能量可回饋的電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)

田小濤

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引 言

隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各國(guó)政府大力推廣電動(dòng)汽車，以解決石油短缺和廢氣排放問題，而充電樁作為重要的配套設(shè)備成為行業(yè)技術(shù)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)[1]。目前，充電樁單向?qū)嚦潆?，不能把電能送回電網(wǎng)，無(wú)法回收舊電池的能量。另外，生產(chǎn)企業(yè)測(cè)試電池性能時(shí)會(huì)有多次充放電過程，能量以發(fā)熱的形式浪費(fèi)，不僅沒能回收節(jié)約能源，還影響電池的測(cè)試結(jié)果。如果將電池和電網(wǎng)連接完成能量雙向流動(dòng)，將有效解決這一問題。電能回收將電池能量回饋到電網(wǎng)，可以緩解用電壓力，有很大的應(yīng)用價(jià)值[2]。設(shè)計(jì)以PWM整流器和雙向DC-DC變換器為核心的充電樁，可實(shí)現(xiàn)電能的充電和回饋，避免能量浪費(fèi)。

1 總體方案

充電樁的工作模式有充電和回饋兩種。兩種工作模式根據(jù)用戶要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用性較好。系統(tǒng)在充電模式工作，首先將電網(wǎng)輸入的380 V交流電經(jīng)過LCL濾波器去除高次諧波，其次經(jīng)過PWM整流器變換為高壓直流，再次經(jīng)過電容穩(wěn)壓濾波，最后由雙向DC-DC轉(zhuǎn)換成充電所需的直流電。系統(tǒng)在能量回饋模式工作，電池的直流電經(jīng)過雙向DC-DC將電池低壓電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，再由PWM整流器將高壓直流電逆變?yōu)檎胰嚯?，最后?jīng)網(wǎng)側(cè)濾波器送至電網(wǎng)[3]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)組成包括變壓器、PWM整流器、網(wǎng)側(cè)LCL濾波器、雙向DC-DC變換器、直流側(cè)LC濾波器以及DSP控制部分。DSP作為主處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)處理[4]。

系統(tǒng)主電路如圖2所示，Rload為直流側(cè)線路電阻，L1和L2為網(wǎng)側(cè)部分電抗器，C為3個(gè)星形聯(lián)結(jié)的電容器，Rd為線路阻抗。

圖2 系統(tǒng)主電路

電流的雙向流動(dòng)可借助PWM整流器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)既能工作在充電模式，又能工作在回饋模式。兩種模式的電流流向相反，系統(tǒng)控制三相PWM整流器和雙向變換器的工作模式，從而控制電流流向，實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸[5]。

非隔離式變換器的能量轉(zhuǎn)換效率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，比較容易滿足系統(tǒng)要求。變換器工作在Boost狀態(tài)，能控制電壓升高；變換器工作在Buck狀態(tài)，能控制電壓降低，通過開關(guān)T1和T2的通斷實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的切換。通過采用改變功率開關(guān)占空比，可完成電壓變換。開關(guān)T1和T2的控制是獨(dú)立的，當(dāng)系統(tǒng)處于充電模式時(shí)，改變輸出電壓，T2始終關(guān)閉，能量經(jīng)T1流動(dòng)，電路處于Buck狀態(tài)，系統(tǒng)能量由電網(wǎng)流向電池；當(dāng)系統(tǒng)處于回饋模式時(shí)，T1始終關(guān)閉，T2一直導(dǎo)通，電路處于Boost狀態(tài)，電池電能經(jīng)變換器和PWM整流器送到電網(wǎng)側(cè)。

2 控制策略

電流流向決定電路工作狀態(tài)和電能傳輸情況，兩種工作模式下的網(wǎng)側(cè)電流流向相反，并且過程可逆?？刂齐妷盒蚉WM整流電路要保證直流側(cè)電壓的偏差始終在允許范圍內(nèi)，同時(shí)電網(wǎng)電壓的相位要同相或反相，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)值接近1或-1，以同時(shí)控制直流電壓和電流。

2.1 電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)要對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定下的電流擾動(dòng)快速反應(yīng)。電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)能解耦控制有功電流id和無(wú)功電流iq。為抵消電壓擾動(dòng)量的影響，引入前饋，補(bǔ)償電網(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)控制的影響。由于電流內(nèi)環(huán)中的信號(hào)有采樣延遲，采樣值滯后實(shí)際值，用慣性環(huán)節(jié)1/(Tss+1)表示，且SVPWM矢量控制具有小慣性特性，用一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)1/(0.5Tss+1)表示。電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)如圖3所示，Ts表示開關(guān)周期，Kpwm表示等效增益。

圖3 電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)

2.2 電壓外環(huán)設(shè)計(jì)

電壓外環(huán)控制三相逆變的直流輸出電壓穩(wěn)定，對(duì)直流側(cè)電壓Udc的控制可以通過控制三相電流d軸分量id實(shí)現(xiàn)。電壓外環(huán)調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，KV、TV表示外環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)，Wci(s)表示內(nèi)環(huán)等效傳遞函數(shù)。

圖4 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功率器件參數(shù)

3.1.1 交流側(cè)LCL濾波器

主回路中，PWM整流器和電網(wǎng)間的連接采用交流電感，一方面能降低充電樁對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的要求，另一方面阻擋了對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。設(shè)計(jì)中交流側(cè)采用LCL濾波器，需確定的主要參數(shù)包括額定功率Pn=60 kW、直流母線電壓Vdc=700 V、電網(wǎng)側(cè)線電壓有效值UgLL=380 V以及開關(guān)頻率fsw=6 kHz。此外，還有總電感值約束、諧振頻率的約束以及無(wú)功功率約束3個(gè)約束條件。

（1）總電感值約束。本文中PWM整流器采用SVPWM控制方式，LCL濾波器的電抗值Lg+L的約束條件為：

其中，Us為電網(wǎng)側(cè)的電壓，Ur為PWM整流器側(cè)的電壓，I為電網(wǎng)側(cè)電流，Vdc為電池側(cè)電壓。

（2）諧振頻率的約束。LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)生諧振頻率范圍要錯(cuò)開控制PWM整流器的開關(guān)頻率。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值，LCL濾波器滿足：

其中：fr為諧振頻率；fn為基波頻率；fsw為整流器開關(guān)頻率。

（3）濾波電容產(chǎn)生的無(wú)功功率約束。濾波電容可以吸收PWM整流器產(chǎn)生的諧波；增大電容會(huì)提高系統(tǒng)的無(wú)功功率，降低整體功率因數(shù)。濾波電容無(wú)功功率要小于系統(tǒng)額定功率5%。

其中：uc為L(zhǎng)CL濾波器電容支路電壓Pn為能量可逆充電樁的額定功率。

通常，允許電流紋波幅值為電流峰值的20%。根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)，計(jì)算得L=1.012 mH。由于電網(wǎng)電感Lg為L(zhǎng)的20%，計(jì)算得Lg=0.202 mH。

此外，濾波器無(wú)功功率需小于系統(tǒng)總額定的2%，所以Cf=100μF。

將計(jì)算得到的L、Lg、Cf代回上述的3個(gè)約束條件式（1）～式（3）中，均滿足約束條件。

3.1.2 直流側(cè)電容

直流側(cè)電壓最大波動(dòng)小于額定電壓的2%，ΔUmax=6.5 V，電池滿功率充放電，系統(tǒng)的直流電流可達(dá)389 A。假設(shè)電容能承受最大電流為400 A，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)電容為13 200 μF。

3.1.3 功率開關(guān)器件

功率開關(guān)器件選用絕緣柵雙極型晶體管。PWM整流器直流母線的電壓是700 V，IGBT的耐壓值為1 400 V，額定電流定為系統(tǒng)滿載運(yùn)行時(shí)峰值電流的1.5～2倍。因此，設(shè)計(jì)選取型號(hào)為英飛凌IHW30N160R2（30 A，1 600 V）的IGBT模塊。

3.2 輔助電路

（1）采樣電路：充電樁工作時(shí)采樣電壓和電流，采樣電壓為0～3.3 V。

（2）驅(qū)動(dòng)電路：用光電耦合器HCPL-J312完成隔離后，信號(hào)發(fā)送給芯片DCP020515，提壓范圍為-15～15 V。

（3）DSP供電電路：數(shù)字處理器的電源供電電壓會(huì)影響數(shù)字處理器的工作精度，設(shè)計(jì)采用芯片TPS767D301獲取3.3 V電壓。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分可分為主程序和中斷服務(wù)程序兩個(gè)子模塊?？刂撇糠职凑疹A(yù)定策略實(shí)時(shí)處理采樣信號(hào)，并生成6路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。主程序初始化后，等待中斷發(fā)生的過程包括系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化以及寄存器的初始化與配置。其中，系統(tǒng)初始化包括程序入口地址分配、鎖相環(huán)初始化以及外設(shè)時(shí)鐘打開設(shè)置時(shí)鐘。

4.1 主程序流程圖

系統(tǒng)用的數(shù)字處理器DSP2812，主程序流程如圖5所示。當(dāng)出現(xiàn)中斷請(qǐng)求且請(qǐng)求被接受后，流程轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷服務(wù)程序。每次中斷服務(wù)程序執(zhí)行后都會(huì)返回主程序，等待出現(xiàn)新的中斷請(qǐng)求。

圖5 主程序流程圖

4.2 中斷程序流程圖

控制器完成系統(tǒng)控制由中斷實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)選擇A/D中斷，中斷程序如圖6所示。

圖6 中斷程序

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的充電樁方案通過兩種工作模式的切換進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電能的雙向流動(dòng)。充電樁可以用作電池測(cè)試設(shè)備，供電池制造商使用，并回收測(cè)試消耗的電能，不僅降低了電池?fù)p耗，提高了測(cè)試結(jié)果的精確度，還能為汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)直流電壓，節(jié)約資源，降低成本。