電動汽車充電器的平均值模型

楊夢勤+陳慶

摘要： 由于電動汽車（EV）電池的負載電路需要準確的充電系統(tǒng)表示法，因此必須構(gòu)建合適的模型對充電器進行評估分析。本文提出了一種通用EV充電器模型，并研究了評估配電電壓的調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量的問題。該模型的開發(fā)是基于平均值模型（AVM）方法而提出的。針對切換模型驗證了提出的AVM模型的有效性，且發(fā)現(xiàn)電動汽車充電設(shè)施的實際測量報告與電動汽車充電器的狀態(tài)是非常準確逼近的。

Abstract： Because the load circuit of electric vehicle （EV） battery needs accurate charging system representation， it is necessary to construct the appropriate model to evaluate the charger. This paper presents an optimized universal EV charger model， and studies the evaluation of distribution voltage regulation and power quality problems. The development of this model is based on the mean value model （AVM） method. The validity of the proposed AVM model is verified for the switching model， and it is found that the actual measurement report of the electric vehicle charging facility is very accurate with the state of the electric vehicle charger.

關(guān)鍵詞： 充電器；電能質(zhì)量；AVM模型

Key words： charger power；quality；AVM model

中圖分類號：U469.72 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0092-02

0 引言

為了提高對EV負載上配電電壓的認識，必須開發(fā)一個典型的EV充電器模型。本文為電動汽車充電器設(shè)計一個平均值模型，并針對切換模型驗證此模型的有效性。EV充電電路是由一個帶功率因數(shù)校正級（PFC）的升壓轉(zhuǎn)換器的單相整流器，以及與電池的交流電源絕緣的DC-DC變換器組成[1]。一種適用于大多數(shù)EV負載的模型正在開發(fā)，但這種模型不能代表設(shè)備級模型的特征，其主要目的是評估系統(tǒng)中諧波對于EV負載的影響[2]。目前針對1級（120V/12A）電池充電器已經(jīng)出現(xiàn)了一種復(fù)雜的EMTP-RV模型或者開關(guān)模型。

商用EV充電器配備脈寬調(diào)制（PWM）控制以調(diào)節(jié)電源側(cè)的電流波形為正弦波。已開發(fā)的AVM模型不帶PWM控制，故電流波形不能準確呈現(xiàn)。故本文建立了一個基于時域切換模式的配備PWM控制的EV充電器的平均值模型。通過EV充電設(shè)施的實際測量報告和仿真實驗驗證了該模型的有效性。

1 電動汽車電池充電器

電池充電器從電能供應(yīng)電源處獲取能量并將能量傳送給電池組。因為電能傳送到電池的方式對于電池壽命至關(guān)重要，所以充電器還包括用于電池電源管理的控制電路[3]。

EV充電器由三部分構(gòu)成。第一部分是由一個輸入濾波器和全橋整流器構(gòu)成。第二部分是由一個PFC的升壓變換器構(gòu)成。此升壓變換器須將輸入電壓升高至與電動汽車電池電壓兼容的電壓水平（300-400V）。第三部分的DC-DC變換器將電池與電源供電系統(tǒng)進行隔離，它由一個連接到輸出終端的帶低通濾波器的全橋正向DC-DC變換器組成。

2 通用時域電動汽車充電器模型

對1級電池充電器的通用時域模型進行仿真。2級充電器的AVM模型也用此方式開發(fā)。對2級充電器，除了將交流電壓轉(zhuǎn)變成240V外，假設(shè)所有電路參數(shù)不變。

一個330V-10kWh的鋰電池作為負載。該情況下使用的電池模型是一個384V的直流電壓電源接一個0.1Ω的串聯(lián)電阻。

為了評估EV充電器對配電電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，DC-DC變換器和電池負載可通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮鑱硖娲?級EV充電器的等效電阻可通過測量電壓的均方根值和DC-DC變換器終端的輸入量來驗證。負載電壓Vload的均方根值是370V且負載電流iload的均方根值為3.64A，得出的等效電阻為101.65Ω。同理，2級EV充電器的降階模可通過DC-DC變換器和電池負載替代仿真得出等效電阻為58Ω。

3 EV充電器的平均價值模型

EV充電器的組件可分為兩個模塊，即整流模塊和升壓變換器模塊，分別用于獲得低紋波的直流電壓和進行功率因數(shù)校正。

為了將AVM模型的設(shè)計分兩個階段進行，需要一種隔離兩個模塊的方式。該升壓變換器的電感被分為相等的兩部分（Lb和Ldc）且將一個非常低的電容（Cdc）引入到兩個階段中。因為引入的電容非常低，所以EV充電器的整個電路的性能仍不受影響。

4 模型驗證

該系統(tǒng)通過以下實驗進行研究，主要包括EV充電器對切換模型的仿真和驗證。

充電系統(tǒng)電源電壓的均方根值為Voc=120V。為了仿真降階模型，DC-DC變換器和電池負載由一個102Ω的等效負載電阻來代替。對AVM模型，PWM控制需要使電池的充電電壓維持在370V。

整流的直流電流（idc）波形的峰值是17.5A，對應(yīng)AVM模型的交流電流波形為正弦波，這與切換模型是一致的。故電源側(cè)交流電流根據(jù)1級EV充電器的要求其均方根值接近12.3A。由所提出的AVM模型產(chǎn)生的圖形與切換模型所產(chǎn)生的圖形幾乎重疊，所以驗證了AVM模型的有效性。但由不帶PWM控制的AVM模型產(chǎn)生的交流電流波形不是正弦波且與切換模型嚴重偏離。由所提出的AVM模型產(chǎn)生的直流電流（idc）的波形與切換模型產(chǎn)生的半正矢波形幾乎重疊。所以，雖然不帶PWM控制的AVM模型能夠準確表示電流的均方根值，但它不能準確表示電流波形的瞬時值。因此提出的AVM模型有顯著的改進并比較精確的模仿了充電器的行為。

5 結(jié)論

提出的AVM模型用于評估各種負載情況下的反應(yīng)。該模型與切換模型相比以了解它如何很好地接近時域仿真。AVM模型對實際測量的EV充電設(shè)施也進行了驗證。本文驗證了所提出的AVM模型在穩(wěn)態(tài)運行期間非常準確的接近EV充電器的模型。此外，分析表明所提出的AVM模型在不包括PWM控制的情況下相較于之前的AVM模型對電能質(zhì)量有顯著的提高。

研究結(jié)論認為AVM模型準確地表示了EV負載在充電時對于二次側(cè)設(shè)備電壓分布的影響。因此，提出的AVM是一種高效代表EV電池充電器的電壓質(zhì)量分析的模型。

參考文獻：

[1]M.Chris， M. M. Abul， and G. David， Power Electronics in HEVs： Plug-in Hybrid Electric Vehicles， in Hybrid Electric Vehicles： Principles and Applications with Practical Perspectives. Chichester， UK： Wiley， 2011.

[2]歐陽劍，李迪，柳俊城.電動汽車用動力電池模型的研究綜述[J].機電工程技術(shù)，2015（12）.

[3]王斌，徐俊，曹秉剛，李其玉，楊晴霞，寧博.電動汽車的多模式復(fù)合電源能量管理自適應(yīng)優(yōu)化[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2015（12）.endprint