電動汽車充電樁系統(tǒng)的總體設(shè)計與仿真

1、電動汽車充電樁系統(tǒng)的總體設(shè)計與仿真1.1充電樁控制系統(tǒng)總體控制策略方案研究電壓采榷充電方法選擇放電模式切換電壓電流雙環(huán)!空間矢量控制前/電壓采榷充電方法選擇放電模式切換電壓電流雙環(huán)!空間矢量控制前/.懷南4御采洋 電R采 樣、PLL 鎖相環(huán)電壓采樣電反電流雙環(huán)電流采,圖5-1充電樁總體方案控制結(jié)構(gòu)圖1.1.1幾種充電模式比較普通充電模式與快速充電模式是目前智能充電裝置常用的兩種電池充電方式。普通充電模式又可細(xì)分幾種不同的充電方式，主要包括分級恒流充電、低壓恒壓浮充電、梯度恒壓充電等幾種基本方式。普通恒流充電方式的優(yōu)化發(fā)展形成了分級恒流充電方式。分級恒流充電方式具體充電特性如下:充電初期采用較大

2、的電流充電，隨著充電時間的增加，充電電壓增加，到達一定值，這時改用較小的充電電流繼續(xù)充電，當(dāng)充電電壓達到更高值時，繼續(xù)減小充電電流。分級恒流充電方式的優(yōu)點是：充電效果較好，充電時間較短，充電效率較高，有利于延長電池的使用壽命。但是，這種充電方式對充電機系統(tǒng)的要求較高。低壓恒壓浮充方式工作方式為充電電源一直維持穩(wěn)壓限流，在充電至終止電壓前，電池一直處于浮充狀態(tài)，從而慢慢的補足失去的能量。低壓恒壓浮充方式 的優(yōu)點是實現(xiàn)方便、原理簡單，缺點是長時間以這種充電方式充電會加速電池自放電，造成電池組損壞。梯度恒壓充電具有恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點，梯度恒壓充電的充電電壓是根據(jù)電流衰減情況逐步改變，充電電流呈

3、階梯狀上升。充電 早期電池電壓呈直線上升，充電中期充電電流接近指數(shù)衰減;充電后期當(dāng)充電電流小于設(shè)定值時終止充電。/（時圖5-2四種充電特性曲線四種典型的充電特性曲線如圖5-2所示，其中，1為蓄電池最大可接受充電 電流曲線，2為連續(xù)遞減式充電電流曲線，3為多級恒流式 充電電流曲線，4為小電流慢速充電電流曲線。電池在充電 初中期能夠接受較大充電電流，快速充電法利用了電池這一 特性。如圖5-2所示，理論上電池充電時間采用曲線1時最 短，但是在實際操作中，電池組的電池容量、使用時間長短、 周圍環(huán)境溫度等特性的不同，完全按照曲線1充電是不可能 的，往往根據(jù)經(jīng)驗采用2號曲線，這時充電電流比最大可接 受電流

4、略小，可延長電池的壽命，保證電池的安全使用。2 號曲線充電的缺點是:曲線特性參數(shù)設(shè)定困難，在用戶實際操 作中很少采用這種模式。1.1.2充放電控制策略電池的充放電控制策略要充分考慮到電池的狀態(tài)和功 率需求以及其他影響電池壽命的因素。本文對電池的充放電 控制策略如圖5-3所示充放電模式通拜檢測初始8X7是否在達到下限/電池端電壓大于 jJR 定值.檢測初始充放電模式通拜檢測初始8X7是否在達到下限/電池端電壓大于 jJR 定值.檢測初始set是杏在 既充也區(qū)叫位物到I:限/ 5間結(jié)棗充電A 發(fā)出結(jié)盛冷電命令史出結(jié)火放電命令 V發(fā)出放電命令發(fā)出充電命令恒流模式充電恒壓模式充電圖5-3電池充放電控制

5、策略首先選擇充放電模式，然后檢測電池SOC值，判斷其是否可以進行充放電。如若在充放電允許區(qū)間內(nèi)，則發(fā)出充放電指令。充電時，當(dāng)電池端電壓小于限定 值時，進行恒流充電;當(dāng)電池端電壓大于限定值時，進行恒壓 充電，當(dāng)電池充滿時，結(jié)束充電過程。放電時，可選擇恒流放電或恒功率放電，當(dāng)電池SOC小于下限時，結(jié)束電池放電。（1）充電階段的控制在本文設(shè)計中，采用先恒流后恒壓的階段式充電模式。（2）恒流充電電池所能承受的充電電流最大值是由電池容量決定的。恒流充電時，保持充電電流不變。在考慮電池充電速度和電池使用壽命兩個因數(shù) 情況下，一般選擇1/3C恒流充電，其中C表示電池額定容量。當(dāng)電池電壓升高到限定值，或者電池

6、溫度較高時，應(yīng)該立即終止恒流充電。（3）恒壓充電恒流充電完成后開始恒壓充電，恒壓充電時應(yīng)當(dāng)保持電池端電壓恒定。電池的充電電流、電壓、溫度等是需要時刻監(jiān)控的數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn) 以下情況時應(yīng)停止恒壓充電：電池溫度過高、電池電壓超過最高允許值或充電電 流減小到最小值。如圖5-4所示，電池的整個充電過程如下:0至t1時刻， 充電機對電池進行恒流充電，這時電池電壓升高，當(dāng)電池電壓達到限定值時， 充電機對電池進入恒壓充電，恒壓充電階段，電池的充電電流是逐步減小的。到 t2時刻，充電電流減到很小，電池基本充滿，停止充電過程。圖5-4電池恒壓恒流充電曲線放電時的控制電池的放電方法選取恒流或是恒功率放電。電池進入放

7、電模式時，為保證直流母線側(cè)電壓的穩(wěn)定，以及輸出功率的 穩(wěn)定，可選擇恒流輸出的方式。在具有電能量雙向流動功能 的電動汽車充電樁中，當(dāng)電網(wǎng)處于用電高峰期時，電池恒功 率放電可以有效的起到消峰的作用，或者在電網(wǎng)故障時保證 用戶的重要設(shè)備不斷電。1.2充放電系統(tǒng)主電路參數(shù)選取交流電網(wǎng)訐II電壓彳毋刷整流器交流電網(wǎng)訐II電壓彳毋刷整流器戲初功)c哽換器電池組圖5-5充電機主電路換電站充放電機主電路如圖5-5所示。當(dāng)充放電機收到CPU的充電指令后，三相電壓型PWM變流器先進行整流操作，將額定電壓為380V 的三相交流電整流成額定電壓為600V的直流電，然后經(jīng)過 雙向DC/DC變換器，把額定電壓600V的直

8、流電降壓到500V的額定直流充電電壓，對電池組進行 充電;當(dāng)充放電機收到CPU的放電指令后，電池開始釋放能量，雙向DC/DC變換 器將電池電壓升壓到母線電壓，然后通過三相電壓型PWM變 流器將直流母線電壓逆變成380V三相交流電并網(wǎng)。充電機 的額定輸出功率為21 kW，最大輸出功率為24kW。1.2.1 IGBT的選取從本系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可知，IGBT兩端電壓最大 值Vigbtmax= Vdc-600V，考慮到裕量，可以選擇耐壓值 為1200V的IGBT模塊。額定電流的有效值Ip = 60A，考慮 到裕量和系統(tǒng)的散熱，選取Eupec公司的DB_FF400R12KE3 型號的IGBT模塊，

9、耐壓值為1200V，最大工作電流為400A。1.2.2整流器交流側(cè)電感的選取交流側(cè)濾波電感的取值在電壓型PWM整流器設(shè)計中十分 關(guān)鍵。它不僅對電流內(nèi)環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)都有較大的影響，并且還能 制約PWM變流器的直流側(cè)電壓、輸出功率以及功率因數(shù)。交流側(cè)濾波電感的作用 主要包括：在電網(wǎng)電動勢和PWM整流橋橋臂側(cè)交流電壓之間起到 隔離作用。通過控制PWM整流橋橋臂側(cè)交流電壓的幅值和相 位，可以使PWM整流器在四象限運行。通過電感L能夠濾除交流側(cè)的諧波電流，使得PWM整 流器輸入為接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電流。電感L的存在使得PWM整流器具有阻尼特性，對控制 系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有益。電感L選取合適的值時，

10、可以使系統(tǒng)達到電流的紋波指標(biāo)。交流側(cè)電感L的取值，應(yīng)同時滿足下面兩個約束條件：(1)電感上的壓降不宜過大，一般情況下設(shè)定為電源額定電壓的30%;則：(5-1)若三相PWM整流器輸出功率因數(shù)角是，額定輸出功率是PL時：3/-,，3普(5-2)結(jié)合式(5-11)和式(5-3)可得：乙0,9& cos (p-凹(5-3)其中，本處交流額定相電壓En = 220V，額定功率PL = 21kW, 功率因數(shù)角巾=0。由式(5-3)計算可求得電感L的上限值。(2)盡可能控制交流側(cè)電流總畸變率THD的大小，一般情 況下要求低于5%。通過分析輸入電流的諧波，其最大幅值應(yīng)滿足式(5-4)。而由THD的定義，綜合式

11、(5-4)和式(5-5)，可得:晝巨* _頑匝竺)3 廠.,所。4(5-6)其中額定直流電壓Udc=700v，開關(guān)頻率fs = 5000Hz，交流額定相電流為In。由式(5-6)計算可得電感L的下限值。綜上所述，交流側(cè)電感L取值應(yīng)滿足0.85mH L 6.6mH，故 可取L=1mH。1.2.3整流器直流側(cè)電容的選取直流側(cè)支撐電容能夠穩(wěn)定直流側(cè)電壓并抑制諧波的產(chǎn)生，還能在交直流側(cè)能量交換過程中起緩沖作用。為符合電壓的紋波指標(biāo)要求，電容Cd取值應(yīng)滿足：為符合電壓的瞬態(tài)脈動指標(biāo)要求，電容Cd取值應(yīng)滿足：4乙（5-8）其中rn表示電壓紋波系數(shù)，設(shè)rn=0.01, AUdmax表示 電壓瞬態(tài)脈動的最大值

12、，設(shè) Udmax=20V。根據(jù)設(shè)計要求，計算可得1.4mFCd_10.2mF，本設(shè)計中 支撐電容取值1.2.4 DC/DC儲能電感的選取當(dāng)電感電流臨界連續(xù)時，可根據(jù)式（5-9）計算求得:L& =曾久血L& =曾久血（1-吼(5-9)其中:Lsc為所求電感值；Vbs為PWM整流器的直流 母線電壓，本設(shè)計取值600V; IGBT的開關(guān)頻率為20kHz,Ts 為開關(guān)周期;Po為PWM整流器向電網(wǎng)輸送的有功功率的最大 值，本設(shè)計取值為24kW。D1min為雙向DC/DC變流器工作在 BOOSt模式時開關(guān)管Sc2的最小占空比;Vscmax為電池組最 大的充電電壓，本設(shè)計取值為500V。赤”（5-10）寫

13、=1-監(jiān)瞄= 1-= 0.43匕.，700（5-11）因此:2x24000L _ 700 x 50 x 1乂 0.43x (1 0.43) _ “ 3】 由 - (5-12)2x240001.2.5電池的選取本文選取了 5組100V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成電池組， 每組電池容量為60Ah，電池可充放電次數(shù)為2000次，電池 組具有充放電、通訊及控制接口，可通過對DC/DC的占空比 的調(diào)節(jié)，來控制蓄電池充放電的電流和電壓。1.3三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計 雙閉環(huán)的設(shè)計三相VSR控制系統(tǒng)的設(shè)計，多采用雙閉環(huán)控制（電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)）。電流內(nèi)環(huán)是讓實際輸入的電流值，能快速的跟隨電流給定值，對電

14、流無功給定值的調(diào)節(jié)，可改變系統(tǒng)的功率因數(shù)。電壓外環(huán)是根據(jù)實測的電壓值和直流電壓給定值的比較，決定三相VSR的輸出有功功率的方向及大小，具有 很好的抗擾性能。如圖5-7, AUR為電壓調(diào)制器，ACDR和ACQR為電流調(diào)制 器。將直流電壓檢測值和電壓給定值相比較，送入AUD，輸 出電流有功分量給定值id*，經(jīng)角度變換成電流無功分量 iq*,再將它們分別與網(wǎng)側(cè)檢測到的實際電流值id和iq相 比較，分別送入ACDR和ACQR，經(jīng)電網(wǎng)電勢的前饋補償和電 流禍合補償后，獲得調(diào)制電壓的有功分量Upd*和無功分量 Upq*，再經(jīng)反旋轉(zhuǎn)變換得到調(diào)制電壓UPa*,Upb*,UPc*，最 后將它們送入矢量SPWM調(diào)

15、制模塊進行調(diào)制，生成6路PWM 脈沖信號，用于系統(tǒng)運行。1.3.1電流內(nèi)環(huán)設(shè)計電流內(nèi)環(huán)是對電壓調(diào)節(jié)器和總輸出量進行限幅，確保三 相VSR啟動時，工作在恒流狀態(tài)，使直流電壓迅速升高。電流內(nèi)環(huán)要求具有快速 跟隨性能，可用典型I型系統(tǒng)來設(shè)計，又因id和iq有對稱性，故以id為例，分 析ACR的參數(shù)設(shè)置。-K-Khwm圖5-8電流內(nèi)環(huán)圖如圖5-8(a),因電流采樣的延時性，相當(dāng)于延時環(huán)節(jié) 1/(TsS+1)(Ts為采樣周期)，PWM控制相當(dāng)于小慣性環(huán)節(jié)， 慣性常數(shù)取0.5Ts,將電感等效為一階慣性環(huán)節(jié)1/(LS+R)。將電勢U*d當(dāng)作定值，暫不考慮，三相VSR的開關(guān)頻率 較高，故可忽視TS和0.5Ts

16、，得簡化圖5-8(b)。電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳函Gi(S)為：(5-13)式中:Kpwm, 一整流器工作時的等效增益;Kip,Kif 為ACR 的比例和積分系數(shù)。式(5-13)按控制理論知識，可算出阻尼比和自然震蕩頻率3n值為:節(jié)系數(shù)為:1.3.2電壓外環(huán)設(shè)計電壓外環(huán)主要是穩(wěn)定VSR的直流側(cè)電壓Ud，使其高于電 源線電壓峰值，具有良好的抗擾性能，可用典型II型系統(tǒng)來設(shè)計。三相VSR 的開關(guān)頻率夠高時，直流側(cè)電流可表達為：匕起】饑九(5-16)式中：。一開關(guān)函數(shù)基波初始相位值;m-調(diào)制比(m1)。(b)圖5-9電壓外環(huán)圖如圖5-9(a),電壓延時寫成 1/ (Ts+1)電壓外環(huán)寫成 1/(3T

17、sS+1)。暫不考慮iL擾動，用零極點形式表示AUR得:-k Ei _ 昭 R， I=*(5-16)0.75MIm cos 0 (m A 益。2.電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計將圖38(a)轉(zhuǎn)化為簡化圖38(b)。1) ACR結(jié)構(gòu)選擇電流閉環(huán)是使系統(tǒng)具有電流跟隨性和抑制超調(diào)。按I型系統(tǒng)設(shè)計，傳函為:式中:KiACR的比例系數(shù)；t iACR超前時間常數(shù)。圖(5-11)矯正成典型I系統(tǒng)的電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖2)ACR的參數(shù)選擇令系統(tǒng)開環(huán)增益Ks=4, t i=T=0.03s,鋰電池組內(nèi)阻R=0.5Q，電流超調(diào)M5%，查表得：KiToi=0.5,又 Toi=0.002,得:Ki=0.5/Toi=0.5/0.002

18、=250(5-21)K - W又由，火，得電流閉環(huán)的調(diào)節(jié)比例系數(shù)為:=孩 = 250 x Q5 = o 9375(5-22)1.5充放電系統(tǒng)建模與仿真根據(jù)純電動汽車的工況，要求鋰電池組能進行可逆充放 電，在matlab中建立充放電機電路仿真模型如圖5-12所示， 仿真圖中各個參數(shù)采用計算結(jié)果的參數(shù)，具體如下:PWM交流 側(cè)交流電感為2.5 mH，直流電容為8.0mF。PWM整流器開關(guān) 頻率為7KHz, DC/DC變換器開關(guān)頻率為12kHz, DC/DC儲 能電感為3.0mH。電壓外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定Kp =0.5,Ki=50，電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定Kp=1.5, Ki=60。 電池用

19、一個額定電壓500V、額定容量120AH的鋰電池組。交 流電網(wǎng)用380V三相對稱交流電源進行等效PWM整流器采用 電壓空間矢量控制算法，如圖5-13所示；充放電控制采用先恒流再恒壓充放電方法，如圖5-14所示。圖5-12充電樁充放電系統(tǒng)仿真模型圖5-13電壓空間矢量控制模型圖5-14充電樁充放電控制模型1.1.1充電樁充電狀態(tài)仿真結(jié)果分析 條件給定：整流時直流給定電壓600V，恒流充電電流20A,恒壓充電電壓500V，系統(tǒng)充電運行時仿真波形圖如下：(a)電池電流變化曲線(b)電池電壓變化曲線(c) PWM整流器直流側(cè)電流曲線(e) PWM整流器交流側(cè)有功無功電流曲線（f） PWM整流器交流側(cè)電

20、壓電流曲線圖5-15系統(tǒng)充電運行仿真波形圖實驗結(jié)果分析：由圖5-15（a）可以看出：充電樁對電池進行先恒流再 恒壓的充電過程。恒流充電時充電電流穩(wěn)定在20A,在2s過 后系統(tǒng)轉(zhuǎn)為恒壓充電，可以看出隨著時間的增長，此時充電 電流在逐漸減小，這符合鋰電池恒壓充電的規(guī)律。由圖5-15（b）可以看出，系統(tǒng)對電池恒流充電時隨時間 增長電池電壓逐漸升高，到0.2s時電池電壓逐漸接近額定 電壓，再轉(zhuǎn)為恒定電壓對電池充電，以減少大電流對電池的 影響，恒壓充電時充電電壓始終穩(wěn)定在500V，此時的充電電 流在逐漸減小，如圖5-15（a），當(dāng)系統(tǒng)運行到6s時，充電電流減少為零，此時充電過程結(jié)束，電池容量已經(jīng)充滿。由

21、圖5-15 (d)可以看出，系統(tǒng)帶負(fù)載啟動，經(jīng)很小超調(diào) 后，直流電壓很快穩(wěn)定在600V，穩(wěn)態(tài)誤差小。由圖5-15(e)-(f)可以看出，系統(tǒng)經(jīng)短暫調(diào)整，交流測 電流有功分量保持為正值，實現(xiàn)了能量的正向傳輸，充電結(jié) 束后，有功分量保持為零，交流測電流有功分量始終保持為 零，實現(xiàn)了交流測電壓電流單位功率因數(shù)控制，如圖5-15 (f)中交流電壓電流同相位，滿足設(shè)計要求。上述分析體現(xiàn)了本文仿真模型和控制策略的正確性。1.1.2充電樁放電狀態(tài)仿真結(jié)果分析為了保證直流母線側(cè)電壓的穩(wěn)定，以及輸出功率的穩(wěn)定， 選擇了確保直流母線電壓穩(wěn)定，恒流輸出的方式。PWM采空 間電壓矢量控制方法控制直流母線電壓為600。

22、DC/DC采用 Boost控制方式，控制電池10A恒電流放電。系統(tǒng)放電狀態(tài) 仿真結(jié)果如圖下。(a)電池電流變化曲線(b)電池電壓變化曲線(c) PWM整流器直流側(cè)電流曲線-邑，W 5 * S4. - -a -爐 L0 suewire-.c(e) PWM整流器交流側(cè)有功無功電流曲線圖5-16系統(tǒng)放電運行仿真波形圖實驗結(jié)果分析：如圖5-16（a）所示，系統(tǒng)放電電流始終穩(wěn)定在-10A，實 現(xiàn)了系統(tǒng)的恒流放電控制，從5-16（b）可以看出恒流充電過 程中，隨著時間的增長，電池電壓逐漸在減小，圖5-16（d） 中，系統(tǒng)經(jīng)負(fù)載啟動，整流器直流側(cè)電壓經(jīng)短暫調(diào)整后，始 終穩(wěn)定在600V，這些都符合鋰電池的放電

23、規(guī)律。從圖5-16（e）中可以看出，恒流放電過程中PWM整流器交 流側(cè)有功電流始終保持為負(fù)值，無功電流始終保持為零，說 明交流側(cè)在吸收能量，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制，低諧波， 減少對電網(wǎng)無污染。如圖5-16（f）所示，在放電過程中，交流側(cè)電壓電流反相 位，系統(tǒng)能量由蓄電池側(cè)流向交流電網(wǎng)側(cè)，實現(xiàn)逆變成功， 能量的反向流動。上述分析體現(xiàn)了本文仿真模型和控制策略的正確性。1.1.3充電樁充放電狀態(tài)仿真結(jié)果分析由于蓄電池的額定容量為80Ah，結(jié)合考慮蓄電池的效率 以及可用容量的衰減和電池廠家提供的電池產(chǎn)品的規(guī)格書 中提到的標(biāo)準(zhǔn)充放電電流大小，計算得到以20A電流充電， 充電時長為2 h和以10A電流放電，放電時長為8 h。由于 仿真受仿真軟件時限限制，為了能體現(xiàn)充