電動汽車恒壓充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

程 琳,黃凱成,吳可汗,陳 朔

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心 科技信息部，安徽 合肥 230022；2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技信息處，安徽 合肥 230051；3.國網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司 互聯(lián)網(wǎng)辦公室，安徽 合肥 230022）

汽車工業(yè)的發(fā)展給世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來變 革，也給人們的出行帶來便利，但與此同時(shí)它也給現(xiàn)在日益嚴(yán)峻的環(huán)境和能源問題帶來了巨大的壓力[1]。電動汽車的動力能源是電能，而電能具有清潔無污染的特點(diǎn)。因此，電動汽車能否替代傳統(tǒng)汽車成為人們的主要交通工具之一，是目前研究的熱點(diǎn)[2]。

電動汽車能否廣泛應(yīng)用，其最重要的技術(shù)在于電動汽車是否具有先進(jìn)的充電系統(tǒng)。電動汽車的充電系統(tǒng)是供電電源與電動汽車蓄電池間的功率轉(zhuǎn)換橋梁[3]。由于軍用設(shè)備的用電需求,美國最先研究蓄電池快速充電技術(shù)，并研制出滿足軍用鉛酸電池的快速充電機(jī)[4,5]。Daniel C.Cambron 對蓄電池的充電過程進(jìn)行大量的試驗(yàn)[6]，從而探索一種通過測量終端電壓和電池溫度來檢測電池電流的新方法，并使用未知輸入觀測器估計(jì)蓄電池充電電流的大小。Nick Machiels 提出通過算法快速控制電動汽車能量存儲系統(tǒng)與電網(wǎng)連接之間的功率流[7]。從而提出電動汽車快速充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是基于能量的流動行為模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)充電站存在數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不高的問題時(shí)，往往造成能源的浪費(fèi)，為優(yōu)化充電站的規(guī)劃和運(yùn)行方案，黃小慶等提出基于大數(shù)據(jù)處理的電動汽車充電規(guī)劃方案[8]。趙爭鳴等提出采用粒子群優(yōu)化算法確定電池容量和無線充電發(fā)射端的數(shù)量及位置的關(guān)系，進(jìn)而減少系統(tǒng)的總成本[9]。李桂發(fā)等提出通過實(shí)驗(yàn)方法對低速電動汽車的鉛酸蓄電池的恒壓限流充電方式進(jìn)行研究[10]，主要分析電池循環(huán)壽命與充電效率、電池溫升之間的關(guān)系。隨著集成電路芯片與電力技術(shù)高頻化的發(fā)展,電動汽車充電系統(tǒng)逐步克服以往充電設(shè)備體積大、效率低等缺點(diǎn),逐漸適應(yīng)于小型分布式充電系統(tǒng)建設(shè)的趨勢[11]。與此同時(shí),對充電系統(tǒng)的研究還能開拓新的用電服務(wù)模式。電動汽車的用電需求具有可引導(dǎo)性，在利用分時(shí)電價(jià)等手段的引導(dǎo)下,能夠起到削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率[12]。為此，本文旨在設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定、安全的電動汽車充電控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)汽車電池的狀態(tài)與放電方式來選擇合理的充電方式，實(shí)現(xiàn)對電動汽車的穩(wěn)定充電。

1 電動汽車充電策略研究

蓄電池常規(guī)充電策略主要有：恒壓充電、恒流充電和階段充電三種，如表1 所示。

表1 不同充電策略的比較總結(jié)

在蓄電池充電策略中最廣泛使用的是恒壓充電法。由于在恒壓充電過程中，充電電壓保持不變。因此，采用恒壓充電策略對蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，充電電壓和電流應(yīng)當(dāng)在電池能接受的可控范圍內(nèi)，需要對充電電壓進(jìn)行控制，否則就可能導(dǎo)致蓄電池的損壞，從而影響電動汽車的正常使用。本文所設(shè)計(jì)的充電模塊工作原理如圖1 所示。

圖1 蓄電池充電模塊的工作原理

由圖1 可知，充電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)為：電源→交流斷路器→交流隔離開關(guān)→交流電磁兼容性濾波器（AC EMC Fiter）→電抗器（Inductor）→整流電路→DC-DC 變換電路→高頻變壓器（Transfomer）→整流二極管（Rectifer）→LC 輸出濾波電路→直流電磁兼容性濾波器→電池。其中交流斷路器后和電池充電電壓輸出前都接有保護(hù)設(shè)備，在電路異常時(shí)發(fā)出燈光報(bào)警信號。交流電磁兼容性濾波器（AC EMC Fiter）的作用是消除導(dǎo)線上的干擾信號。電抗器（Inductor）主要用于平衡無功和減少線路功率損失。DC-DC 變換電路得到的是與充電電池相匹配的直流電壓。高頻變壓器（Transfomer）的主要作用是隔離,也是開關(guān)電源的核心器件之一。整流二極管（Rectifer）和LC 輸出濾波電路則是為了輸出平滑的直流電壓,提高充電效率。

2 DC-DC 變換電路設(shè)計(jì)

電動汽車充電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)中最重要的部分就是DC-DC 變換電路，它在電路中起到電氣隔離與電壓變換的作用。我們在零電壓移相全橋變換器電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了DC-DC 變換電路，電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。設(shè)計(jì)時(shí)在普通雙極性PWM 變換器的基礎(chǔ)上加入了C1-C4四個(gè)參數(shù)相等的諧振電容。Lr為逆變器出口電壓端的諧振電感。從而實(shí)現(xiàn)在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)對電壓進(jìn)行緩沖,減少器件的關(guān)斷損耗。在開關(guān)管打開前，與之并聯(lián)的續(xù)流二極管將電容存儲的電量放完，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通。圖2 中，Q1與Q4構(gòu)成超前橋臂,Q2與Q3構(gòu)成滯后 橋 臂。Q1、Q3與Q2、Q4之 間 的 相 位 差 稱 為 移 相角,輸出電壓的大小由移相角決定。

在圖2 電路中，開關(guān)電路選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。IGBT 是一種復(fù)合型開關(guān)器件，開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相比于MOSFET，其輸入阻抗高，在電流較大的區(qū)域，IGBT 具有超低的通態(tài)壓降。為滿足高電壓的輸出需求,我們選取三菱公司的第五代NFM 系列IGBT 模塊，耐高壓VCES=1200V，允許最大電流為300A。

圖2 零電壓移相全橋變換器

3 電動汽車充電控制方法設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)的控制電路主要作用是從系統(tǒng)輸出端進(jìn)行取樣，取樣后與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果處理后得到控制信號，控制電路基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 充電電路控制結(jié)構(gòu)

本文采用PID 控制器來完成對充電過程中的電壓控制。在模擬線路設(shè)計(jì)中，可以用運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)含有反饋環(huán)節(jié)的各種控制電路，如圖4所示。

圖4 比例積分調(diào)節(jié)器線路圖

圖4 中Uin和U0分別表示調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓值，Ra為運(yùn)算放大器同相輸入端的平衡電阻，一般取反向輸入端各電路電阻的并聯(lián)值，按照輸入輸出關(guān)系可得：

式（1）中：Kpi為PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；τ為積分時(shí)間常數(shù)。通過調(diào)節(jié)電容與電阻值即可實(shí)現(xiàn)對用PI 控制器對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)控。本文控制對象是DC-DC 變換器中的四個(gè)開關(guān)器件，通過改變開關(guān)器件開斷比來調(diào)整輸出直流電壓的大小，圖5 為所控制方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 充電電壓控制方法實(shí)現(xiàn)過程結(jié)構(gòu)圖

在圖5 中，Ur為充電系統(tǒng)輸出電壓,輸出電壓反饋至比較器中，與預(yù)設(shè)定的電壓值Ur進(jìn)行比較。預(yù)設(shè)定電壓Ur的波形為幅值為|Ur|的對稱三角波。因?yàn)镻ID 控制器輸出的是連續(xù)的電壓波形，而本系統(tǒng)的控制信號是PWM 波，為實(shí)現(xiàn)輸出的控制信號符合DC-DC 變換器的控制要求，采用三角波與輸出電壓進(jìn)行比較，得出偏差信號之后送入PID 控制器進(jìn)行處理。

4 充電特性仿真

根據(jù)上述的PID 控制器和控制方法，本文運(yùn)用MATLAB/Simulink 仿真軟件來對整體的充電電路進(jìn)行仿真，來驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)內(nèi)容是否可行。具體仿真參數(shù)如下：輸入電壓為220V 三相交流電，開關(guān)器件頻率為33*50Hz，變壓器原負(fù)邊匝數(shù)比為2:1，交流側(cè)、直流側(cè)電感都為1mH。設(shè)置各模塊的參數(shù)并連接好后得到的充電系統(tǒng)整體仿真模型如圖6 所示。

圖6 整體仿真圖

4.1 三相交流輸入整流仿真

系統(tǒng)輸出為頻率50Hz 幅值220V 的三相交流電，經(jīng)過三相全橋整流與電容后輸出平滑的直流波形，輸出的直流電壓平均值在542V 左右，考慮所用電力二極管導(dǎo)通角為0°，由三相整流公式可得：

式中，Ud在Ud=220V，a=0 條件下的理論計(jì)算值為514.8V。圖7 為三相交流整流濾波后輸出的直流電壓結(jié)構(gòu)圖。

圖7 三相交流整流濾波輸出直流電壓

圖8 展示了電容輸出的電壓波形。從圖可知，在經(jīng)過對電容的充電后，輸出的直流電壓能穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，收斂的范圍由電容的大小與質(zhì)量決定。

圖8 電容輸出的電壓波形

4.2 DC-DC 電路

在經(jīng)過電容濾波后輸出的可近似認(rèn)為是穩(wěn)定的直流電，但從圖8 中所看到的波形明顯不能滿足穩(wěn)定直流電源的要求。所以將得到的直流電，通過DC-DC 逆變電路，在高頻開關(guān)的開關(guān)作用下，逆變?yōu)榉捣€(wěn)定的矩形波形電壓。我們對DC-DC 電路進(jìn)行仿真，如圖9 所示。

圖9 DC-DC 電路

從圖10 可以看出，經(jīng)過初期的電壓波動后，電路后續(xù)輸出為穩(wěn)定的矩形電壓波，且幅值能保持在一定范圍內(nèi)，波形波動幅值很小，逆變器輸出電壓波形符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 變壓器原邊電壓波形

4.3 整流輸出穩(wěn)定直流電壓

仿真主電路的最后一部分是將輸出的交流矩形波整流為穩(wěn)定的直流電壓。電路結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

圖11 充電系統(tǒng)輸出部分電路結(jié)構(gòu)

經(jīng)過高頻變壓器的隔離作用，得到的電壓在經(jīng)過全控整流橋后輸出至濾波電容與濾波電感組成的濾波電路，最后將得到的蓄電池電壓輸出波形如圖12 所示。由于所確定的預(yù)設(shè)值為500V，圖中可看出給蓄電池輸入電壓的平均值在502V左右。誤差僅2V，考慮到具體電池不同參數(shù)的原因，從這我們可以看出該系統(tǒng)主電路的輸出滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 充電系統(tǒng)輸出波形圖

5 結(jié)語

本文結(jié)合目前電動汽車充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對電動汽車車載充電系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略進(jìn)行研究，并根據(jù)電動汽車電能供給的典型方式以及充電系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)基于恒壓充電策略的PID 控制系統(tǒng)。采用MATLAB/Simulink 軟件對整個(gè)充電主電路做仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)是合理可行的。