并網能量回收動力電池組測試系統拓撲及其控制

龍 波 李迅波 郝曉紅 黃 波 周曉東 郎曼江 胡慶華

（1.電子科技大學機械電子工程學院 成都 610054 2.川慶物探公司國際勘探事業部 成都 610213 3.四川華能涪江水電有限責任公司 成都 610021 4.四川寶石機械成都裝備制造分公司 成都 610051）

1 引言

近年來隨著電動汽車技術的快速發展，電動汽車用電池的參數和性能直接影響著電動汽車技術的普及。如何評價電動汽車用電池的性能成為了電動車電池技術發展的關鍵。目前，電動汽車動力電池組測試系統（Power Accumulator Battery Pack Testing System，PABPTS）正是用來評價各類動力電池組性能的設備。它可以對動力電池組進行恒流、恒壓、恒功率和內阻測試。

該設備參數通常需要滿足如下要求[1,2]：①高電壓，大電流的輸出能力（比如450V/500A，225kW）；②全量程范圍的電壓和電流測試能力；③可調節測試電流從零到設置值的響應時間必須控制在 15ms的范圍內；④高功率因數、低總諧波的網側電流；⑤具備能量回饋的能力，放電能量可以高效率的回饋到電網以供網側其他負載使用。

從當前動力電池組測試系統的現狀而言，大多采用的是非并網型的測試系統，為得到高精度的測試電流，現有技術基本思路是使得放電測試用功率器件工作在線性放大區，將放電測試能量用功率電阻損耗掉。該方法的優點是精度高，響應速度快、電流諧波小，缺點是功耗大、能量不能回收再利用，不能測試較大的放電電流。

針對動力電池組放電的能量回收控制極其設計方面，前期已經做了一定的工作[3-6]。本文將在前期的工作基礎上繼續研究并提出一種無變壓器型的動力電池組測試系統拓撲結構，該拓撲中所有功率器件均功率在開關狀態，同時具備較低的導通和開關損耗，由于采用了多電平逆變技術，其輸出電流諧波含量小，另外系統中沒有工頻變壓器，使得其并網效率大大提高。改進的功率主電路拓撲可以實現大范圍、高精度的恒壓、恒流、恒功率等測試，并且可以將放電能量直接回饋到電網，在實現電池測試的同時達到了節能的目的。

2 并網無變壓器動力電池組測試系統拓撲

2.1 系統的拓撲結構

圖1 中給出了能量回收動力電池組測試系統的結構框圖，其主要由以下幾個部分組成：①待測試串聯動力電池組vbat；②升/降壓電流濾波電感L；③非隔離雙向DC-DC 半橋變換器；④直流母線側電解電容Cdc；⑤三相電壓源型二極管中點電壓鉗位型三電平AC-DC 半橋變換器；⑥逆變器輸出電流濾波器；⑦動力電網vg。

圖1 并網動力電池組測試系統結構框圖Fig.1 Block diagram of the proposed grid-connected energy recovery power accumulator battery pack testing system

系統采用二極管中點電壓鉗位型三電平逆變器的主要目的是降低功率器件開關應力、改善輸出電流總諧波含量，使得濾波器體積降低，縮小系統的體積和重量，同傳統的兩電平逆變器加外置工頻變壓器以及電流濾波器的方案相比，具有更多的優勢。

2.2 系統工作原理

動力電池組測試系統的工作原理主要包括兩個方面：充電模式和放電模式，充電模式主要用來模擬電動車在剎車制動情況下動力電池組接受充電電流的能力。目前，電動車輛的控制器大多采用了再生制動控制策略，將剎車制動的能量經升壓控制后回收到蓄電池中，這樣可以延長蓄電池一次充電行駛里程。充電模式模擬了制動能量回收對蓄電池充電情況。此時，動力電網經過電流濾波器以及三相PWM 整流器進行單位功率因數升壓整流控制（cosθ=1）后，再經雙向DC-DC 變壓器對蓄電池組進行高精度充電控制，該狀態下充電電流方向如圖2 中的實線箭頭所示。

放電模式主要用來模擬電動車輛在啟動、加速、爬坡等情況下動力蓄電池組的供電能力，由于瞬間大電流放電會帶來電池組發熱、使用壽命降低等問題，因此需要對動力電池組的瞬間大電流放電能力進行評估。當動力電池組做放電測試時，動力電池組通過Boost 變換器，在實現恒流放電的同時將低壓直流信號升壓至并網逆變器所需要的最小直流母線電壓，當直流母線電壓達到設定值時，通過對三相并網逆變器的單位功率因數控制（cosθ=-1），實現輸出電流濾波后并網發電。該狀態下的放電電流方向如圖2 中虛線箭頭所示。

圖2 并網動力電池組測試系統充放電工作原理Fig.2 Operation principles of the grid-connected energy recovery PABPTS under charging and discharging mode

3 復合主電路功率變換器及其控制

圖3 給出了充放電控制部分的主電路結構，可以看出，由于直流母線部分含有大量的電解電容以維持直流母線電壓的穩定，同時可以作為無功能量的緩沖，因此，DC-DC 變換器和AC-DC 變換器是解耦的，可以進行獨立控制。下面對這兩個主電路的控制策略進行分別介紹。

圖3 恒流測試工作模式下Boost 變換器連續放電測試模式下工作原理Fig.3 Operation principle of Boost converter under continuous discharging current testing mode

3.1 恒流放電模式下Boost 變換器控制

由于系統中兩套主電路是解耦的，故而將Boost變換器部分分離出來分析，得到如圖3 所示的主電路結構。其中iref代表設定的放電電流參考指令值，vbat是串聯動力蓄電池組端電壓，L 是變換器升壓電感，vc代表直流母線電容端電壓；idis代表動力電池組放電電流。圖3 中給出了VT6分別在導通和關斷情況下電池組放電電流方向，關于Boost 變換器連續電流工作模式下的數學模型、電抗器參數設計和控制器的設計技術已經比較成熟，并在文獻[3]中進行了詳細說明，此處不再贅述。

3.2 并網逆變器控制策略

為由文獻[7]可知，三相并網逆變器在dq0 坐標系下的數學模型為

式中，id、iq為并網有功和無功電流分量；i0為零電流分量；R 為線路等效電阻；L 為網側并網電感；Dd、Dq分別為dq 坐標系下等效控制占空比；ed、eq為dq 坐標系下電網的等效輸入電壓分量；vdc為直流母線電壓；L 為并網電感；將Dd和Dq分別與直流母線電壓相乘得到等效輸入電壓vd、vq，于是式（1）可以改寫為

為簡化分析，在式（2）中，令

得到dq 同步旋轉坐標系下有功和無功軸的等效控制占空比為

將式（2）、式（3）和式（4）相結合，得到電流內環控制框圖如圖4 所示。其中，sd、sq分別為閉環dq 軸電流誤差，Gd(s)、Gq(s) 為dq 坐標系下有功、無功電流控制器。圖4 中可以看出，id、iq一個相互耦合的系統，為了實現兩者獨立控制，需要進行系統解耦，此時需要引入ω0L、ed*、eq*三個變量，得到解耦后的系統電流內環控制結構框圖如圖5 所示。

圖4 解耦前電流內環控制結構框圖Fig.4 Block diagram of the inner current closed loop before decoupling

圖5 解耦后電流內環控制結構框圖Fig.5 Block diagram of the inner current closed loop after decoupling

從圖5 中可以看出，通過解耦，dq 同步旋轉坐標系下的有功、無功電流分量可以分別進行獨立控制。圖6 給出了無隔離變壓器并網型的能量回收動力電池組測試系統控制框圖，其主要由兩個大的部分組成，一個雙向DC-DC 變換器和一個三相電壓源型的并網逆變器。DC-DC 變換器根據測試需要主要實現恒流、恒壓和恒功率放電測試，在動力電池組放電的同時，會導致直流母線電壓的升高，如果直流母線電壓不能得到有效控制，必然導致直流側功率器件出現過壓擊穿。因此，在三相逆變器側，采用電壓外環電流內環的雙閉環控制方案，并網電流的指令值由直流母線電壓外環的輸出決定。并網逆變器側主要包括相電壓、相電流檢測模塊，鎖相環模塊用來檢測當前電網合成電壓矢量的位置信號。有功和無功電流檢測單元用來實現并網有功和無功電流的解耦控制。并網逆變器調制策略采用空間矢量調制，從而保證最大直流母線電壓的利用率。由于采用了LCL 型濾波器，使得其比傳統的L 和LC 型的濾波器具備更小的體積，輸出電流諧波進一步降低。文獻[8]給出了LCL 型濾波器的參數設計方法，文獻[9]給出了LCL 濾波器的振蕩抑制方法。

通過這種方法，動力電池組放電測試能量就通過三相并網逆變器回饋到電網，達到了實現放電測試目的同時實現了能量的回收，大大節約了測試用電功耗，提高了效率。該系統對于大功率充放電測試設備而言，具有更加重要的意義。

圖6 并網動力電池組測試系統控制系統結構原理框圖Fig.6 Schematic and control diagram of the proposed grid-connected energy recovery PABPTS

4 實驗及其結果分析

為了驗證前面提出的控制系統方案的有效性，本文搭建了一套175kW 的雙通道動力電池組測試系統硬件平臺。其中，并網逆變器部分實驗所采用的器件參數、動力電池組參數、雙向DC-DC 變換器以及雙向AC-DC 變換器參數如附表1 和附表2所示。IGBT 驅動芯片采用隔離光耦，型號為HCPL—316J，并網相電流采樣采用LT108—S7，核心控制CPU 采用TI 公司TMS320F28335，其具備強大的浮點運算能力和豐富的外設單元，非常適合該系統的應用。直流母線電壓參考設定為900V，動力電池組由10 節12V/200AH 的鉛酸蓄電池組串聯組成。系統可以同時對兩組動力電池組進行同時充放電控制，提高了測試效率。

系統中，并網逆變器部分電流內環比例積分PI控制器參數設置為 kP=0.04，積分時間參數為T=0.012。電流采樣頻率設置為50μs。圖6 中PI 調節器的連續系統傳遞函數表達式為

圖6 中有功和無功電流分量控制采用相同的控制器。實驗結果如圖7～圖10 所示。

圖7 恒流放電測試電流響應Fig.7 Time response of discharging current

圖8 直流母線電壓、電流波形圖Fig.8Waveforms of DC-link voltage (vdc) and current (idc)

圖9 放電情況下有功、無功電流分量響應Fig.9 Time response of the active and reactive current component (id,iq) under discharging mode

圖10 并網相電壓、相電流波形Fig.10Waveforms of grid-connected phase current and voltage

圖7 給出動力電池組放電測試電流響應曲線，在20ms 時刻，放電電流指令值為200A，從實驗結果中可以看出，實際反饋電流在出現一定的超調后很快收斂至指令電流值，峰值電流達到225A 左右。60ms 時，指令值改變為100A，可以看出放電電流同樣在一定的超調之后收斂于指令值。

圖8 給出直流母線電壓、電流的波形響應。直流母線電壓外環指令值設定為900V，可以看出，在動力電池組放電電流指令值由200A 變成100A 時，直流母線電壓突然下降，然后回升值指令值，從直流母線的電流響應可以看出，這是由于直流母線側電流降低，直流側電容充電速度變慢所致。

圖9 給出網側有功、無功電流響應曲線，可以看出，通過解耦控制方法，可以分別對并網有功和無功電流分量進行控制，同時可以看出所設計的控制器在并網電感參數從1～0.67mH 之間變化時，依然可以實現比較好的穩定性。

圖10 給出了并網相電壓和相電流的響應波形，從實驗結果可以看出，電流內環響應速度快，相電流和相電壓很好的保持同步，實現了單位功率因數的控制，達到了系統的性能要求。

5 結論

針對傳統的以能耗功率電阻作為放電負載的動力電池組測試系統存在的功耗大、發熱嚴重、能量浪費的問題，將并網發電技術與動力電池組測試技術相結合，提出了一種并網型能量回收動力電池組測試系統。分析了拓撲結構、并網側逆變器電流內環解耦控制策略。實驗結果表明，該方案可以實現動力電池組恒流、恒壓和恒功率等測試，具有響應速度快、測試范圍寬、電流諧波含量低、回收效率高等特點，滿足了動力電池組放電節能的需要，具有重要的意義。

附 錄

附表1 并網部分AC-DC 變換器實驗采用的器件參數App.Tab.1 Component parameters used for in AC-DC converter

附表2 實驗中采用動力電池組及逆變器參數App.Tab.2 Power accumulator and AC-DC inverter parameters used in experiment

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