新能源汽車準快速充電裝置抑制紋波電壓方法研究

周旭 ZHOU Xu

（遼寧開放大學，沈陽 110161）

1 新能源汽車充電裝置現狀

隨著新能源汽車產業迅猛發展，新能源汽車2023 年年產銷量雙雙邁入950 萬輛規模，市場占有率達到31.6%。不僅如此，為新能源汽車的商業化而構建的充電裝置基礎設施與新能源汽車的并行發展，正在積極進行。新能源汽車充電基礎設施目前主要集中在中型以上城市的住宅園區、其他各種公共場所和高速公路服務區等地。目前，主要新能源汽車主要使用的充電設施為，家庭使用的3.3 或6.6 千瓦級緩速充電器和用于充電站的50-60 千瓦級快速充電器。快速充電器可在15～25 分鐘將SOC10%左右電量充至80%以上。但在進行快速充電時，充電電流一般在幾十安培甚至上百安培之間，除了需要大容量的充電設備外，在實際對新能源汽車進行充電時，能量利用率也會比預期值低，更重要的是長期大電流充電對鋰離子動力蓄電池的使用壽命有較大影響。慢速充電器是在新能源汽車上直接搭載的3.3 千瓦或6.6 千瓦級的On Board 類型，使用普通家庭用220V 電源為車輛充電。充電時間一般為8～12 小時，以SOC100%充電為目標，充電時間過長。因此，無論是家用慢充設備還是公共場所的快充設備都不是未來新能源汽車充電裝置的發展方向。

目前新能源汽車用充電器的充電時間以標記車用動力電池SOC 的0%到100%的時間為原則，但實際上，從新能源汽車使用者的立場上看，并不是在SOC0%的范圍內尋找充電站，而是在SOC3%～SOC50%的范圍內尋找充電站。因此，準快速充電器即10 千瓦級充電器的研究和普及應用，成為當前新能源汽車充電裝置研究的首要課題。

2 準快速充電器開發所面臨的問題

2.1 新能源汽車交流充電系統整流后紋波電壓產生機理及危害

新能源汽車交流充電過程中，通過濾波電路和整流電路完成220V 交流電整流后，在整流系統輸出直流母線會產生二次紋波電壓。其主要原因是開關電源輸出存在著周期性脈動造成。這里采用AC220V 單相交流充電器整流器前輸入電壓作為參考，假設u1（t）為交流輸入電壓，i1（t）為交流輸入電流，L1為交流輸入電感，而且交流輸入電壓和交流輸入電流均為發生畸變都是正弦波形，二者電壓和電流為

式（1）和式（2）中U1、I1分別為交流輸入峰值電壓和電流；ω 為交流輸入的基波角頻率；φ 為電流之后電壓的相位角，為了分析簡單，假設φ=0 即功率因數為1。

由式（1）和式（2）可以得出，整流系統前輸入瞬時輸入功率p1（t）和滯留在電抗器上的功率pL（t）為：

為了分析簡單，整流系統內的各功率開關元件、儲能元件均為理想型，導通電阻、電壓降、寄生參數等均為0，電感電容內的電流均為線性變化，整個整流換相過程中功率損耗為0。

因此，整流系統輸入功率Pin（t）為：

通過對式（5）進行分析，新能源汽車交流充電內的整流系統輸入功率可以分為兩個部分：第一部分可以視為穩定的直流功率此部分穩定直流功率用于整流系統后級負載直流變換器提供有功功率；第二部分為波動的紋波功率，此部分中的大小正比于交流輸入峰值電流和電感。

正是由于上述紋波功率使得交流充電系統整流器后部直流母線電容電壓出現紋波電壓uw（t），所以需要對這部分波動的紋波電壓進行提取和補償。因此，交流充電系統整流后的直流輸出電壓uout（t）可表示為：

式中，Uout為交流充電系統整流后直流母線穩態直流分量。

交流充電系統整流后瞬時輸出功率為：

式中，C 為整流系統輸出直流母線電容，Iout為整流系統輸出直流母線平均電流。

在理想情況下，交流充電系統整流器的輸入功率與輸出功率相同，二者的穩態直流分量和波動的變化分量分別相同。

由式（9）可求出紋波電壓uw（t）的表達式：

通過式（10）可知，新能源汽車交流充電系統整流器的實際輸出電壓含有2 倍220V 交流電網角頻率的電壓紋波分量，從而造成在車載交流充電系統后續DC/DC 變換過程中，產生波形的諧波分量，降低充電效率。如果由于電網頻率波動過大或其他問題，造成紋波頻率過高，還可能產生浪涌現象，導致交流車載充電機內部電氣設備加速設備老化，動力蓄電池總成發熱量增高。

因此，提取補償抑制新能源汽車交流充電系統紋波電壓是提高充電效率和交流充電功率、減小動力蓄電池總成充電時額外溫升問題以及縮短交流充電時間的有效措施。

2.2 新能源汽車交流充電原理

當前，新能源汽車交流充電方式如圖1 所示，通過EMI 濾除電磁干擾波。220V 單相交流電通過全橋整流電路整流成直流電。在整流過程中只有在220V 交流電壓的正負峰值附近，二極管才導通，產生脈沖電流，造成電源功率因數降低。因此，在整流電路后面加上一個升壓的boost拓撲結構。于是，通過PWM 占空比控制電子開關管的導通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。在這個電路中，PFC 電路中電感L 在開關管導通時儲存能量，在開關管截止時，電感L 上感應出右正左負的電壓，將導通時儲存的能量通過升壓二極管對大的濾波電容充電，輸出能量。在此過程中將整流后的直流電壓斬波成交變的高頻電壓。交變的高頻電壓通過LLC 電路中的變壓器升壓到合適的充電電壓后通過整流二極管整流成直流電，充入動力蓄電池中。LLC 電路通過軟開關技術，可以降低電源的開關損耗，提高功率變換器的效率和功率密度，減少紋波電壓對充電系統的影響。

圖1 交流充電機電路原理示意圖

在現有的3.3 千瓦和6.6 千瓦級的交流充電器中，交流充電器電源部分主要由PFC 電路和LLC 電路兩部分組成。通過工作機理分析，實際上我們可以把PFC 電路看作是AC/DC 電路，而把LLC 電路看作是DC/DC 電路。但是在進一步提高充電功率的同時，充電電流會進一步升高，充電電流從原來的10A 左右升高到20A 以上時，充電系統紋波電壓會隨著電流的升高而升高。因此，研究能夠有效抑制補償紋波電壓的方法是提高交流充電功率的一種途徑。

3 有源電力濾波器紋波電流補償抑制控制

3.1 并聯有源電力濾波器

通過并聯有源電力濾波器補償充電裝置充電功率增加后的紋波電流，圖2 所示，為項目研究提出的有源電力濾波器模式控制框圖。并聯有源電力濾波器設計用于通過電流控制器檢測負載電流中的無功功率分量和紋波分量，通過檢測相反相位的電位值，將其直接輸入系統，使從非線性負載輸入的紋波電流得以減少。

圖2 并聯有源電力濾波器模式控制框圖

電壓控制器負責通過切換有功功率和逆變器以及電容器的漏電電流等來控制直流電壓。放電系統的dc_link是通過電壓傳感器來補償生成q 軸電流命令。測量后，通過低通濾波器，以降低交流紋波含量。如果沒有通過低通濾波器，那么高壓控制器中含有紋波分量，則除了先前檢測到的紋波外，它還會產生噪聲分量，并且系統整體性能將會降低。有源電力濾波器的輸入電流通過功率因數控制對紋波和無功功率進行補償。當按速率進行控制時，轉換器dc_link 側的功率如下：

式中，如果直流側的實際電壓與基準電壓同時保持，則轉換器的輸入/輸出電流比為該位點的增益可以近似，如式（12）所示。

式中，通過PI（Proportional-Integral）控制器的同步坐標系q 軸電流分量如式（13）所示，會形成更多的紋波補償電流。

公式（14）為，假設電流控制器的增益為1 時，反饋控制器的傳遞函數。

3.2 低通濾波器提取紋波

圖3 為同步坐標系上的紋波提取模型框圖，為了提取紋波，首先將三相靜止坐標系非線性負載電流轉換為兩相同步坐標系。如果我們將較低的電流轉換為同步坐標系，假設功率因數為1，則基波分量具有恒定的直流值，紋波分量部分即被提取。

圖3 同步坐標系上的紋波提取方法模型框圖

同步坐標系非線性負載電流q 軸分為基波分量和紋波分量。此時，可以使用低通濾波器來提取基波分量或紋波分量。式（15）表示使用低通濾波器提取的直流分量提取紋波。

3.3 有源電力濾波器紋波補償

測量的三相非線性負載電流和轉換器側電流以及三相輸入電壓可以利用坐標變換轉換成同步坐標系。這里，三相電壓被用于檢測功率因數控制相位角信息的pll（Phase Locked Loop）。變換的非線性負載同步坐標系q 軸在經過低通濾波器后，輸出去除紋波的直流成分。如果在過濾前非線性負載的q 軸上去掉低通過濾波器的輸出成分，就只能提取紋波成分。而變換的非線性負載的同步坐標系d軸為了獲得相反的相位被反轉。這里提取的同步坐標系q軸的紋波成分和反轉的d 軸分別成為補償電流的指令值，表達式如下：

式（16）的補償電流指令值分別輸入電流控制器。也就是說，為了有源電力濾波器能夠實時追蹤到非線性負荷所提取的補償電流成分，實施PWM 變換器系統電流的相位及大小控制。在這里，作為電流控制的控制器，在同步坐標系中使用了PI 控制器。最終，并聯有源電力濾波器的電壓命令為式（17）。

4 有源電力濾波器模擬測試

為了證明有源電力濾波模式能夠正常運行，進行了模擬測試。圖4 為并聯型有源電力濾波器系統a 相電壓和非線性負荷的a 相輸入電流。非線性負載由于二極管整流器的整流動作及誘導性負荷，使整流后的電壓含有大量非正弦波的紋波，其THD（紋波失真）約為20%。

圖4 a 相常電壓（上）和a 相負載電流（下）波形

經過有源電力濾波器的a 相補償電流注入系統，抵消了非線性負載電流的紋波。圖5 所示為補償前（上）、后（下）a 相系統電流FFT 波形，補償后輸入電流大大消除了基波外的紋波電流，20%的THD（紋波失真）在補償后測定為2.5%，保證了紋波消除性能。

圖5 補償前（上）、后（下）a 相系統電流FFT 波形

5 結論

以新能源汽車準快速充電裝置10kW 以上級充電器為研究對象，通過對充電器交流電整流后紋波電壓產生原因的分析，研究了在充電系統內并聯有源電力濾波器的方法，提取后抑制補償紋波電壓的產生。通過對有源電力濾波器降低補償整流后的紋波電壓的模擬測試結果，可以看出，補償后輸入電流可以有效的消除基波外的紋波電流，將紋波失真28%在補償后降低到2.5%。因此，可以有效的提高新能源汽車準快速充電裝置的充電效率，降低紋波電壓的影響。