電動汽車地面充電設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)綜述

田佳燊，劉 科，黃 琦，張昌華

（1.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，成都 611731；2.成都電業(yè)局，成都 610016）

限于環(huán)境和能源供給的壓力，電動汽車的發(fā)展受到國內(nèi)外的普遍重視。目前，部分大城市已經(jīng)啟動或建成了電動汽車運(yùn)營示范工程，相應(yīng)的電動汽車充電站也已經(jīng)開始配套建設(shè)。但總的來說，無論是電動汽車還是電動汽車充電站，目前都處于示范運(yùn)行階段，有必要對其開展進(jìn)一步的研究。本文對電動汽車地面充電機(jī)的技術(shù)應(yīng)用作一綜述。

1 電動汽車地面充電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

電動汽車充電機(jī)作為供電電源與電動汽車電池間的功率轉(zhuǎn)換器，其功能是將供電電源的能量按照既定的充電模式傳遞給電動汽車動力蓄電池。充電機(jī)按安裝位置分類，可以分為車載充電機(jī)和地面充電機(jī)，本文主要討論地面充電機(jī)。其基本工作原理是：三相交流電輸入，經(jīng)過三相全橋可控或者不可控整流器整流，通過一系列的濾波環(huán)節(jié)得到直流電壓，再經(jīng)過隔離型DC/DC變換器、二次整流、平滑濾波，最后將電能傳送給電動汽車的動力電池。反饋控制電路根據(jù)電池各項(xiàng)采樣參數(shù)，在一定的控制策略下產(chǎn)生DC/DC變換控制信號。電動汽車地面?zhèn)鲗?dǎo)式充電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見，電動汽車充電機(jī)可以分為功率傳遞和控制兩部分。其中，功率變換環(huán)節(jié)和控制策略是電動汽車充電機(jī)研究的核心內(nèi)容，下面對這兩個環(huán)節(jié)分別進(jìn)行討論。

2 充電機(jī)功率傳遞部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 電動汽車地面?zhèn)鲗?dǎo)式充電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

功率傳遞部分主要包括輸入整流、功率變換和輸出濾波3個環(huán)節(jié)。在輸入整流環(huán)節(jié)，目前常用的是不可控三相整流和PWM整流，其中PWM整流能夠有效減小系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)的諧波和提高系統(tǒng)功率因數(shù)，但控制較為復(fù)雜并且增加了設(shè)備的成本。輸出濾波環(huán)節(jié)濾掉輸出直流電壓中的交流分量，功率變換環(huán)節(jié)分為非隔離DC/DC變換和隔離型高頻DC/DC變換，和非隔離DC/DC變換相比，隔離型高頻DC/DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)直流隔離、提供多路輸出、有效減小系統(tǒng)瞬態(tài)干擾，因此得到了廣泛應(yīng)用。

常見的由變壓器和開關(guān)組合的隔離高頻DC/DC變換器有4種類型，即推挽式、單端式、半橋式和全橋式電路，各項(xiàng)性能比較如表1所示。

從表1可以看出，全橋式隔離型高頻DC/DC變換器開關(guān)管承受的最大電壓為電源電壓，其通過的最大電流為輸入電流平均值，比較適合大功率場合，而且容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)以減小功率損耗，因此適用于電動汽車充電機(jī)。典型的全橋式隔離型電動汽車充電機(jī)的功率環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 充電機(jī)主要控制策略

3.1 控制功能

圖2 電動汽車充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

控制策略是一個控制系統(tǒng)的靈魂和核心所在。電動汽車充電設(shè)備能否滿足電池充電的要求，很大程度上取決于高頻功率變換部分的控制策略。控制部分的工作流程是：電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）通過CAN總線將車載電池組的總電壓、最高單體電池電壓、最高溫度、溫升、最大允許充電電壓和電流、最高允許單體電池電壓等參數(shù)實(shí)時地傳送到充電機(jī)，充電機(jī)根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)確定自己的控制策略。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，控制策略可以分為工程應(yīng)用的常規(guī)控制策略和目前尚處于理論研究階段的先進(jìn)控制策略兩大類。

3.2 常規(guī)控制策略

這一類控制策略往往基于成熟的線性PID控制算法，因此也可以稱為常規(guī)控制策略。常規(guī)控制策略分為電壓型和電流型控制，其中電流型控制又可分為平均、峰值、滯環(huán)電流控制。表2給出各種模擬控制策略的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

常規(guī)控制策略在工程上可以通過模擬或數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)。模擬電路在簡單系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用，但其性能容易受到模擬器件的老化和溫度漂移的影響，而且模擬器件參數(shù)的離散性容易引起控制特性的分散。數(shù)字電路則是將控制算法通過軟件實(shí)現(xiàn)，在修改控制參數(shù)時具有成本低和周期短的特點(diǎn)，避免了模擬電路的許多缺點(diǎn)。目前數(shù)字常規(guī)PID控制策略在實(shí)際工程運(yùn)用中得到了大量的運(yùn)用。

表1 隔離型高頻DC/DC變換器性能比較

表2 常規(guī)模擬控制技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)的對比

3.3 先進(jìn)控制策略

電動汽車地面充電機(jī)在工作過程中受到諸多復(fù)雜非線性因素的影響，這些因素包括系統(tǒng)的非線性元件，比如電力電子器件、高頻變壓器；系統(tǒng)部分模塊的非線性特性，比如脈寬調(diào)制器環(huán)節(jié)的飽和特性；另外，在外部瞬態(tài)或持續(xù)的擾動影響下，系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)也可能發(fā)生非線性變化等。由于系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性特性，因此可以應(yīng)用非線性的有關(guān)理論來開展研究。

傳統(tǒng)的控制算法是建立在小信號、線性化的模型下，難以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而電動汽車的動力電池對充電電壓和電流的穩(wěn)定性要求較高，傳統(tǒng)的控制算法難以滿足要求。近年隨著微處理器的快速發(fā)展，使得在高頻開關(guān)變換器中應(yīng)用復(fù)雜控制算法成為可能，如混沌控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模塊變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制等。先進(jìn)控制策略能夠有效地提高充電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出的精度，以達(dá)到快速充電的同時保護(hù)電池的目的。表3給出各種先進(jìn)控制策略的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

需要指出的是，和大多數(shù)的控制系統(tǒng)一樣，雖然考慮非線性因素的先進(jìn)控制策略有助于保證系統(tǒng)的大信號穩(wěn)定性和提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，但目前的很多研究成果表明，常規(guī)控制策略和上述先進(jìn)控制策略綜合應(yīng)用，可以達(dá)到更好的控制效果，如模糊變結(jié)構(gòu)PID控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制等。在這方面，仍有比較多的工作可以開展。

4 結(jié)論

電動汽車地面充電機(jī)是電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)目前處于試運(yùn)行的階段。該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是朝著小型化、智能化、高效率化、集成化和充電快速化的方向發(fā)展，使得充電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定和可靠，并減少損耗和對電網(wǎng)的諧波影響。更先進(jìn)的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、先進(jìn)的控制策略、對系統(tǒng)故障等特殊狀態(tài)的監(jiān)測和控制將是下一步研究的重點(diǎn)。

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