配電網(wǎng)下基于驅動復用拓撲的車載儲能系統(tǒng)研究*

周 毅, 岳云力, 岳 昊, 丁健民, 李順昕, 辛迪熙

[1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術研究院, 北京 100038;2.儲能技術工程研究中心(北方工業(yè)大學), 北京 100144]

0 引 言

電動汽車由于其優(yōu)越的行駛性能,低能耗和環(huán)保特性成為我國的重要戰(zhàn)略發(fā)展方向[1-3]。電動汽車充電技術作為電動汽車關鍵技術被廣泛研究。通常電動汽車的充電等級依據(jù)工況劃分為3個級別,分別是快速充電級別;常規(guī)充電級別和便捷充電級別[4]。三者的充電工況和應用場景相異互為補充,一輛電動汽車可以同時具備多種充電級別的充電形式。其中快速充電級別的相關研究主要以直流充電系統(tǒng)為重要形式,利用直流器件的高耐壓和高耐流特性達到提高充電功率的目的;常規(guī)充電級別是現(xiàn)在最為普遍的充電級別,充電樁和以此為基礎組成的充電站是其主要應用形式。便捷充電級別指不需要充電樁,直接使用市電的充電形式,由于不需要車外的基礎設施的支持,所以該充電方式所需的設備全部車載,這類充電設備被統(tǒng)稱為車載儲能系統(tǒng)。

由于電動汽車的車載設備有小型化和輕量化的需求,常規(guī)充電系統(tǒng)拓撲需要經(jīng)過改造才可以實現(xiàn)車載。驅動復用型車載儲能系統(tǒng)基于電動汽車驅動拓撲的能量回饋能力,利用驅動電機代替交流電感,驅動電路代替整流橋的方式對車載電池進行充電,達到減小充電設備體積占用的目的。該類車載儲能系統(tǒng)利用了在電動汽車充電過程中閑置的驅動系統(tǒng)硬件,提高了電動汽車整體器件應用效率,降低了電動汽車的應用成本。本文對驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的拓撲進行系統(tǒng)性的分類,并從改造的難易程度,充電時紋波和非對稱電流轉矩方面對拓撲進行比較。

1 驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的復用方法

電動汽車通常采用三相逆變電路作為電能變換的方式驅動永磁同步電機為車輛提供動力。由于電機調速控制和再生制動的能力需求,驅動電路采用全控器件且能量可以雙向流過變流器。充電機通常采用三相或單相整流電路,其開關網(wǎng)絡結構與電動汽車驅動存在相似性。這種拓撲結構的相似性,使得通過改造驅動電路達到給電動汽車車載儲能系統(tǒng)充電在技術上存在可行性。

由于電動汽車驅動拓撲與充電拓撲存在差異,在利用驅動系統(tǒng)充電時,需要將拓撲進行一定的轉化。依據(jù)變化的手段可以劃分為特殊電機復用法、電力電子器件復用法和多電機復合利用法。

1.1 特殊電機復用法

電動汽車驅動拓撲與充電拓撲的不同主要是電機的復雜結構難以直接轉換為交流電感。特殊設計的電機通過改變自身的結構提供額外的繞組接線端子,提供了結構變化的自由度,使得拓撲可以在不同的模式下切換。被研究的利用于驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的特殊電機主要是兩種,分別是開中性點電機和開繞組電機。

文獻[5-6]提出了一種基于開中性點電機的車載儲能系統(tǒng)。該充電機拓撲通過電機的中性點和輔助橋臂將電網(wǎng)接入。在充電時該拓撲呈現(xiàn)三重化電路的特性并具有3種控制模式:單相工作模式、三相同步工作模式和三重交錯工作模式。其中,在單相工作模式下,驅動電路的三相的其中之一啟用和輔助橋臂組成單相整流橋,該模式的模式狀態(tài)較少,控制方法容易。但顯而易見的是電機的電感并沒有得到充分的利用;三相同步模式是將驅動電路的三相同時并聯(lián)啟用,通過相同相位的控制信號進行控制與輔助電路組成單相整流橋,該控制模式可以充分地利用電機的電感,并且顯著降低交流側的電流應力,但開關管同步導通有發(fā)生短路的風險,且電機繞組電感在該模式下成并聯(lián)結構,減低了交流側等效電感量;三重交錯工作模式是在三相同步模式的基礎上將三相的同步信號改成相錯120°的控制信號,在保留三相同步模式結構的情況下,交錯控制獲得了額外的紋波抑制能力。因此該類車載儲能系統(tǒng)多采用三重交錯的充電模式。基于開中性點電機的復用拓撲如圖1所示。

圖1 基于開中性點電機的復用拓撲

另一種基于開中性點電機的車載儲能系統(tǒng),基于開中性點電機的改進型復用拓撲的如圖2所示。該結構省略了輔助橋臂,直接將電網(wǎng)接入電機的中性點和直流側負極母線。該拓撲屬于半橋整流電路,僅能做半波整流脈沖充電。脈沖充電可以有效地利用電池容量,并延長電池的使用壽命。但該拓撲的脈沖頻率與電網(wǎng)頻率存在密切關系,無法與電池的工況相匹配,這限制了該拓撲的應用范圍。

圖2 基于開中性點電機的改進型復用拓撲

文獻[7]中是一種常被復用為充電機的特殊電機,即開繞組電機。采用開繞組電機的車載系統(tǒng)顯著優(yōu)點是復用可以進行三相充電,具有更高的充電功率。該拓撲將三相繞組的一端與電網(wǎng)相連,另一端與整流橋相連,使得拓撲具有三相整流橋的結構,可以在此基礎上進行三相整流的各項操作。但該拓撲與開繞組電機的驅動拓撲相差較大,需要配置額外的共直流母線變流器,且該變流器在充電過程閑置;該拓撲也可通過將交流側繞組接頭組合為中性點方式轉化為常規(guī)拓撲。無論該拓撲以何種方式在驅動和充電兩種功能間進行轉化,都需要復雜的機械結構進行輔助。基于開繞組電機的復用拓撲如圖3所示。

圖3 基于開繞組電機的復用拓撲

以上的分析不難發(fā)現(xiàn),通過特殊設計電機可以有效地實現(xiàn)拓撲的功能轉化,器件復用程度高,且充電拓撲為常見構型,控制方法較為成熟。但使用特殊設計電機存在成本高昂,結構復雜的問題,引入的額外繞組端子需要進行絕緣等輔助設施因而增大了系統(tǒng)體積。此外,特殊設計電機在電動汽車中并沒有普及應用,基于現(xiàn)有的電動汽車系統(tǒng),通過特殊設計電機法改造得到驅動復用型車載儲能系統(tǒng)存在著技術和成本的障礙。

1.2 電力電子器件復用法

隨著電動汽車的發(fā)展和電力電子技術日益成熟,通過增加電力電子器件達到復用驅動電機方式的成本要低于使用特殊設計電機方式的成本。車載電力電子器件已經(jīng)實現(xiàn)了板載,改造其機構并不會增加系統(tǒng)的體積。該方案對驅動系統(tǒng)的改變較小,可以在已有的電動汽車系統(tǒng)基礎上直接改造而成。

文獻[8]提出了一種通過二極管附加不控整流橋的方案。該方案將電網(wǎng)通過不控整流橋接入拓撲,不控整流橋的負極母線與驅動拓撲的負極母線相連,正極母線與電機三相中的其中之一接入驅動拓撲,此時該拓撲是功率因數(shù)校正電路的結構。拓撲存在兩重化結構,可以采用兩重交錯控制方法,但電機的結構增加了控制的復雜性,采用單相控制方法可以簡化控制。該方案具有高功率因數(shù)校正特性且不會產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)。但該拓撲無法實現(xiàn)能量的雙向流動,不符合電動汽車的需要參與電網(wǎng)調度的發(fā)展趨勢。雖然將不控整流橋替換為電流型整流橋可以實現(xiàn)能量的雙向流動,但電流型整流橋所需器件過多成本較大。附加不控整流橋的復用拓撲如圖4所示。

圖4 附加不控整流橋的復用拓撲

文獻[9]提供了一種無橋的改進方案,采用無橋結構的復用拓撲如圖5所示。該拓撲利用附加的輔助電路將將電網(wǎng)接入,由于該方案只包含全控器件,能量可以通過變流器在電池和電網(wǎng)之間進行雙向流動。但該方案的拓撲結構較為復雜,需要通過相應的控制策略減小諧波對電網(wǎng)的影響。

圖5 采用無橋結構的復用拓撲

經(jīng)過以上分析不難發(fā)現(xiàn),利用電力電子器件復用電機進行充電容易實施,但復用后的拓撲結構與典型拓撲相差較大需要復雜的控制方法。此外,使用電力電子器件轉化法驅動復用型車載儲能系統(tǒng)在驅動或充電過程中有器件被閑置的情況,器件沒有充分利用,降低了電動汽車整體功率密度。

1.3 多電機復合利用法

電動汽車驅動系統(tǒng)有多種結構,部分結構中包含多個電機[10]。其中串聯(lián)式混合動力電動汽車使用兩套共直流母線的驅動變流器,而使用輪轂電機的電動汽車在每個輪胎上都配置有獨立的驅動系統(tǒng)。這些多電機的拓撲結構在復用驅動系統(tǒng)時提供了更多的操作空間。

適用于串聯(lián)混合型電動汽車的復用拓撲如圖6所示。該拓撲為基于串聯(lián)式混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)的充電機[11],將電網(wǎng)通過驅動電機和車載燃油發(fā)電機的中性點接入系統(tǒng),兩套電機系統(tǒng)為共直流母線結構。由于該拓撲電網(wǎng)正負兩端都有電機充當濾波電感,且具有較多的變流器控制自由度,所以該充電機拓撲具有畸變程度較低的交流側電流波形,有利于電動汽車參與電網(wǎng)的能量調度。

圖6 適用于串聯(lián)混合型電動汽車的復用拓撲

使用輪轂電機的電動汽車有4臺電機可以參與配置[12]。基于四驅輪轂電機的復用拓撲如圖7所示。該拓撲通過4臺電機的2臺接入變流電網(wǎng),剩余的變流器則被用作為直流側的電池能量管理系統(tǒng)。該拓撲充分發(fā)揮了輪轂電機驅動電動汽車的特點,達到組成包含多級能量管理功能的車載儲能系統(tǒng)的目的。

圖7 基于四驅輪轂電機的復用拓撲

2 驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的基波轉矩分析

由上述復用驅動型車載儲能系統(tǒng)的方法介紹可以得到,該類拓撲的復雜程度主要是由電機的復雜結構決定的。在充電過程中,流過電機的電流為非對稱電流,電機會產(chǎn)生相應的轉矩。在該類拓撲應用的過程中,應將電機預先從動力系統(tǒng)中切除,并閉鎖汽車的傳動機構。

若以電網(wǎng)向電池的能量流動方向為正方向,則可將拓撲類型以不對稱電流流過電機的方式劃分為如下幾種:同相流入同相流出、單端流入單端流出、單端流入兩端流出、單端流入三端流出和三端流入三端流出。

其中,同相流入同相流出型拓撲主要由開中性點電機的單相控制模式得到,也可以通過開繞組電機接入單相電路得到。以拓撲使用了a相電感La為例,同相流入同相流出型拓撲如圖8所示。

圖8 同相流入同相流出型拓撲

流經(jīng)電機的非對稱電流為

(1)

式中:iLa、iLb、iLc——電機的三相電流;

Im——交流側電流的幅值;

ω——交流側頻率,通常取值50 Hz;

θ——功率因數(shù)角。

對于非對稱電流產(chǎn)生的基波可以用對稱分量法簡化分析。同相流入同相流出型非對稱電流分析如圖9所示。

圖9 同相流入同相流出型非對稱電流分析

電流產(chǎn)生的基波轉矩為

(2)

式中:fs——磁動勢矢量;

Fs——單位磁動矢量模值;

Ns——定子電感匝數(shù);

kwsl——磁動勢感應系數(shù)。

將流經(jīng)電機的各相電流以此帶入式(2)可以得到各相產(chǎn)生的轉矩為

(3)

將正負零序電流產(chǎn)生的轉矩進行合成,即可得到非對稱電流產(chǎn)生的總矢量。由于同相流入同相流出型的拓撲實際上是能量從中性點流入,所以中性點電流成為了主要的轉矩分量。

(4)

單端流入單端流出型可以由電力電子器件轉化法并采用單相控制得到。以拓撲使用a相和b相兩相電感,c相電感被閑置情況為例,單端流入單端流出型拓撲如圖10所示。

圖10 單端流入單端流出型拓撲

非對稱電流為

(5)

單端流入單端流出型非對稱電流分析如圖11所示。轉矩主要是由a相電感電流和b相電感電流合成得到。

圖11 單端流入單端流出型非對稱電流分析

產(chǎn)生的轉矩為

(6)

單端流入兩端流出型可以由電力電子器件轉化法并采用兩相同步或交錯控制得到。該型拓撲利用了全部的電感。單端流入兩端流出型拓撲如圖12所示。

圖12 單端流入兩端流出型拓撲

流經(jīng)的非對稱電流為

(7)

單端流入兩端流出型非對稱電流分析如圖13所示。合成后的轉矩恰巧為零,該型拓撲具有明顯的轉矩抑制能力。

圖13 單端流入兩端流出型非對稱電流分析

產(chǎn)生的轉矩為

(8)

單端流入三端流出結構由開繞組電機得到,單端流入三端流出型拓撲如圖14所示。

圖14 單端流入三端流出型拓撲

流經(jīng)三相電感的電流被平均分成三等分,即

(9)

單端流入三端流出型非對稱電流分析如圖15所示。由于該拓撲的電流從中性點流入,故非對稱電流中只包含了零序分量。

圖15 單端流入三端流出型非對稱電流分析

所產(chǎn)生的轉矩為

(10)

三端流入三端流出為開繞組電機的三相應用,三端流入三端流出型拓撲如圖16所示。

圖16 三端流入三端流出型拓撲

為了與其他拓撲進行恒功率比較,所采用工況流經(jīng)電機的電流為

(11)

三端流入三端流出型非對稱電流分析如圖17所示。其產(chǎn)生轉矩的模式與電機驅動情況下相同。

圖17 三端流入三端流出型非對稱電流分析

產(chǎn)生的轉矩為

(12)

綜合以上分析發(fā)現(xiàn),驅動復用型車載儲能變流器在充電過程中會不同程度地由于非對稱電流基波產(chǎn)生轉矩,不同拓撲的轉矩抑制能力不同。其中單端流入兩端流出型拓撲具有完全的紋波抑制能力;采用中性點作為輸入端子的拓撲類型,則會產(chǎn)生零序分量轉矩;而基于開繞組電機的三相輸入三相輸出型拓撲則完全無法抑制轉矩。

3 驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的紋波分析

充電機所包含的電力電子變換器在工作時會產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng),對于驅動復用型的車載儲能系統(tǒng)而言,由于系統(tǒng)內電機的存在,所以紋波對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響更大。

紋波主要由電力電子器件的參數(shù)所決定,對于已確定的系統(tǒng)可通過控制的方法抑制紋波。電機復用型車載儲能系統(tǒng)控制方法有3類:單相控制法,兩重交錯控制法和三重交錯控制法。

單相控制法是最簡單的一種控制方法,消除電機的復雜程度,將電機的部分電感視作為單相電感進行充電。依據(jù)電機復用方法,所利用的電感在該控制模式下的等效電感與電機電感成一定倍數(shù)關系。一般具體分為以下幾種情況:2倍電感,1倍電感,1/2倍電感和1/3倍電感等不同情況。該控制策略降低了控制的復雜性,較易設計。但該方法不能對紋波進行有效的抑制。

電機相對于變流器的結構復雜,所以驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的拓撲具有作為多重化變流器進行交錯調制的潛力。交錯調制具有明顯的紋波抑制能力,其紋波抑制效果可以用歸一化紋波系數(shù)表示。該系數(shù)為多重化下輸出紋波幅值和單相紋波幅值的比值。該系數(shù)排除了參數(shù)的影響,可以直觀地反映由交錯調制給拓撲帶來的紋波抑制效果。兩重化整流電路的歸一化紋波為

(13)

式中:γ——歸一化紋波系數(shù);

Δiin——輸入電流紋波幅值;

ΔiL——電感上的紋波幅值即單獨交錯相的電流紋波幅值;

D——占空比。

式(13)歸一化紋波系數(shù)是一個關于占空比的分段函數(shù)。占空比的取值范圍為0～1,則歸一化紋波系數(shù)恒小于1,表明交錯調制對于輸出電流紋波具有抑制能力。

三重化的歸一化紋波系數(shù)為

(14)

式(14)是一個三段函數(shù),其中高占空比段和低占空比段呈現(xiàn)出一階函數(shù)特性,而中占空比段呈現(xiàn)二階函數(shù)特性。整體來看三重化的紋波系數(shù)普遍低于同等條件下兩重化波紋系數(shù)。

基于電力電子器件法的拓撲也可采用雙重交錯調制,但第三電感的存在使得其工作狀態(tài)與傳統(tǒng)兩重化交錯存在差異,其歸一化紋波為

(15)

不同調制方式下歸一化紋波系數(shù)的比較如圖18所示。

圖18 不同調制方式下歸一化紋波系數(shù)的比較

圖18中,4種不同的控制模式:傳統(tǒng)單相控制法、傳統(tǒng)兩重交錯控制法、電機兩重化交錯和電機三重化交錯。其中傳統(tǒng)單相控制下的歸一化紋波系數(shù)恒定為1,意味著紋波完全沒有抑制,當歸一化紋波系數(shù)為零時,意味著紋波被完全抑制。由圖18可得,交錯調制的紋波抑制效果在任意工況下好于單相調制。三重化交錯的紋波抑制效果普遍優(yōu)于傳統(tǒng)兩重化交錯的紋波抑制效果。但基于電機的兩重化交錯的紋波抑制能力與三重化交錯大體相當,并且低占空比范圍內的紋波抑制能力遠好于其他控制方式。

4 驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的拓撲比較

通過分析可知,驅動復用型車載儲能系統(tǒng)有多種拓撲和控制方式,作為電動汽車的組成部分,需要從可靠性、經(jīng)濟效益和車載體積等多方面進行比較評估。

驅動復用型車載儲能系統(tǒng)由電動汽車的驅動系統(tǒng)改造得到。驅動系統(tǒng)的各項性能指標高于充電機的指標且驅動變流器允許能量進行雙向流動,復用的成本主要來自于改裝電機或附加器件的成本。為了保證系統(tǒng)的可靠性,改裝所用的器件和設計指標應與驅動系統(tǒng)相同。對于使用特殊電機的拓撲而言,特殊電機的額外端子需要絕緣處理,以現(xiàn)有驅動系統(tǒng)為基礎進行改造則需要考慮更換電機的成本。由于電力電子器件法不需要更換電機,僅需要增加電力電子器件,使得該方案的整體成本相對低。

車載儲能系統(tǒng)的體積也是需要著重考慮的指標,以適應電動汽車有限的車載體積。該類系統(tǒng)的體積主要是由于電力電子設備和機械結構的體積組成,由于電動汽車的電力電子設備實現(xiàn)了板載,增減器件不會對其體積造成較大的影響。機械結構的體積是車載儲能系統(tǒng)額外體積的主要來源。首先,考慮電動汽車安全性,在充電時電動汽車傳動系統(tǒng)需要通過機械結構進行鎖定,同時電動汽車也需要配置相應的接口端子與電網(wǎng)相連。以上增加的體積是各類拓撲結構所共同的,但特殊設計電機本身結構和需要的額外輔助設備的方案相對于僅增加電力電子器件的方案而言體積更大[13-15]。

驅動復用型車載儲能系統(tǒng)拓撲的比較如表1所示。表1總結幾種典型的驅動復用型車載儲能系統(tǒng)方案,對結構復雜程度、控制復雜程度、改造成本、車載體積、復用程度、基波轉矩情況和紋波情況等指標進行比較。整體來看,特殊電機法具有很高的電力電子復用程度,而電力電子法在成本和體積方面存在明顯優(yōu)勢。

表1 驅動復用型車載儲能系統(tǒng)拓撲的比較

5 結 語

驅動復用型車載儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電動汽車充電系統(tǒng)車載,同時提升了驅動系統(tǒng)的使用率,間接提升了車載系統(tǒng)的整體功率密度。

以現(xiàn)有車載電子技術和電動汽車驅動技術,使用電力電子復用法并采用兩相交錯控制方案具有現(xiàn)實意義。此外,該方案還具有以下顯著優(yōu)點:結構簡單,在驅動模式下保留了原本全部驅動系統(tǒng)的功能,在充電模式下充電機具有良好的基波轉矩抑制效果,有利于整車的可靠性設計。基于電機的兩重化交錯具有良好的紋波抑制能力,在繼承傳統(tǒng)兩重化交錯的歸一化紋波特性的前提下,獲得額外的紋波抑制能力。

隨著電動汽車性能要求的日益提升和各種車載智能設備技術的應用,驅動復用型車載儲能系統(tǒng)也需要與時俱進。未來該型充電機的改進研究可以著眼于兩個方面:一是提升驅動復用型車載儲能系統(tǒng)的充電效率,這是為了適應電動汽車的續(xù)航里程而增加電池容量的必然需求;二是需要注重驅動復用型車載儲能系統(tǒng)與其他設備的兼容性,以迎合電動汽車智能化的應用潮流。