基于V2G的電動(dòng)汽車雙電力接口充電樁

南方電網(wǎng)貴州電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司 王力立

與我國(guó)傳統(tǒng)的燃燒式汽車技術(shù)相比，電動(dòng)汽車技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中必須具有環(huán)保和節(jié)能的特點(diǎn)。在我國(guó)現(xiàn)有人工智能電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)速度能夠提高的情況下，中國(guó)未來電動(dòng)汽車所搭載的動(dòng)力電池技術(shù)也將能夠承載電網(wǎng)移動(dòng)儲(chǔ)能單元等主要功能[1]。V2G 的主要特點(diǎn)是新能源沒有在電網(wǎng)和電動(dòng)汽車之間進(jìn)行分析和循環(huán)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。該流程具有雙向特性，可通過促進(jìn)電網(wǎng)和電動(dòng)汽車行業(yè)內(nèi)新能源和信息技術(shù)的雙向交流來實(shí)現(xiàn)，使新能源的使用更加合理可行，同時(shí)也可以促進(jìn)我國(guó)環(huán)保社會(huì)主義事業(yè)的更好發(fā)展。

1 電動(dòng)汽車充電樁的結(jié)構(gòu)形式內(nèi)容

電動(dòng)汽車充電樁技術(shù)主要包括兩個(gè)方面，即二極管整流電壓和斬波器，主要由整流方式和DC/DC 變換器組成。這兩種形式的輔助樁在電能流和現(xiàn)有諧波驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面的網(wǎng)絡(luò)問題在治理上效果不佳，但通過電動(dòng)汽車充電樁的V2G 技術(shù)，其還包括兩個(gè)重要內(nèi)容，雙向DC/DC 換向器和三相零五橋電壓PWM 整流器。通過這些結(jié)構(gòu)類型的輔助樁，可以更有效地連接電網(wǎng)和電動(dòng)汽車。在供電不平衡的情況下，所產(chǎn)生的電能可以迅速?gòu)碾妱?dòng)汽車返回電網(wǎng)。

在這個(gè)過程中，電源的穩(wěn)定性和安全性得到了顯著改善，而對(duì)于輔助樁，產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)電流通常是正弦。當(dāng)電網(wǎng)電壓的相位和相位具有相似的特性時(shí)，充電樁放電時(shí)，設(shè)備側(cè)的流量表示結(jié)果是正弦的，而現(xiàn)有的相位關(guān)系與電網(wǎng)電壓的變化相對(duì)應(yīng)，因此存在相反的特性。如果直流母線連接后電壓變化平穩(wěn)，則系統(tǒng)性能顯著，單位功率因數(shù)也可以校正。V2G 技術(shù)是一種車到電網(wǎng)的反向送電技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)汽車與電網(wǎng)之間的能量交換。電動(dòng)汽車V2G 變流器的重要研究?jī)?nèi)容可分為以下兩個(gè)重要部分。

第一部分是整改部分。一般工作原理是將電網(wǎng)的交流或市電轉(zhuǎn)換為紋波較小的直流電源，并為后續(xù)的DAB 轉(zhuǎn)換器提供能量[2]。同時(shí)，也需要實(shí)現(xiàn)不同權(quán)力之間的能量雙向流動(dòng)。第二部分是DAB 轉(zhuǎn)換器。其重要工作內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)可控的雙向功率流，能夠適應(yīng)電動(dòng)汽車充電的不同要求，滿足電動(dòng)汽車應(yīng)用所需的最大輸出功率水平，圖1為電車雙向充電模塊關(guān)鍵電路拓?fù)淇驁D。

圖1 主電路拓?fù)鋱D

在實(shí)現(xiàn)SVPWM 整流之前，可以利用Clark 變換和DQ 變換將同一平面上ABC 的三相靜態(tài)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜態(tài)坐標(biāo)系，從而調(diào)整電網(wǎng)的壓力矢量。首先，三相電流相位差為120°的靜態(tài)交流系統(tǒng)，可以通過Clark exchangeα 轉(zhuǎn)換為相位差為90°的靜態(tài)交流系統(tǒng)，研究人員可以進(jìn)行這些兩相交流，然后可以做這兩相交流電β，通過park 變換理論αDQ 兩相電的相位差，有相位差的兩相交流系統(tǒng)變成有旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。此時(shí)，電壓和電流將被轉(zhuǎn)換為直流電，便于調(diào)節(jié)和控制模擬實(shí)驗(yàn)[3]。

經(jīng)過PWM 整流后，電網(wǎng)的交流電源可用作DC1側(cè)，電動(dòng)汽車的蓄電池可用作DC2側(cè)。直流側(cè)和直流側(cè)通過DAB 轉(zhuǎn)換器連接。通過比較高頻變壓器和內(nèi)部程控變流器中原始二次電流信號(hào)之間的相位差，這種差異可以進(jìn)一步反映在電力傳輸?shù)陌l(fā)展中，通過相移比較可以同時(shí)測(cè)量?jī)烧咧g的信號(hào)相位差。所謂的位移對(duì)比度應(yīng)定義為相位差除以高頻變壓器五倍的交流電壓之比。對(duì)于換檔過程中比較的控制器，必須先采集輸出端（電動(dòng)汽車蓄電池端）的電流值，然后通過反饋鏈路對(duì)開關(guān)管進(jìn)行通斷控制，從而達(dá)到預(yù)期的輸出電流值和輸出功率。反饋回路的設(shè)計(jì)方法包括單相移相控制和雙相移相控制見表1。

表1 電動(dòng)汽車充電樁控制方法

2 基于V2G 的電動(dòng)汽車雙電力接口充電樁

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要包括PWM 整流器、雙向DC/DC 線路和DSP 控制與監(jiān)控通信。具體組成框圖如圖2所示，在充電過程中，整個(gè)控制系統(tǒng)采用雙向PWM 整流電路對(duì)交流電源側(cè)的交流電壓進(jìn)行整流。用戶可以通過雙向DC/DC 直接降低電壓。在能量釋放過程中，DC/DC 電路的升壓電壓通過PWM 電路反向，以交流電的形式進(jìn)入電網(wǎng)。在電容器充放電過程中，整個(gè)控制系統(tǒng)主要由DSP 芯片TMS320F2812控制。

圖2 充電樁框架

2.2 三相PWM 整流

三相開關(guān)電壓型PWM 整流器主要實(shí)現(xiàn)與用電的雙向信息流，具有失真率低、輸出功率因數(shù)可調(diào)等一系列問題。控制系統(tǒng)通過空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）產(chǎn)生控制開關(guān)的信息[4]。與正弦波脈沖調(diào)制（SPWM）相比，SVPWM 可以大大提高電壓效率，其動(dòng)態(tài)特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的SPWM調(diào)節(jié)。此外，由于每個(gè)開關(guān)電源僅包含一個(gè)元件，因此開關(guān)電源的損耗最小。此外，由于三相電壓PWM 整流器的設(shè)計(jì)是可逆的，電網(wǎng)系統(tǒng)的能量通過同步傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車的電池組，并將能量返回到電源。

三相電壓型PWM 整流器的基本控制方式。為了保持電壓正弦波并提高功率因數(shù)，可以選擇電壓閉環(huán)控制模式，如果選擇滯后跟蹤模式，則將參考電流與輸入電流進(jìn)行比較。一旦電流差大于指定的回路寬度，計(jì)算的電流將自動(dòng)調(diào)整，以使電流誤差不超過指定的范圍。

2.3 雙向DC/DC 電路

本文設(shè)計(jì)的電容器堆可以同時(shí)使用雙面DC-DC 變換器，使電能同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)從電源到負(fù)載、從負(fù)載到電源的信號(hào)傳輸。該功能也可以看作是兩個(gè)單面DC-DC 變換器，因此可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)兩用”的效果。雙邊DC-DC 變換器由于具有調(diào)節(jié)輸入電流、提高功率因數(shù)的功能，在國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)中引入了buck/boost 集成電路，當(dāng)電動(dòng)汽車在充電樁處供電時(shí)，直流電壓通過雙邊DCDC 轉(zhuǎn)換器降低；當(dāng)電池返回電網(wǎng)時(shí)，升壓后的直流電將通過雙邊DCDC轉(zhuǎn)換器傳輸至三相電壓PWM 整流器，然后通過逆變器傳輸至交流電源。

2.4 DSP 控制電路與電網(wǎng)通信

DSP 是數(shù)字信號(hào)處理過程，其采集系統(tǒng)的輸入輸出電壓和電流，然后形成PWM 信息電路來調(diào)節(jié)開關(guān)電源，從而實(shí)現(xiàn)PI 抑制功能。與模擬信號(hào)處理過程相比，采用普通DSP 芯片設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理器系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、程序簡(jiǎn)單、接口簡(jiǎn)單、集成功能簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，TMS320F2812也可以作為該控制系統(tǒng)的主控和管理芯片。TMS320F2812具有體積小、性能優(yōu)良、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)在多臺(tái)手持設(shè)備上使用，以滿足不同工業(yè)環(huán)境的需要。充電樁還具有與供電網(wǎng)絡(luò)的通信功能，充電和放電價(jià)格可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控供電需求進(jìn)行調(diào)整。

2.5 環(huán)境及電磁兼容設(shè)計(jì)

為了提高充電樁的使用壽命，減少極端環(huán)境對(duì)充電樁的影響，應(yīng)綜合抗環(huán)境破壞的設(shè)計(jì)理念。同時(shí)，根據(jù)抗電磁干擾的要求，設(shè)計(jì)發(fā)布一種抗環(huán)境影響、抗電磁干擾的綜合性充電樁，使充電樁在惡劣環(huán)境和強(qiáng)電磁環(huán)境下仍可為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。在充電樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用交叉覆蓋工藝，提高了充電樁的保護(hù)能力，保證了充電樁在良好的通風(fēng)散熱性能下能夠正常使用。樁身的主要材料以鍍鋅鋼板為主，并采用汽車烤漆工藝，可以提高樁面耐蝕性和耐蝕性。樁體內(nèi)配置的汽車部件應(yīng)按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置，內(nèi)部配置壓敏電阻、磁環(huán)、CIS 可變二極管等部件，使充電樁可在任何環(huán)境下使用。

3 基于V2G 的電動(dòng)汽車雙電力接口充電樁放電控制

研究發(fā)現(xiàn)，在整流器系統(tǒng)的充電和放電側(cè)實(shí)施PWM 控制也會(huì)影響雙邊整流器的工作。然而，通過對(duì)雙邊整流系統(tǒng)充放電結(jié)構(gòu)的研究，有必要對(duì)充放電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。首先將三相交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，雙邊DC/DC 自動(dòng)變換器實(shí)施后，生產(chǎn)電動(dòng)汽車的電池發(fā)展所需的能量可以通過A/D 采樣。

對(duì)于電網(wǎng)側(cè)的高壓輸入，必須安裝相應(yīng)的PLL鎖相電路模塊，該措施的實(shí)現(xiàn)是相位角控制的結(jié)果。空間壓力矢量控制器可以調(diào)節(jié)雙向PWM 整流器，經(jīng)過Park 變換后，雙向PWM 整流器的變量從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，交流可以將循環(huán)電流轉(zhuǎn)換為直流。電流外環(huán)PI 控制器采用與電流輸出外環(huán)PI 控制，以及電流輸出內(nèi)環(huán)PI 控制相同的方式，對(duì)三相高壓型PWM 整流器的直流側(cè)電壓有相應(yīng)的抑制作用。電流內(nèi)環(huán)PI 邏輯控制器的主要實(shí)現(xiàn)方法是，通過輸入電流外環(huán)的功率傳輸指令來控制輸出電流，然后利用SVPWM 的空間矢量調(diào)制算法統(tǒng)計(jì)后形成六個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖。監(jiān)控三相整流橋IGBT 的開關(guān)狀態(tài)，以觸發(fā)脈沖。雙向PWM 整流器采用了一種相對(duì)較新的控制方式，直流母線的導(dǎo)通電流可以作為雙向DC/DC 變換器電流源的主要內(nèi)容，直流母線導(dǎo)通后電流恢復(fù)速度也很快。

本文設(shè)計(jì)的智能充電樁以應(yīng)對(duì)極端環(huán)境為前提，確保充電樁本身在一定程度上具有較好的密封性能，從而使充電樁能夠減少雨、雪等天氣的影響，避免充電樁內(nèi)部電氣元件的故障，確保充電樁能夠更安全穩(wěn)定地工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了采用雙電源系統(tǒng)接口的充電樁的構(gòu)成組成，主要包括PWM 整流、雙向DC/DC轉(zhuǎn)換、DSP 控制和管理，并對(duì)一些重要部件進(jìn)行了分析和說明。該技術(shù)設(shè)計(jì)投入使用后，可以隨時(shí)轉(zhuǎn)換兩側(cè)電源，釋放和補(bǔ)充電網(wǎng)，極大地改善了智能電網(wǎng)系統(tǒng)的特性。雙向DC/DC 電路和DSP 可以控制多個(gè)監(jiān)控和通信部件，并在兩側(cè)之間切換電源，從而增強(qiáng)智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性，發(fā)揮“削峰填谷”的功能。同時(shí)，也可以為電動(dòng)汽車的應(yīng)用和電力工業(yè)的發(fā)展帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。