提出一种充分利用车载电机驱动以及动力电机的三相绕组实现电动汽车直流充电和交流充电的方案，具有体积小、成本低、效率高以及可靠性高的优点，并通过样机的试验结果验证了该方案的有效性；文献[11]研究讨论了电动汽车与电网连接的新技术，主要包括车到住宅(Vehicle to house，V2H)、车到车(Vehicle to vehicle，V2V)和车到电网(V2G)三种技术，并提出这些新技术的方法和前景，包括框架结构、建模、电力电子技术、电池技术、控制策略优化、无功功率支持以及信息和通信技术；文献[12]对微网中可再生能源和电动汽车充放电设施集成化的关键问题进行深入研究，并指出高度集成化将为智能电网的建设提供技术支持。

虽然电动汽车充放电技术经过长时间的研究和发展，但是从以往的研究成果可以看出，目前电动汽车充放电技术仍存在车载动力蓄电池的充电器输入电压范围小、车载双向直流变换器的变换增益低、充电设备集成化程度低、充电设备整体体积和质量大、车载变换器以及车载能量管理系统的利用率低等问题[13-15]。

为了解决电动汽车目前充放电技术存在的上述问题，本文提出一种新的驻车充放电一体化方案。相比于目前的电动汽车充放电技术，该方案同时具有以下优点：① 该方案不但能够实现常规的车载复合能量源与车载电机驱动之间能量的双向流动，而且可以实现车载复合能量源与主电网或微网之间的能量交互，使得整个车载复合能量源和能量源管理系统的利用率得到提高；② 该方案充分利用车载三相逆变器、车载动力三相电机、车载直流母线和车载双向直流变换器，结合车载复合能量源管理系统，使得整个车载复合能量源不仅可以进行直流充电，也可进行交流充电，从而拓宽车载动力蓄电池的充电方式，并大幅度提高车载变换器和动力电机的利用率；③ 该方案采用的车载双向直流变换器具有变换增益宽和开关器件的电压应力低等优点，可以降低电动汽车充电器对充电输入电压等级的要求，并在很大程度上简化车载充电器和非车载充电桩的体积和重量。

本文的结构安排如下：第1节为引言与背景介绍；第2节主要是对基于车载宽增益双向直流变换器的电动汽车复合能量源系统进行概述；第3节对提出的电动汽车驻车充放电一体化方案的运行模式和机理进行详细的介绍；第4节主要是以试验结果对本文的充放电方案进行验证；第5节主要是对本文进行总结。

2 电动汽车复合能量源系统

基于车载宽增益双向直流变换器的电动汽车复合能量源系统如图1所示，主要由以下四个部分组成：车载复合能量源(蓄电池与超级电容)、车载宽增益双向直流变换器、车载直流母线以及车载能量管理系统。

图1 基于车载宽增益双向直流变换器的电动汽车复合能量源系统组成图

车载复合能量源由高比能量的动力蓄电池和高比功率的超级电容组成。低压蓄电池通过车载双向直流变换器维持高压母线上的稳态及低频波动的能量，适合为电动汽车较长时间提供或吸收平缓的能量，但是其功率密度小，难以满足电动汽车负载突变的需求。而超级电容作为储能设备，充放电效率高，循环使用寿命长，功率密度大，因此能与电池形成互补，共同输出功率[16]。其可以在电动汽车起动或制动瞬间提供或吸收高频大功率，从而极大地削减电动汽车负载突变对动力蓄电池造成的冲击，减少对动力蓄电池的损伤从而延长其使用寿命，并能提高整个系统的动态响应性能[17]。

在电动汽车的整个复合能量源系统中，车载直流母线起到能量流通中枢的作用，其连接车载双向直流变换器、车载三相逆变器、微网直流母线以及充电桩输出端口，并实现这四者之间的能量流通。在驻车充电时，车载直流母线的电压范围也决定充电电源的电压等级和范围。

为了实现车载复合能量源与车载直流母线之间能量的双向流通，本系统采用新型的车载宽增益双向直流变换器拓扑。其中电池侧采用共地非对称H桥宽增益范围双向DC-DC变换器，超级电容侧采用开关电容宽增益范围双向DC-DC变换器，两种拓扑分别如图2、图3所示。

图2 共地非对称 H 桥拓扑

图3 交错开关电容宽增益拓扑

与传统拓扑(如Buck/Boost拓扑)相比，两种拓扑的优势分别介绍如下。

(1) 共地非对称H桥宽增益范围双向DC-DC变换器：可以实现高降压/升压比，从属有源功率开关无需任何额外硬件即可实现ZVS开启和关闭，可以实现较高的能量转换效率。这种具有公共接地的双向拓扑结构适用于可再生能源应用和混合能源电动汽车应用的储能系统。

(2) 开关电容宽增益范围双向DC-DC变换器：可实现高升压/降压比，即宽电压增益范围，从而避免极端占空比。另外该拓扑还具有功率开关和电容器电压应力低、低压侧电流纹波小等优点，同时功率开关允许ZVS开启和关闭，提高了变换器的效率。同时由于其具有自平衡功能，电容器电压和电感器电流可以很容易地平衡。该拓扑具有良好的动态和稳态性能，适用于各种新能源存储系统的低压能量源和高压直流母线之间的电源接口。

两种拓扑的增益等基础参数如表1所示。

表1 所用拓扑基础参数

上述两种双向直流变换器拓扑都可以实现能量的双向流动。双向直流变换器两象限运行示意图如图4所示。

图4 双向直流变换器两象限运行

当I1＞0，U1＞0(或I2＜0，U2＞0)时，功率从双向直流变换器右侧流向左侧；当I1＜0，U1＞0(或I2＞0，U2＞0)时，功率从双向直流变换器左侧流向右侧。上述两种拓扑都可以通过DSP实时调整占空比使其工作在升压或者降压模式，从而实现能量的双向流动。

由上述介绍分析可知，相比于目前常规的电动汽车采用的常规双向直流变换器，文中采用的变换器大幅度地降低对车载动力蓄电池充电输入电压等级范围的要求，使得整个电动汽车的复合能量源和能量管理系统的利用率得到提高。

另外，为了使电动汽车具有良好的电驱动性能以及合理的能量分配，电动汽车的车载能量管理系统必须对车载复合能量源系统的运行进行有效的监测和控制，使电动汽车在车辆控制系统选定的工作模式下，能够对电动汽车能量流的分配进行优化和最佳控制，以实现最大限度利用车载复合能量源的能量，提高电动汽车的经济性能。

3 电动汽车驻车充放电一体化方案

与常规的驻车充放电方案不同的是，本文所提出的驻车充放电一体化方案是基于电动汽车处于驻车状态，充分利用电动汽车本身的功率变换器、动力电机以及能量管理系统，对复合能量源进行充放电，以提高车载变换器和能量管理系统的利用率，该方案的主要组成部分及内部功率流向如图5所示，图5中虚线表示各组成部分间的功率流向。从图5可以看出，该充放电系统中，除了直流微网中的风力发电、光伏发电以及微网直流负载三者与微网直流母线之间的功率是单向流动，其他功率变换器的功率都是双向流动，从而有助于实现车载复合能量源的快速充放电。

该驻车充放电一体化方案包括如下三种运行模式。

图5 驻车充放电一体化方案主要组成部分及功率流向图

3.1 模式一：车载动力蓄电池直流充电

本方案中的直流充电方式是将直流微网母线或充电桩直流输出端与车载直流母线直接连接，并充分利用车载宽增益双向直流变换器及能量管理系统对动力蓄电池进行直流充电。

该方案中的直流充电模式可分为以下两类：第一类是利用充电桩充电(Vehicle charging pile to vehicle，VCP2V)，如图6a所示；第二类是利用直流微网充电(DC grid to vehicle，DG2V)，如图6b所示。

图6 车载动力蓄电池直流充电

充电桩充电是将三相电网电压先后经充电桩内部的三相全控变换器的整流，以及隔离型双向直流变换器的功率变换后，产生的直流电压加在车载直流母线上，为车载动力蓄电池进行直流充电，如图6a所示。目前充电桩充电存在以下主要问题：充电桩本身体积和重量较大，相关基础设施的前期投资大以及相关的充电标准和电压等级还未标准化、统一化等，而本充电方案中的车载宽增益双向直流变换器，能够适应不同输出直流电压范围的充电桩，并且可以充分利用车载双向直流变换器和能量管理系统对蓄电池进行充电，极大地简化充电桩，从而很好地解决了充电桩存在的上述问题。

除了常规的充电桩充电，直流微网充电已经成为目前全球发展较快的清洁能源充电方式之一。直流微网充电通常是指将光伏发电、风力发电以及微网直流负载所形成的直流微网系统，通过直流充放电接口与车载直流母线直接连接，在不外接额外直流充电器的情况下，充分利用车载宽增益双向直流变换器，对车载动力蓄电池进行直流充电，如图6b所示。该种充电方式所用的能量都是可再生能源和清洁能源，符合目前新能源发展的需求。

3.2 模式二：车载动力蓄电池直接交流充电

随着电动汽车的快速发展，电动汽车的充电方式已不再局限于传统的直流充电，直接交流充电方式也正在快速发展。在本文提出的驻车充放电一体化方案中，电动汽车采用的直接交流充电方式，是在不增加额外外围设备的情况下，充分利用电动汽车自身的车载三相动力电机、车载三相全控型整流器、车载直流母线、车载宽增益双向直流变换器以及车载能量管理系统，对车载动力蓄电池进行直接交流充电，如图7所示。

图7 车载动力蓄电池交流充电

从图7可以看出，本文所提直接交流充电方案的特点就是着重对车载三相全控型变换器以及车载三相动力电机加以利用，所以不管是单相交流电源，还是三相交流电源，该直接交流充电方案都能满足电动汽车车载动力蓄电池的充电要求。当采用三相交流电源对电动汽车进行直接交流充电时，将车载三相动力电机的三相绕组断开，并作为车载三相全控整流器的交流测输入电感，此时车载三相全控型变换器就作为电动汽车三相交流充电时的三相全控整流器；而当采用单相交流电源对电动汽车进行充电时，可只使用车载动力电机三相绕组中的两相绕组，以及车载三相全控整流器中的两组半桥电路，间接地将车载三相整流器作为电动汽车单相交流充电时的单相整流器。

根据交流充电电源相数的不同，选择上述两种整流器进行整流，得到的宽范围直流电压加在车载直流母线上，充分利用车载能量管理系统和宽增益双向直流变换器间接地为车载动力蓄电池的充电提供直流电源。而常规的驻车充放电方案中电动汽车驻车时只能通过充电桩来进行充电，充电电压固定，变换器的利用率不高，并且不能利用电机来进行充电。与之相比，上述充电方式不但极大地拓宽了电动汽车的充电方式，而且还进一步提高了车载变换器和相应电气设备的利用率，在整个充放电过程中，变换器和电机的参与度明显提高。同时也能够大大减小充电器的体积和重量，并降低电动汽车整体设备的价格以及附加成本。

与常规充电方式不同的是，本方案的上述两种充电方式采用的车载直流变换器都为宽增益双向直流变换器。车载直流变换器宽增益的优点使得该直流充电方式大幅度地降低了车载动力蓄电池对充电输入电压的敏感程度。

当要求对车载动力蓄电池进行快速充电时，需要在充电过程加入停止充电和负脉冲充电环节，即整个充电过程中不仅有G2V过程，还有停止充电以及V2G两个附加过程，如图8所示，从而减轻动力蓄电池的内压以及析气量，提高电池的充电速率[18]。此外，这两个附加充电过程的加入，还有助于车载动力蓄电池的去极化，延长车载动力蓄电池的使用寿命。

图8 快速充电正负脉冲充电电流波形

为了实现上述车载动力蓄电池的快速充电，就需要整个复合能量源直流充电系统在车载能量管理系统的控制下，直流微网和充电桩与车载动力蓄电池之间能够进行G2V-OFF-V2G三种模式的快速切换，即车载双向直流变换器在车载能量管理系统的控制下，能够快速地进行Buck-OFF-Boost三种运行模式的切换，以实现充电设备与车载动力蓄电池之间能量的快速双向流通。因此，上述两种模式的充电方案能够为该快速充电方法提供良好的V2G放电过程，并能将放电能量回馈电网，提高快速充电的整体效率。

3.3 模式三：车载复合能量源放电

当电动汽车处于驻车状态时，除了上述两种充电模式外，车载复合能量源在车载能量管理系统的控制下，还能够通过车载双向直流变换器和车载直流母线进行放电，此时车载直流母线与微网直流母线或充电桩直流输出端连接。车载复合能量源的放电功率主要有以下两个流通方向：一是流向直流微网，为微网中的直流负载提供功率，即V2DG，如图9a所示；二是通过充电桩的内部双向变换器流向交流微网，即V2AG，如图9b所示。

从图9a可以看出，当车载复合能量源的功率流向直流微网中的直流负载时，无需车载功率变换器之外的其他变流器装置，充分利用电动汽车自身的车载变换器、复合能量源以及车载能量管理系统。因此在车载能量管理系统的控制下，车载复合能量源经过车载双向直流变换器可为直流微网负载提供其所需的能量和瞬时功率。

从图9b可以看出，当车载复合能量源的功率流向交流微网时，充分利用车载双向直流变换器、车载能量管理系统。在电动汽车以及充电桩的能量管理系统的控制下，车载复合能量源经过各类双向功率变换器的功率变换之后，产生的三相交流电既可以并入交流电网，产生额外的收益，也可以供交流微网中的交流负载使用。

图9 车载复合能量源放电

上述两种放电模式都需要车载能量管理系统根据车载复合能量源的不同特性，对复合能量源的放电过程进行协调控制。特别是当微网中出现负载突变时，在车载能量管理系统的检测和控制下，车载超级电容能够迅速响应，发挥自身功率密度大的优势，为微网中的负载提供或吸收突变功率，以减少负载突变对车载动力蓄电池以及直流微网储能蓄电池的冲击和损伤，从而延长两者的使用寿命，提高整个系统在不同负载状况下的响应速度。

本文所提充放电一体化方案中的三种运行模式并不是相互独立的，而是能够相互配合、相互切换的。本文提出的充放电一体化方案就是基于以上目标，对电动汽车本身的车载能量管理系统进行设计，使得这三种运行模式既能够单独工作，又可以协调运行，从而充分利用电动汽车的车载复合能量源、车载变换器、车载能量管理系统以及各类车载电气设备。

4 试验验证

为了验证所提充放电方案的合理性和正确性，搭建了复合能量源充放电系统的试验平台，其主要试验参数如表2所示。

表2 试验条件和电路参数

设置直流母线参考电压为400 V进行基本的原理验证。其中，复合能量源中的超级电容组采用CSDWELL公司型号MODWJ001PM031Z2的超级电容，电容组由4个该型号的超级电容模块串联组成，蓄电池组为磷酸铁锂电池，额定电压为48 V，工作电压为51 V，容量为20 A·h。本文所提充放电一体化方案的验证试验平台如图10所示。反馈和控制系统接口采用TI-TMS320F28335 DSP控制器。该试验平台中的直流变换器样机都为宽增益双向直流变换器，额定功率为1.2 kW，满足验证试验的要求。

图10 所提出方案的试验平台

另外试验平台与实际电动汽车系统的参数对比如表3所示。虽然实际电动汽车的峰值功率与平均功率是试验平台功率的100倍左右，但这种差距取决于所用电池组以及负载侧的功率。因此本文中为合理的等比缩小试验，通过此验证试验取得的结论可以应用在实际的电动汽车系统中。验证试验主要包括以下三组典型试验波形。

表3 试验参数对照表

首先，为了验证本文充放电系统中双向直流变换器宽增益，能够对蓄电池充电电压等级的要求会有所降低的优势，以模拟实际车载双向直流变换器的增益变宽，对车载动力蓄电池的充电电压等级选择所带来的影响。因此，本文采用不同等级的直流母线电压，分别对蓄电池进行4 A的恒流充电，此时的直流母线充电电压和蓄电池电流波形如图11所示。从图11可以看出，当母线电压UDC_bus在160～400 V之间变化时，在经过宽增益双向直流变换器的功率变换后，都能够对蓄电池进行很好的恒流充电，从而实现了复合能量源电动汽车的宽范围直流充电。

图11 不同母线充电电压下的母线电压和蓄电池电流波形

其次，本文所提充放电一体化方案中的蓄电池与微网之间的能量在经过宽增益双向直流变换器的变换后，能够实现双向的流通，即实现车载动力蓄电池组与微网之间能够在G2V和V2G两种运行模式之间进行切换。因此，本文使用DSP模块控制双向直流变换器每隔3.2 s进行一次运行模式的切换，此时整个切换过程的蓄电池端电压和电流如图12a所示。从图12a可以看出，蓄电池每次充放电电流都为4 A，在运行模式切换时端电压只有很小的变化，几乎一直保持在50 V左右。两种运行模式切换的瞬态过程分别如图12b和图12c所示，从图中可以看出，不管是V2DG切换至DG2V，还是DG2V切换至V2DG，都有着很好的动态响应，都能在经过4～8 ms后完成整个切换过程，这也间接地验证了本文充放电一体化方案中的车载双向直流变换器能够实现蓄电池组与微网之间能量的双向流通。

图12 蓄电池和直流母线间功率的双向切换试验波形

最后，复合能量源电动汽车驻车时，车载直流母线连接户用直流微网，当户用负载发生突变时，在能量管理系统的检测和控制下，蓄电池和超级电容能够利用自身的高能量密度和高功率密度特性，分别为母线负载提供或吸收平均功率和突变功率。在电动汽车的实际应用中，一旦车载直流母线功率发生突变时，车载动力蓄电池组以及超级电容组也会在车载能量管理系统的控制下为车载直流母线及时地提供其所需的功率。本文试验样机系统的直流母线功率在400～600 W之间阶跃变化，此时在车载能量管理控制系统的作用下，蓄电池和超级电容组所提供的电流如图13所示。从图13可以看出，不管直流母线负载功率突增还是突减，超级电容都能够迅速响应，并提供较大的瞬时电流，此时蓄电池的电流上升的较为平缓，从而整个复合能量源系统既能够迅速响应直流母线负载功率的要求，又能够达到保护蓄电池的目的。

图13 负载突变时的蓄电池和超级电容电流波形

综上所述，文中的三组典型试验可以验证所提充放电方法的重要环节，即车载复合能量源通过双向直流变换器和汽车直流母线之间的能量交互。第一组试验验证了蓄电池通过宽增益双向直流变换器可以在较大的汽车直流母线电压范围内进行能量交互，从而验证了模式一和模式二这两种车载动力蓄电池充电模式的可行性；第二组试验进行了充放电之间的稳定切换，即实现蓄电池组与微网之间能量的双向流通，从而验证了模式二中所提到的快速充电模式的可行性，并且也验证了模式三中的车载复合能量源放电工况；第三组试验充分地体现了复合能量源为所接入的直流微网“消峰填谷”的优势，从而验证了模式三中车载复合能量源放电的优势和可行性，同时这种特性也可以体现在前两种模式中。