車載式蓄電池充放電變換器的設計＊

呂常智潘家興謝力華

（1.山東科技大學，青島 266590；2.深圳市伊力科電源有限公司，深圳 518100）

車載式蓄電池充放電變換器的設計＊

呂常智1潘家興1謝力華2

（1.山東科技大學，青島 266590；2.深圳市伊力科電源有限公司，深圳 518100）

為實現簡單快速地為電動汽車蓄電池充電，并將蓄電池作為備用電源設備，研制了一種電動汽車蓄電池充放電變換器。該變換器用較少的元件不僅實現了電動汽車蓄電池的便捷快速充電和作為備用電源進行放電，而且可作為充電樁的補充。針對該變換器的工作原理和控制策略進行了論述，并通過仿真與試驗驗證了該變換器的可行性。

1 前言

隨著電動汽車的普及，需要建設大量的充電設施以實現對電動汽車蓄電池的充電，雖然目前的充電樁建設項目較多，但是還未普及鄉村等邊遠地區，因此如何實現在無允電樁的情況下快速地為電動汽車蓄電池允電成為急需解決的問題[1～4]。目前市場上的車載式充電器和車載式逆變器只有分體式，這種設備不僅功能單一而且占用了電動汽車的空間[5]。為解決上述問題，設計了一種車載式蓄電池充放電變換器（下稱充放電變換器）。該變換器通過插座或電纜與標準市電交流插座連接為電動汽車蓄電池充電，從而實現即插即充；另外，該充放電變換器可將電動汽車蓄電池的直流電逆變為標準的正弦交流電為用電設備提供有效電能。

2 充放電變換器工作原理

該充放電變換器采用的是電壓型全橋變流結構，主要包括前級雙向PWM變流模塊、后級雙向DC-DC變換器以及變換器整體監控系統等，其工作原理見圖1。該充放電變換器的設計采用了可逆變流技術，當其處于充電模式時，通過電網接入單相交流電，由前級雙向PWM變流模塊轉換為穩定的直流電壓，再通過雙向DC-DC變換器降壓后為電動汽車蓄電池進行充電；當其處于備用電源模式時，蓄電池電能經雙向DC-DC變換器升壓后再由前級雙向PWM變流模塊逆變為標準的正弦交流電。充放電變換器工作模式的切換利用物理開關控制。

3 充放電變換器的電路設計

3.1 充放電變換器前級雙向變流電路

為抑制電網側高頻諧波對充放電變換器的干擾，設計添加了LCL結構的濾波器，該濾波器對諧波的衰減能力較強，能夠以較小的體積實現較高的總諧波電流畸變率THDi指標，從而提高該充放電變換器的運行穩定性[6，7]。圖2為充放電變換器的前級電路，包含了LCL結構的濾波器和雙向PWM變流器。

圖2 充放電變換器前級雙向變流電路

雙向PWM變流器在不同工作模式下的工作方式不同，當充放電變換器工作于正常充電模式時，雙向PWM變流器進入PFC整流工作狀態，其將由電網側輸入的正弦交流電壓整定為恒定的直流電壓，并作為充放電變換器的直流母線電壓；當充放電變換器工作于備用電源模式時，雙向PWM變流器作為逆變器工作，其將自直流側吸收的電能逆變成純正弦電壓，蓄電池釋放的電能將被有效利用或回饋至交流電網，從而實現將電動汽車蓄電池作為一個儲備電源和調頻設備。

3.2 充放電變換器后級雙向DC-DC電路

雙向DC-DC變換器可在不同的工作模式下采用不同的控制策略。當充放電變換器工作于整流充電模式時，雙向DC-DC變換器進入Buck變換模式，將直流母線電壓經過降壓轉換為0～370 V的可調直流電壓輸出；當充放電變換器工作于備用電源模式時，雙向DC-DC變換器進入Boost變換模式，它將蓄電池側回饋的直流電能通過高頻升壓轉換為直流母線電壓。充放電變換器后級DC-DC拓撲電路見圖3。

圖3 充放電變換器后級雙向DC-DC拓撲電路

當電動汽車蓄電池需要充電及充放電變換器進入整流充電模式時，開關管T5、D6和電感器協同工作，雙向DC-DC變換器工作在Buck降壓模式。充電回路的電壓基爾霍夫方程為：

式中，Vbus為圖3中直流母線電壓；Vbat為圖3中蓄電池電壓；Id為圖3中蓄電池工作電流；L3為圖3中直流電抗。

由此可得充電回路的傳遞函數為：

式中，τ(s)為電磁慣性時間常數。

當電動汽車蓄電池放電及充放電變換器工作在備用電源模式時，開關管T6、D5和電感器協同工作，雙向DC-DC變換器工作在Boost升壓模式。放電回路的電壓基爾霍夫方程為：

備用電源回路的傳遞函數為：

4 充放電變換器控制策略

4.1 雙向PWM變流器的控制策略

當充放電變換器穩定運行時，雙向PWM變流器交流側輸入功率與直流側的輸出功率平衡，忽略損耗，則:

由此可得：

式中，Va、Ia分別為圖2中交流輸入端電壓與電流的有效值；Vbus、Ib1分別為圖2中母線整流電壓與直流母線電流；Kt為變流器的交流輸入側與直流輸出側之間的傳遞系數。

當充放電變換器處于穩定運行時，雙向PWM變流器的直流母線電流符合基爾霍夫電流方程：

式中，Ic1為直流母線電容的電流；Id1為經過直流母線電容C后的輸出電流；C1、C2為兩個并聯在直流母線上的電容。

通過調節控制環內環的電流，可以控制直流側電容的電流，從而調節直流母線電壓；控制外環采用了直流電壓環，可減小直流母線電壓的波動，提高充放電變換器的運行穩定性。雙向PWM變流器的雙閉環控制結構如圖4所示。圖4中，Vbus_ref為整流母線的基準電壓；Vout為實時采集的逆變輸出電壓；Vout_ref為逆變輸出電壓的基準電壓。

圖4 雙向PWM變換器的雙閉環控制結構

4.2 雙向DC-DC變換器的控制策略

雙向DC-DC變換器在不同工作模式下采用不同的控制策略。為了減小充放電變換器運行中存在的穩態誤差，雙向DC-DC變換器對蓄電池進行充電與放電的控制過程中，均采用電流環與電壓環相結合的雙閉環控制方式，而且添加了PI調節功能[8～11]。當電動汽車蓄電池進行恒壓充電時，為了保證蓄電池充電電壓的恒定，控制外環選擇電壓環，控制內環選擇電流環；當蓄電池進行恒流充電或放電工作時，直流的電壓外環不工作，只有電流內環起作用。雙向DC/DC控制結構如圖5所示。圖5中，Vbat_ref為蓄電池電壓的基準電壓，Vbus_ref為直流母線電壓的基準電壓。

5 仿真與試驗結果分析

為了驗證該充放電變換器的可行性，利用軟件PSIM建立了充放電變換器的功率電路仿真模型。不同模式下充放電變換器的設計指標分別見表1和表2。

圖5 不同模式下雙向DC/DC控制結構

表1 充放電變換器充電模式設計指標

表2 變換器備用電源模式設計指標

5.1 蓄電池充電仿真

當充放電變換器處于穩定的充電模式時，交流輸入電壓與交流輸入電流的相位、頻率保持同步。功率因數近似為1，能量流動方向為由電網側流向電動汽車蓄電池側。表3為充放電變換器穩定運行時功率因數、有功功率和THDi仿真測試結果。

表3 充電模式下功率因數、有功功率和THDi仿真測試結果

圖6為充放電變換器充電模式下直流母線電壓波形與蓄電池電壓波形，圖7為充放電變換器在充電模式下蓄電池充電電流波形。由于在仿真中對充電電流進行0.1倍采樣，所以充電電流保持在10 A左右。由圖6和圖7可知，該充放電變換器能夠實現對蓄電池進行恒流和恒壓充電。

圖6 充放電變換器在充電模式下直流母線電壓與蓄電池電壓波形

圖7 充放電變換器在充電模式下蓄電池充電電流波形

5.2 蓄電池放電仿真

圖8為充放電變換器在備用電源模式下逆變時的直流母線電壓Vbus波形，圖9為充放電變換器在備用電源模式下逆變輸出交流電壓VP3與電流Iout波形。由圖可知，當充放電變換器工作于備用電源模式并且穩定運行時，電動汽車蓄電池進行放電，充放電變換器逆變的輸出電壓與輸出電流的相位保持同步，功率因數近似為1，能量流動方向為由電動汽車蓄電池側流向用電設備側[12，13]。表4為充放電變換器穩定運行時的功率因數、有功功率和THDi仿真測試結果。

5.3 充放電變換器性能測試

圖10為充放電變換器突加負載和突卸負載時的變化波形。由圖10可看出，在突加負載和突卸負載時直流母線電壓波動較小，恢復很快，突變電壓在0.001 s內恢復正常，符合設計要求。

圖8 充放電變換器在備用電源模式下直流母線電壓波形

圖9 充放電變換器在備用電源模式下逆變輸出電壓、電流波形

表4 備用電源模式下功率因數、有功功率和THDi的仿真測試結果

圖10 突加負載和突卸負載時電壓與電流的瞬時波形

5.4 硬件平臺試驗測試

根據前述分析搭建車載式蓄電池充放電變換器的實物測試環境。設置交流側為標準市電電壓220 V，頻率為50 Hz。根據某電動汽車動力電池的要求，并且考慮蓄電池的浮充電壓，該充放電變換器的蓄電池充電電壓設定為370 V。電動汽車蓄電池容量設定為3 kW，交流電抗為2 mH，直流母線電壓為650 V，直流母線電容為10 000 uF/1 000 V。大功率開關器件選用Infineon的FF750R12ME4型IGBT，開關頻率為20 kHz。測試樣機如圖1所示，試驗結果如圖12～圖14所示。

圖11 車載式蓄電池充放電變換器實物照片

圖12 充電模式下直流母線電壓波形

圖13 備用電源模式下輸出電壓與電流波形

當充放電變換器處于穩定的充電模式時，其功率因數、有功功率和THDi的實際測量結果如表5所列；當充放電變換器處于穩定的備用電源模式時，其功率因數、有功功率和THDi實際測量結果如表6所列。

由圖11可看出，實測的穩定電壓為650 V，與仿真測試的電壓值相符，符合設計目標要求；由圖12可看出，經過充放電變換器的逆變輸出電壓和電流波形符合標準正弦波波形，頻率為50 Hz，輸出電壓有效值為220 V，與仿真的電壓波形和數據（圖7b）一致；由圖13可看出，充放電變換器在遇到突加負載與突卸負載時，電壓恢復時間平均為0.003 s，與仿真數據基本相符。通過對比表1～表6可知，充放電變換器在充電模式下和備用電源模式下的各項試驗數據均符合設計指標要求，上述結果表明，該充放電變換器的設計實現了預期的功能和可行性目標。

圖14 備用電源模式下多次突加負載與突卸負載時輸出電壓與電流波形

表5 充放電變換器處于充電模式下的功率因數、有功功率和THDi的實際測試結果

表6 充放電變換器處于備用電源模式下功率因數、有功功率和THDi的實際測試結果

6 結束語

本文設計研制了一種新型的車載式電動汽車蓄電池充放電變換器。該變換器僅用較少的元件，實現了電動汽車蓄電池的便捷快速充電和作為備用電源進行放電，并且可作為充電樁的補充。通過理論分析、試驗仿真研究驗證了該車載式蓄電池充放電變換器的可行性。

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（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2016年8月11日。

The Design of Charging and Discharging Converter for On-board Storage Battery

Lv Changzhi1,Pan Jiaxing1,Xie Lihua2
（1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590;2.Shenzhen Ecowatt Power Co.,Ltd., Shenzhen 518100）

In order to charge the electric vehicle storage battery simply and rapidly,use the storage battery as a backup power supply unit,we developed an electric vehicle battery charging and discharging converter,which is not only used with less components to charge electric vehicle battery conveniently and quickly,served as the standby power supply for discharging,but also used as a supplementary of charging point.This paper discussed the working principle and control strategy of the converter,and verified feasibility of the converter through simulation and experiment.

Electric vehicle,Storage battery,Charging and discharging inverter

電動汽車 蓄電池 充放電變換器

U463.63+3

A

1000-3703（2016）12-0007-05

中國博士后科學基金項目（2012M521361）；山東省青年科學家基金項目（BS2012DX034）；山東省自然科學基金項目（ZR2013CQ017，ZR2012EEM021）；山東省高校科技計劃項目（J13LN17）；山東省高等學校青年骨干教師國內訪問學者項目經費資助。