基于模糊控制的電動汽車充電器的研究

徐鄭林，朱建波，鄭偉杰，魏佳瑩，許 輝

（溫州大學 物理與電子信息工程學院，浙江 溫州 325035）

基于模糊控制的電動汽車充電器的研究

徐鄭林，朱建波，鄭偉杰，魏佳瑩，許 輝

（溫州大學 物理與電子信息工程學院，浙江 溫州 325035）

為了改善當前電動汽車充放電方法諧波污染嚴重、功率因數低、充電時間長、動態性能差，采用了SVPWM控制和模糊PID控制對現有充放電器進行了改進。為了驗證該充放電系統及所提出控制策略的有效性，在matlab/simulink平臺上進行了仿真驗證，結果表明該系統能有效地實現充放電的功能，系統的抗干擾性能明顯提高，動態響應性能良好，諧波污染小。

電動汽車；充放電；DC/DC變換器；模糊控制

霧霾的問題受到國內廣泛的關注和熱議，汽油的消耗和溫室氣體的大量排放，導致全球氣候變暖以及不可再生能源稀缺等的環境問題，已經日趨成為全球備受關注的關鍵性問題。作為傳統汽車的替代品之一，電動汽車在過去的幾十年時間里已經逐漸被大眾所接受。電動汽車的充電時間長，車用電池生產成本高，是電動汽車當前階段首先需要解決的難題。要擴大推廣電動汽車的使用，解決電池技術和快速充電棘手是根本[1-3]。電動汽車充電器不僅要滿足基本的充電要求，還必須保證電網母線電壓的穩定性、良好的抗干擾能力以及響應速度。現在的電動汽車充電器在使用雙閉環控制后，已經具有良好的穩定性，但由于動態性能較差，本文采用SVPWM控制和模糊PID控制對現有充電器的動態性能進行改進。

1 充電器系統結構

充電器系統結構采用如圖1所示，由電網側雙向整流器和電池側雙向DC/DC變換器兩大部分。電網側部分從左到右依次采用三相電壓源為電動汽車充放電器進行充電、斷路器和LCL濾波器以減小過沖和高頻振蕩、三相電壓型PWM整流器可以實現能量雙向流動的特點[4-5]，直流側電容用來穩定直流母線電壓。電池側的雙向DC-DC變換裝置，具有充電和放電的功能[6-7]。該雙向DC/DC主要應用在穩壓直流電源中，它的正極和負極方向都可以輸出相應的電壓來滿足充電和放電兩方面的要求。通過控制雙向DCDC變換裝置中電力電子開關器件的觸發角范圍，或驅動信號的占空比，可以實現能量的雙向傳輸，從而使本文設計的充電器具有充電和放電的V2G功能[8-10]。

圖1 系統硬件結構圖

2 網側變換器的設計

2.1 網側變換器硬件設計

由于所設計的充電器必須能同時實現V2G，因此需要通過雙向逆變器實現能量在電網和電動汽車之前的雙向互動控制。IGBT中的控制單元簡單，開關頻率可達40Hz，高功率IGBT模塊可以運行于許多的并行設備中并且具有很高的電流控制能力。基于IGBT上述的優點，本文選用了6個IGBT作為網側變換器的半導體開關。作為電網側雙極型電壓源轉換器，該電網側轉換器能夠滿足電動汽車充放電過程所需的多種功能[11-12]，例如可以在充電過程中將輸入的交流電源轉化為直流功率輸出，并可以在實現V2G的逆變過程中將直流電轉化為交流電反饋到電網中，具有雙向整流和逆變的功能[13]。因此網側轉換器的拓撲結構，是本文設計的電動汽車充電器功能實現的關鍵之一。如圖2所示。

圖2 三相電壓PWM整流器的拓撲結構

2.2 網側變換器的控制策略

為了提高功率因數，現在針對三相PWM整流器的控制，傳統的方式是利用電壓矢量控制，控制過程中同時引入了電流反饋和電壓反饋構成雙閉環的形式，電流的反饋可以及時獲取充放電的指令信息，電壓反饋能使變換器在直流側的輸出能盡快達到預期的電壓，且能保持穩定，波動小。但由于在這個過程中使用了PI調節器，減弱了整個系統的動態特性，直接影響了電動汽車系統的穩定性。為了提高整個系統的動態特性，滿足電動汽車充放電過程要求的穩定性和快速響應性要求，本文在傳統的雙閉環系統的基礎上，引入了模糊控制和負載前饋控制，系統控制結構框圖如圖3所示。

3 電池側變換器的設計

雙向半橋DC/DC變換器的控制采用電壓電流雙閉環結構，電池充電模式時工作在升壓狀態，本文采用恒流限壓充電，即當反饋電壓小于給定電壓時，電壓環飽和，電流給定值為恒流充電指令；當反饋電壓大于或等于給定電壓時，電壓環退出飽和，電流給定值隨著電壓的上升而減小，電池放電模式時，需要輸出穩定直流電壓，如圖4所示，其中VR和CR分別表示電壓、電流調節器。

圖3 系統控制結構框圖

由于DC/DC變換器為非線性時變的特點，傳統電壓電流調節采用PID控制時控制效果并不理想，而模糊PID控制可動態調節參數，提高系統的非線性自適應能力，因此本文對電壓、電流調節采用模糊PID控制[14-15]，如圖5所示。

圖4 雙向DC/DC變換器控制方框圖

圖5 模糊PID原理框圖

4 仿真結果

仿真結果如圖6所示。圖（a）是充電過程中引入模糊的充放電控制方式時（a）相電壓和電流的仿真圖，圖（b）是其對應的頻譜圖。 從圖（a）和圖（b）可以看出，引入模糊控制和電流前饋控制后，電網輸出電流的相位與電網相位基本一致，電流的超調量明顯減小，整體呈正弦波形，電流的THD值也降到了2.84%，滿足了電動汽車非車載充放裝置向電網注入的總諧波電流應小于額定交流輸出的5%的要求。改進后的充放電控制方式具有更小的超調量和較短的動態調整時間，并能快速達到單位功率因數，滿足的電動汽車動態響應速度快，靈活性好等要求。圖（c）是改進后的直流母線電壓，其超調量很小。直流環節恢復到穩定狀態的時間很短并且動態過程是非振蕩的，這就意味著引入模糊控制和電流負載前饋的充放電方式具有更快的響應速度和更短的動態調整時間，提高了充放電系統的動態性能。

5 結 論

改進后的充放電系統具有更強的抗干擾性能，更快的響應速度和更好的穩定性。同時能實現電網側輸出電壓和輸出電流的同相正弦化，對EDV側電池狀態的仿真結果分析，驗證了該系統充放電極強的適應性以及快速充電的能力。

圖6 仿真結果

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The electric vehicle charging device based on fuzzy control

XU Zheng-lin， ZHU Jian-bo， ZHENG Wei-jie， WEI Jia-ying， XU Hui
（College of Physics and Electronic Information Engineer， Wenzhou University， Wenzhou 325035，China）

In order to improve the current method of electric vehicles charging and discharge device，serious harmonic pollution and low power factor， long charging time， poor dynamic performance， using the SVPWM control and fuzzy PID control to improve the existing charger.In order to verify the effectiveness of the charging and discharging system and the control strategy，it has been carried out in the matlab/simulink simulation platform，the results shows that the system can effectively realize the function of charging and discharging，the anti-interference performance of the system is obviously improved， and the dynamic response of good performance， small harmonic pollution.

electric vehicle； charging and discharging； DC/DC converter； fuzzy contro

TN99

A

1674－6236（2017）12-0085-04

2016-04-11稿件編號：201604106

溫州大學大學生創新創業訓練計劃項目（DC2015052）；溫州大學實驗室開放項目（15SK28A）

徐鄭林（1995—），男，浙江金華人。研究方向：電氣工程及其自動化。