基于MATLAB的電動汽車非車載充電機(jī)仿真建模

顧 越，張曉冬，王 強(qiáng)

（北京交通大學(xué)，北京 100041）

電動汽車非車載充電機(jī)是一種大功率、非線性的負(fù)載，作為負(fù)載接入電網(wǎng)，會給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染，并影響到電網(wǎng)及以電網(wǎng)中的其他電力設(shè)備[1-2]。對它進(jìn)行多方位的建模研究一方面有利于進(jìn)一步研究電動汽車充電機(jī)的機(jī)理，提高充電機(jī)各方面的性能；另一方面有利于更準(zhǔn)確、更全面地研究電網(wǎng)，減少電動汽車對公共電網(wǎng)的諧波污染。

本文主要針對不可控整流型非車載充電機(jī)，在Matlab-Simulink的平臺上進(jìn)行建模仿真，并對其注入電網(wǎng)和輸出充電的電能進(jìn)行評估，為日后對電動汽車充電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和制造做一定的參考。

1 電動汽車非車載充電機(jī)的基本原理

非車載充電機(jī)就是固定安裝在電動汽車外、與交流電網(wǎng)相連接，為電動汽車動力電池提供直流電能的充電機(jī)。比起車載型充電機(jī)，非車載充電機(jī)具有功率大，充電速度快等特點(diǎn)。實(shí)際上，它就是一種依據(jù)電力電子技術(shù)而研制出來的電源[3]。這個電源根據(jù)電動汽車動力電池的充電曲線，采用一定的控制系統(tǒng)，對其充電模式進(jìn)行控制，以達(dá)到更好更快速地為電池充電。其基本工作原理如圖1所示。

圖1 非車載充電機(jī)的工作原理框圖

由圖1可以看出，非車載充電機(jī)工作原理可分成4部分。首先，將電網(wǎng)中380 V的交流電進(jìn)行濾波和整流，送入第II部分；隨后，第II部分將緩慢下降的直流電進(jìn)行高頻的功率變換；接著，第III部分將送來的電流進(jìn)行二次整流和濾波；另外，第IV部分的控制電路是將輸出的直流電經(jīng)由合理的采樣與給定的直流電流電壓進(jìn)行相比并放大，從而輸出一個誤差調(diào)制信號，使其控制高頻變換部分中各管的導(dǎo)通與關(guān)斷，最終達(dá)到輸出一個既符合用戶充電意愿、又符合充電曲線的直流電。[3-4]

2 電動汽車非車載充電機(jī)的建模

2.1 高頻隔離式DC/DC 變換器

由于全橋變換器的各開關(guān)管承受的電壓較小，僅為輸入電壓Uin的幅值，因而被廣泛應(yīng)用在非車載充電機(jī)中。其電路拓?fù)鋱D如圖2所示[5-6]。

圖2 全橋型隔離式DC/DC變換器

該DC/DC變換器的工作原理是：4個MOSFET管由高頻PWM波觸發(fā)，開關(guān)組合VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組，每半個周期交替導(dǎo)通一次。

當(dāng)VT1、VT4導(dǎo)通時，變壓器#1繞組輸入的電壓為Ui，變壓器T的二次繞組同名端輸出的電壓都比非同名端高，而二極管D2導(dǎo)通并給輸出端電感Lo充磁。

當(dāng)VT2、VT3導(dǎo)通，此時變壓器一次繞組的非同名端接到輸入電壓Uin，同名端連接到近地電位，而二極管D1導(dǎo)通，給輸出端電感L充磁。

當(dāng)所有開關(guān)管都關(guān)斷時，D1、D2續(xù)流。

從輸出電感的伏秒平衡關(guān)系可以導(dǎo)出全橋電路的電壓調(diào)整率。在開關(guān)閉和(ton)與開關(guān)斷開(toff)期間，輸出電感上的平均電壓分別為 [Ui(NS/NP)?Ua]和?Ua。因此，

電壓的調(diào)整率為

即

將該電路應(yīng)用在電動汽車充電機(jī)模型上，即使500 V的直流電為高頻DC/DC變換電路的輸入電壓，某級的額定輸出電流為輸出電流，各MOSFET管承受的最大電壓都為500 V，相對其他類型DC/DC變換器各MOSFET所承受的最大電壓也較小，基本可以滿足電動汽車充電機(jī)的電壓調(diào)整率要求。

2.2 非車載充電機(jī)的控制電路

非車載充電機(jī)主要可以執(zhí)行4種模式的充電方式，即恒流充電、恒壓充電、脈沖充電和分階段充電[7]。本文主要對恒流模式下的電動汽車非車載充電機(jī)進(jìn)行仿真。其中Iref是指輸出的基準(zhǔn)電流。它先與其真實(shí)值Idc做差，生成誤差信號，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和一定的放縮調(diào)節(jié)，得到一個可以使輸出電流穩(wěn)定在基準(zhǔn)電流處的不停變換的常數(shù)，并以這個常數(shù)為幅值的信號作為一個調(diào)制波，控制并生成一組PWM波，以其控制DC/DC變換器中的開關(guān)管導(dǎo)通。利用Matlab-Simulink[6，8]搭建的控制模型見圖3。

圖3 恒流閉環(huán)控制方式

實(shí)際的電動汽車非車載充電機(jī)采用的充電方式往往是復(fù)合型的，如恒流—恒壓式充電、恒流—恒壓—恒流式充電。因此，在電動汽車充電機(jī)設(shè)計與制作中，往往采用恒流、恒壓雙閉環(huán)的控制方式。這時，需要進(jìn)一步考慮的就是“電池終止充電技術(shù)”。一般采用最高電壓、最小電流、最高溫度及電容控制法[9]。

2.3 不可控整流方式下的充電機(jī)MATLAB 模型

根據(jù)上述理論在MATLAB-Simulink平臺上搭建的模型如圖4所示。

圖4 非車載充電機(jī)在MATLAB-Simulink中的仿真模型

由于充電機(jī)是給蓄電池充電，而蓄電池可以近似認(rèn)為是一個隨電量變換的電阻。由于設(shè)置的仿真時間較短，可以認(rèn)為它在仿真時間內(nèi)的電阻沒有發(fā)生改變。圖4中其余參數(shù)設(shè)置如下：三相電源104 V，頻率為工頻50 Hz；采用1.6 MVA、接線方式為三角星接的變壓器。高、低壓側(cè)的額定電壓分別為104 V和380 V；濾波電容為225 μF；用于二次濾波的諧振電感電容分別為0.001 H和0.001 μF。

另外，MATLAB 的仿真算法設(shè)為：“ode23s (stiff/Mod. Rosenbrock)”，仿真時間設(shè)定為1 s。

3 仿真數(shù)據(jù)的分析

根據(jù)上節(jié)的仿真模型，配合以相應(yīng)的檢測電路，便可以對這個非車載充電機(jī)的性能特性進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

圖5所示為輸出電流，由圖5可知，這個充電機(jī)需0.35 s才可達(dá)到穩(wěn)定。而電流則基本穩(wěn)定在20 A。通過MATLAB中的FFT Analysis Tool模塊分析可知，在0.39 s時，電動汽車充電機(jī)輸出端的電流質(zhì)量如下：輸出電流中含有的直流電流分量為20.0 A，若設(shè)直流分量為100%，則基波的有效值為0.219 3 A，諧波含量為0.015 04%。其他諧波含量為：二次諧波含量為0.000 67%，三次諧波含量為0.000 08%，四次諧波含量為0.000 03%。其他次諧波含量均在10-5%以下，基本可以忽略不計。

圖5 電動汽車充電機(jī)的輸出電流

值得一提的是，隨著時間的推移，諧波含量越來越小，直流質(zhì)量越來越高。例如：令直流含量為100%，則0.36 s時輸出電流的基波含量為0.016 96%，其他諧波含量也有一定幅度的增加。

系統(tǒng)的功率因數(shù)(αcos)用公式表達(dá)可表示為：

若輸入端忽略損耗，則上式又可以化簡為

依照上述理論，可以得到測量電動汽車非車載充電機(jī)功率因數(shù)的電路圖，見圖6。電路先計算出諧波畸變率，進(jìn)而就可以得出電路的功率因數(shù)。

圖7所示的是電動汽車非車載充電機(jī)的功率因數(shù)[10]。充電機(jī)剛剛開始工作時功率因數(shù)較低且不穩(wěn)定，而到0.035 s以后則基本達(dá)到穩(wěn)定，并一直保持在0.98左右，這符合功率因數(shù)大于0.9的性能要求。

圖6 功率因數(shù)測量電路

圖7 電動汽車非車載充電機(jī)的功率因數(shù)

圖8與圖9所示分別為隔離變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓的諧波含量的柱狀圖。橫軸代表諧波的次數(shù)，縱軸代表各次諧波分量的幅值占基波的百分率，即基波的縱軸坐標(biāo)為100。由圖8、圖9可以看出，三相橋式不可控整流電路與高頻隔離式DC/DC變換器會給系統(tǒng)交流側(cè)帶來一定的高次諧波。其中，以5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次、29次、31次、35次和37次諧波相對較大。將諧波次數(shù)歸納成數(shù)學(xué)表達(dá)式為6k±1(k=1,2,3,…)。2張圖對比可知，變壓器一次側(cè)各次諧波幅值都比二次側(cè)的幅值要小近2倍。與此同時，畸變率也從二次側(cè)的0.2%下降到0.08%?？梢?，Delta-Y的這種接線方式的變壓器對減小諧波含量、降低電壓畸變率能起到較好效果。

圖8 變壓器一次側(cè)電壓

圖9 變壓器二次側(cè)電壓

值得一提的是，蓄電池負(fù)載是一個非線性可變量；電網(wǎng)中的電壓電流也不是標(biāo)準(zhǔn)的三相平衡正弦波。因此，利用普通的采樣算法和測量方法會對結(jié)果造成一定的誤差，但并不影響各參數(shù)的整體趨勢。

4 結(jié)論

電動汽車非車載式充電機(jī)是一種越來越常見的非線性負(fù)載。根據(jù)整流方式的不同，投入運(yùn)行時會給電網(wǎng)帶來不同程度的諧波和畸變。根據(jù)本文的仿真研究，可以得到以下結(jié)論：

1)電動汽車非車載充電機(jī)中采用全橋隔離式DC/DC變換器結(jié)構(gòu)比較簡單，電路中開關(guān)管所承受的電壓較小，可以很好地完成充電機(jī)的作用。

2)對不可控整流型電動汽車非車載充電機(jī)建立的模型基本可以符合要求。

3)不可控整流型的電動汽車非車載充電機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，造價低廉，但是注入電網(wǎng)的諧波含量較大，對電網(wǎng)的影響不可忽略，需要額外添加諧波處理裝置。

4)不可控型整流器和高頻開關(guān)都會給電網(wǎng)帶來諧波。使用Delta-Y型接線方式的變壓器降壓后再接負(fù)載可明顯降低諧波含量和電壓畸變率。這一做法很好地降低了電動汽車充電機(jī)對電網(wǎng)的不良影響。

[1] 葉健誠, 桑林, 李昱凌, 等. 電動汽車非車載充電機(jī)諧波分析與仿真[J]. 電測與儀表, 2011(9)∶34-37.

[2] 黃少芳, 黃梅. 電動汽車充電站諧波的工程計算方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008,32(20)∶20-23.

[3] 李娜, 黃梅. 基于不同整流裝置的電動汽車充電機(jī)比較[J]. 華北電力技術(shù), 2011(1)∶23-29.

[4] 陳良亮, 張蓓蓓, 周斌, 等. 電動汽車非車載充電機(jī)充電模塊的研制[J]. 電力自動化, 2011,35(7)∶81-85.

[5] PRITAM DAS, GERRY MOSCHOPOULOS. An AC-DC Single-Stage Full-Bridge Converter With Phase-Shift PWM Control[C]//Power Electronics Specialists Conference. 2008∶3671-3676.

[6] 張潤和. 電力電子技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京∶ 北京大學(xué)出版社, 2008∶28-36.

[7] 羅志坤, 羅安, 徐先勇, 等. 電動汽車充電機(jī)電能集成監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 高電壓技術(shù), 2011,37(2)∶338- 346

[8] 陶永華. 新型PID 控制及其應(yīng)用[M]. 北京∶ 機(jī)械工業(yè)出版社, 1988∶8-26.

[9] 高麗麗. 大功率電動汽車多功能快速充電機(jī)的研究[D]. 濟(jì)南∶ 山東大學(xué), 2010.

[10] 陳彬, 張正權(quán). 基于Matlab 的高頻開關(guān)電源功率因數(shù)測量電路研究[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2009,12(3)∶16- 19.