基于電流前饋解耦PWM的電動汽車階段充電仿真

吳雪穎 文春蘭 林春蘭 嚴(yán)芝健

摘? ? 要：電動汽車的充電系統(tǒng)性能取決于整流和充電控制環(huán)節(jié)，其充電效率及穩(wěn)定性對電池的壽命、電池容量產(chǎn)生很大的影響.為了提高整流電壓輸出的穩(wěn)定性和電池的充電效率，其整流模塊采用電流前饋解耦PWM，該方法通過電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制以減少整流中的諧波分量并穩(wěn)定輸出電壓.針對充電模塊控制策略則采用階段性充電方式即先用電流單環(huán)控制的恒流限壓充電，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的電壓值后轉(zhuǎn)為恒壓限流的雙閉環(huán)控制充電方式.運(yùn)用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)電動汽車蓄電池充電模型，并與單一的恒流、恒壓兩種充電控制策略進(jìn)行對比.由仿真結(jié)果可知，電流前饋解耦PWM整流電壓穩(wěn)定性優(yōu)于電壓型PWM.此外，也驗(yàn)證了階段性充電控制充電方式對蓄電池的影響較小，具有充電效率較高的優(yōu)越性.

關(guān)鍵詞：電動汽車;PWM整流器;充電控制策略;階段充電控制

中圖分類號：U469.72;TM461? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.013

0? ? 引言

2018年，中國汽車市場分析研討會上指出，截至2017年底我國新能源汽車的保有量高達(dá)180萬輛，占世界保有量的50%以上.我國國家能源局、工信部、財政部共同制定的《提升新能源汽車充電保障能力行動計(jì)劃》指出，新能源汽車發(fā)展速度與其充電配套設(shè)施極不平衡，主要原因?yàn)檫x址難、充電效率低、充電對電網(wǎng)影響大等問題，制約著新能源汽車快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用[1-3].由此可見，新能源汽車充放電控制對新能源汽車發(fā)展以及能源優(yōu)化調(diào)度極為重要.

文獻(xiàn)[4]采用模糊PID控制算法對電動汽車充電過程進(jìn)行控制，其結(jié)果表明該方法對電動汽車充電過程具有良好靜態(tài)和動態(tài)性能.文獻(xiàn)[5]考慮了電動汽車的充電特性和諧波特性，對電動汽車充電對配套設(shè)施、投資費(fèi)用產(chǎn)生影響進(jìn)行分析.文獻(xiàn)[6]基于Matlab/Simulink搭建了新能源電車快速充電系統(tǒng)，采用虛擬同步機(jī)的電動汽車快速充電控制技術(shù)，兼顧快速充電時，通過模擬同步電機(jī)的慣量和阻尼特性進(jìn)行平抑傳輸功率的波動，進(jìn)而改善并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量.文獻(xiàn)[7]考慮了蓄電池特性、充電模式及充電諧波等因素建立計(jì)及時序特性的電動汽車充電站快充諧波分析模型，研究了電動汽車充電站各次諧波及總諧波畸變時序變化規(guī)律.結(jié)果表明，電動汽車充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)量對充電站諧波特性影響明顯，諧波總畸變率呈現(xiàn)明顯的時序特性.文獻(xiàn)[8]計(jì)及周末充電高峰效應(yīng)的私家車充電負(fù)荷計(jì)算方法，并利用 MATLAB軟件搭建了配電網(wǎng)模型，仿真分析了不同規(guī)模電動汽車接入配電網(wǎng)后對節(jié)點(diǎn)電壓偏移、電壓不平衡的影響.此外，還綜合考慮了快速充電與慢速充電、純電式與插入式電動汽車充電對配電網(wǎng)的不同影響，同時考慮了慢速充電在三相均衡充電與不均衡充電模式下對三相電壓不平衡的影響.由此可見，電動汽車的充電特性、蓄電池特性以及充電諧波影響對電網(wǎng)、投入費(fèi)用以及電動汽車性能影響很大[9-10].

為了分析充電方式及整流控制對蓄電池產(chǎn)生的影響，本文基于Matlab/Simulink建立電池、充電控制以及整流模塊，考慮了電流前饋解耦PWM和電壓型PWM不同整流控制策略對整流電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響.此外，通過恒壓、恒流及階段性充電3種不同充電方式對蓄電池充電速率及充電電壓產(chǎn)生影響進(jìn)行仿真分析.

1? ? 電動汽車蓄電池充電建模及仿真

1.1? ?階段充電仿真模型搭建

圖1為Matlab/Simulink軟件中的電動汽車蓄電池充電仿真模型.上部分仿真模型中A、B、C為三相交流電，LC濾波，電流、電壓的檢測，整流橋，以及充電控制;下部分PI控制為電流前饋解耦的整流控制[11-12].

1.2? ?PWM整流模型的搭建

1.2.1? ?PWM整流器

由圖1可知，PWM整流器模型電路由[①]電網(wǎng)三相交流電;[②]功率開關(guān)器件LC濾波;[③]直流側(cè)電路3部分組成.交流電路由交流電動勢e、網(wǎng)側(cè)電感L組成;直流網(wǎng)側(cè)電路主要由負(fù)載電阻Rl、負(fù)載電動勢el組成.整流器的工作原理主要是將三相電網(wǎng)的交流電整流成直流電，通過電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制，減少在整流中的諧波，提高整流效果.

1.2.2? ?PWM整流器模型搭建

普通電壓型PWM整流控制只是單環(huán)控制，存在耦合影響.圖2為電流前饋解耦控制模塊，它是在普通電壓型PWM整流控制的基礎(chǔ)上，增加了電流內(nèi)環(huán)控制.電流內(nèi)環(huán)主要根據(jù)電壓外環(huán)輸出的電流反饋信號來調(diào)節(jié)電流，例如修正單位功率因數(shù)正弦電流;電壓外環(huán)用于調(diào)節(jié)整流器直流側(cè)的電壓，并給電壓內(nèi)環(huán)提供電流指令，電壓外環(huán)為直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)控制環(huán)，電流內(nèi)環(huán)為交流側(cè)電流變換的前饋解耦控制環(huán).電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的相互反饋控制，構(gòu)成了PWM整流器的整個控制，其詳細(xì)控制框圖如圖3所示[13-14].? ? ? ?1.3? ?充電控制方式

1.3.1? ?恒流充電方式

在蓄電池需要充電時，通過用充電設(shè)備保持恒定電流給蓄電池充電方式為恒流充電.如圖4所示，在充電過程中，充電電流一直保持不變，隨著動力電池剩余電量SOC（State of Charge）的增加，充電電壓也隨之增加，一般地，當(dāng)充電電壓達(dá)到蓄電池的充電截止電壓時充電結(jié)束.

1.3.2? ?恒壓充電方式

恒壓充電方式即為充電設(shè)備給予恒定電壓給蓄電池充電. 如圖5所示，在充電過程中，控制充電設(shè)備輸出恒定的充電電壓給動力電池，隨著動力電池在充電過程中SOC容量不斷地增加，充電電流不斷減小.一般地，當(dāng)充電電流減小至蓄電池的涓流截止電壓時，充電結(jié)束.蓄電池恒壓充電的方法易于控制，但恒壓充電方式在充電初期電池等效內(nèi)阻小，充電電流過大，易損壞電池;若取小一點(diǎn)的恒定電壓充電，則會使蓄電池電量不容易充滿.

1.3.3? ?階段性充電方式

階段充電方法即是給蓄電池充電過程中，先恒流充電再恒壓充電方式.考慮到當(dāng)蓄電池的電解水很少時，電阻小，避免了蓄電池過充及充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，在0～t2階段采用恒流限壓充電如圖6所示，當(dāng)蓄電池電動勢上升到一定值時，再轉(zhuǎn)為恒壓限流充電方式如圖7曲線所示.

2? ? 電動車充電系統(tǒng)仿真分析

本文通過Simulink建立電動汽車的充電仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證所提出的幾種充電控制策略的有效性.其詳細(xì)的仿真參數(shù)取值為：交流電源380 V、LC濾波參數(shù)5 mH、給定直流側(cè)電壓800 V.

2.1? ?不同整流控制策略對比分析

圖8縱軸的Udc1為電壓型PWM整流器整流后直流側(cè)電壓，橫坐標(biāo)表示仿真時間.由圖可知，整流后的電壓響應(yīng)速度較慢，且電壓存在波動，需要較長時間才逐漸穩(wěn)定輸出所需要的電壓值.

圖9的縱軸Udc2為電流前饋解耦PWM整流器整流后直流電壓，橫坐標(biāo)為仿真時間.與電壓型PWM整流相對比，一開始電壓經(jīng)短暫振蕩后，迅速穩(wěn)定在設(shè)定的直流電壓值，其波動較小，其整流效果比電壓型PWM的好.

2.2? ?充電控制策略仿真比較分析

2.2.1? ?不同充電控制方法對蓄電池SOC影響

由圖10 —圖12可知，蓄電池充電初始SOC為55.6%.圖10、圖11及圖12分別為恒流充電、恒壓充電及階段性充電1.5 s的蓄電池SOC值分別為56.100%、56.150%及56.175%.3種充電方式的SOC仿真曲線值可知，階段充電方式的充電效率比其他兩種充電方式稍微高.

2.2.2? ?不同充電控制的充電電壓的比較

從圖13—圖15可看出，采用恒流充電控制，在充電過程中電流保持恒定，充電電壓呈非線性曲線上升，但未達(dá)到充電電壓的最大值.而采用恒壓充電控制，充電過程中充電電壓保持恒定.而圖15中的階段充電方式，0～0.8 s區(qū)間的恒流充電階段，充電電流恒定時，充電電壓呈上升趨勢，在0.8 s后采用恒壓充電方式，電壓隨充電電流同時增大，隨后呈非線性曲線下降到恒定值.

綜上所述，在3種充電方式中，階段充電方法更符合馬斯曲線[15].電流同時增大，隨后呈非線性曲線下降到恒定值.

3? ? 結(jié)論

通過Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，電流前饋解耦PWM整流器的整流穩(wěn)定性優(yōu)于電壓型PWM整流器，波動性較小.此外，3種充電控制策略對比可知，在相同的仿真時間內(nèi)，階段充電方式的充電效率高于其他兩種充電方法，且采用恒流限壓、恒壓限流階段性充電方式可以降低蓄電池充電過程中出現(xiàn)的過壓或者過流的風(fēng)險.

參考文獻(xiàn)

[1]? ? ?劉子謙.簡要分析新能源汽車在中國的發(fā)展前景[J]. 時代汽車，2017（24）：44-45.

[2]? ? ?曹王欣，劉東梅，馬洋洋，等.探析電動汽車動力電池系統(tǒng)發(fā)展瓶頸與對策[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（9）：107.

[3]? ? ?國家發(fā)展和改革委員會，國家能源局，工業(yè)和信息化部，等.關(guān)于印發(fā)《提升新能源汽車充電保障能力行動計(jì)劃》的通知（發(fā)改能源[2018]1698號）[EB/OL].（2018-12-01）[2019-07-09]. http：//wemedia.ifeng.com/90855120/wemedia.shtml.

[4]? ?  葛笑寒.基于模糊PID的電動汽車充電控制系統(tǒng)研究[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，31（2）：42-45.

[5]? ? ?蒙紹新，錢科軍，王航，等.考慮諧波的電動汽車充電策略及對配電網(wǎng)電纜載流能力和熱壽命的影響[J/OL].高電? ? ? 壓技術(shù)，（2018-12-01）[2019-07-09].https：//kns.cnki.net/KCMS/detail/42.1239.TM.20190417.1544.005.html？uid=WEEvREdxOWJmbC9oM1NjYkcyQzZ4VHpvVFg5UFZvQnZYTC84MzZicTBXeVc=$R1yZ0H6jyaa0en3RxVUd8df-oHi7

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UZ5SGxWTC9PSkY0PUlpblNaTEc0SDlqTXE0.

[6]? ? ?張怡冰，劉其輝.基于虛擬同步機(jī)的電動汽車快速充電控制技術(shù)[J].電測與儀表，2019，56（10）：14-20.

[7]? ? ?胡畔，吳斌，胡羽川，等.計(jì)及時序特性的電動汽車快充充電站諧波分析[J/OL].高電壓技術(shù)， （2018-12-13）[2019-07-09].https：//kns.cnki.net/KCMS/detail/42.1239.TM.20181212.1420.002.html？uid=WEEvREdxOWJmbC9oM1NjYkcyQzZ4VHpvVFg5UFZvQnZYTC84MzZicTBXeVc=$R1yZ0H6jyaa0en3RxVUd8df-oHi7XMMDo7mtKT6mSmEvTuk11l2gF

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[8]? ? 呂金炳，宋輝，劉云，等.電動汽車充電對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響研究[J].電測與儀表，2018，55（22）：33-40.

[9]? ? 劉勝永，曹括，周翼龍，等.基于SOC的V2G充電樁充放電控制策略研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2019，30（1）：59-66.

[10]? ?余帥，劉勝永，崔志鵬，等.基于V2G充電樁系統(tǒng)DC-DC變換器控制策略的研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2018，29（1）：69-75.

[11]? ?劉坤. PWM整流器控制策略的研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2009.

[12]? ?張勇敢，宋樹祥，廖志賢，等. 電動汽車新型光伏充電樁DC-DC變換器的研究與設(shè)計(jì)[J].廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2018，43（5）：1765-1776.

[13]? ?劉月賢，王天鈺，楊亞宇，等. 電動汽車充放電系統(tǒng)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（13）：70-76.

[14]? ?程啟明，程尹曼，薛陽，等. 三相電壓源型PWM 整流器控制方法的發(fā)展綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（3）：145-155.

[15]? ?邱歡. 鉛酸蓄電池快速充電控制策略研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2017.

Phased charging simulation of electric vehicle based on current

feedforward decoupling PWM

WU Xueying， WEN Chunlan， LIN Chunlan， YAN Zhijian

（School of Vocational and Technical Education， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： The performance of the charging system of an electric vehicle depends on the rectification and charging control， and its charging efficiency and stability have great influence on the life of the? ?battery and its capacity. In order to improve the stability of the rectified voltage output and the charging efficiency of the battery， the rectifier module adopts current feedforward decoupling PWM， which is controlled by the voltage outer loop and the current inner loop to reduce harmonic components in the rectification and stabilize the output voltage. For the charging module control strategy， the phase? ? charging mode is adopted， that is， the constant current limiting voltage charging controlled by the? ? ? current single loop is first used， and when the set voltage value is obtained， the double closed loop? ? control charging mode is switched to the constant voltage current limiting. The electric vehicle battery charging model is realized by Matlab/Simulink， and compared with a single constant current and? ? ? constant voltage charging control strategy. It can be seen from the simulation results that the current feedforward decoupling PWM rectification voltage stability is better than the voltage type PWM. In? ?addition， it is also verified that the phased charge control charging method has less influence on the? ?battery and has higher charging efficiency.

Key words： electric vehicle; PWM rectifier; charge control strategy; stage charge control

（責(zé)任編輯：黎? ?婭）