电动汽车充电桩系统的总体设计与仿真

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1、电动汽车充电桩系统的总体设计与仿真1.1 充电桩控制系统总体控制策略方案研究IS电压采很充电办汰选择亡放电模式仞换电压电流女环!瞬间矢呈控制直馆柠廉丨I験采1=电用来 佯、PLL 锁相环电圧采样电压电流双环电流采杠图 5-1 充电桩总体方案控制结构图1.1.1 几种充电模式比较 普通充电模式与快速充电模式是目前智能充电装置常用的两种电池充电方式。普通充电模式又可细分几种不同的充电方式，主要包括分级恒流充电、低压恒压浮充电、梯度恒压充电等几种基本方式。普通恒流充电方式的优化发展形成了分级恒流充电方 式。分级恒流充电方式 具体充电特性如下:充电初期采用较大的电流充电，随着充电 时间的增加，充电 电

2、压增加，到达一定值，这时改用较小的充电电流继续充电， 当充电电压达到更 高值时，继续减小充电电流。分级恒流充电方式的优点是 : 充电效果较好，充电 时间较短，充电效率较高，有利于延长电池的使用寿命。但 是，这种充电方式对 充电机系统的要求较高。低压恒压浮充方式工作方式为充电电源一直维持稳压 限流，在充电至终止电 压前，电池一直处于浮充状态，从而慢慢的补足失去的能量。 低压恒压浮充方式 的优点是实现方便、原理简单，缺点是长时间以这种充电方 式充电会加速电池自 放电，造成电池组损坏。梯度恒压充电具有恒流充电和恒压充电的优点，梯度恒 压充电的充电电压是 根据电流衰减情况逐步改变，充电电流呈阶梯状上升

3、。充电 早期电池电压呈直线 上升，充电中期充电电流接近指数衰减;充电后期当充电电流 小于设定值时终止充电。图 5-2 四种充电特性曲线四种典型的充电特性曲线如图 5-2 所示，其中，1 为蓄电池最大可接受充电 电流曲线，2 为连续递减式充电电流曲线，3 为多级恒流式 充电电流曲线，4 为小电流慢速充电电流曲线。电池在充电 初中期能够接受较大充电电流，快速充电法利用了电池这一 特性。如图 5-2 所示，理论上电池充电时间采用曲线 1 时最 短，但是在实际操作中，电池组的电池容量、使用时间长短、 周围环境温度等特性的不同，完全按照曲线 1 充电是不可能 的，往往根据经验采用2 号曲线，这时充电电流

4、比最大可接 受电流略小，可延长电池的寿命，保证电池的安全使用。 2 号曲线充电的缺点是:曲线特性参数设定困难，在用户实际操 作中很少采用这种模式。1.1.2 充放电控制策略电池的充放电控制策略要充分考虑到电池的状态和功 率需求以及其他影响电池寿命的因素。本文对电池的充放电 控制策略如图 5-3 所示丸放电模代选邱否否是否是检测初始在 许充电匹眞一-乱兀达到卞购电池端电压大丁上他，5沁到 M 间结鬼*j、_ 否V%测初始否一丄 - 电区怨一Z是充也 发出结朿住电侖令沒出肺加放电命令发出放电命令发出充电命令恒流模式充电恒压模式充电图 5-3 电池充放电控制策略首先选择充放电模式，然后检测电池SOC

5、值，判断其是否可以进行充放电。如若在充放电允许区间内，则发出充放电指令。充电时，当 电池端电压小于限定 值时，进行恒流充电;当电池端电压大于限定值时，进行恒压 充电，当电池充满 时，结束充电过程。放电时，可选择恒流放电或恒功率放电， 当电池 SOC 小于下限时，结束电池放电。（1）充电阶段的控制 在本文设计中，采用先恒流后恒压的阶段式充电模式。（2）恒流充电 电池所能承受的充电电流最大值是由电池容量决定的。恒流充电时，保持充 电电流不变。在考虑电池充电速度和电池使用寿命两个因数 情况下，一般选择1/3C 恒流充电，其中 C 表示电池额定容量。当电池电压升高 到限定值，或者电池温度较高时，应该立

6、即终止恒流充电。（3）恒压充电 恒流充电完成后开始恒压充电，恒压充电时应当保持电 池端电压恒定。电池的充电电流、电压、温度等是需要时刻监控的数据。当出现 以下情况时应停止恒压充电:电池温度过高、电池电压超过最高允许值或充电电 流减小到最小值。如图5-4所示，电池的整个充电过程如下:0至tl时刻, 充电机对电池进行 恒流充电，这时电池电压升高，当电池电压达到限定值时， 充电机对电池进入恒 压充电，恒压充电阶段，电池的充电电流是逐步减小的。到 t2 时刻，充电电流减到很小，电池基本充满，停止充电过程。图 5-4 电池恒压恒流充电曲线4）放电时的控制电池的放电方法选取恒流或是恒功率放电。电池进入放

7、电模式时，为保证直流母线侧电压的稳定，以及输出功率的 稳定，可选择恒流输出的方式。在具有电能量双向流动功能 的电动汽车充电桩中，当电网处于用电高峰期时，电池恒功 率放电可以有效的起到消峰的作用，或者在电网故障时保证 用户的重要设备不断电。1.2 充放电系统主电路参数选取图 5-5 充电机主电路换电站充放电机主电路如图 5-5 所示。当充放电机收到CPU的充电指令后,三相电压型PWM变流器先进行整流操作，将额定电压为380V 的三相交流电整流成额定电压为600V的直流电，然后经过 双向DC/DC变换器，把额定电压600V的直流电降压到500V的额定直流充电电压，对电池组进行 充电;当充放电机收到

8、CPU的放电指令后，电池开始释放能量，双向DC/DC变换 器将电池电压升压到母线电压，然后通过三相电压型PWM变 流器将直流母线电压逆变成380V三相交流电并网。充电机 的额定输出功率为21 kW，最大输出功率为24kW。1.2.1 IGBT的选取从本系统的主电路拓扑结构中可知，IGBT两端电压最大 值Vigbtmax二 Vdc-600V，考虑到裕量，可以选择耐压值 为1200V的IGBT模块。额定电流的有效值Ip = 60A，考虑 到裕量和系统的散热，选取Eupec公司的DB_FF400R12KE3 型号的IGBT模块，耐压值为1200V，最大工作电流为400A。1.2.2整流器交流侧电感的

9、选取交流侧滤波电感的取值在电压型PWM整流器设计中十分 关键。它不仅对电流 内环控制的动态响应和静态响应都有较大的影响，并且还能 制约PWM变流器的直 流侧电压、输出功率以及功率因数。交流侧滤波电感的作用 主要包括:(1) 在电网电动势和PWM整流桥桥臂侧交流电压之间起到 隔离作用。通过控制PWM整流桥桥臂侧交流电压的幅值和相 位，可以使PWM整流器在四象限运行。(2) 通过电感L能够滤除交流侧的谐波电流，使得PWM整 流器输入为接近标准的正弦波电流。(3) 电感L的存在使得PWM整流器具有阻尼特性，对控制 系统的稳定运行有益。(4) 电感L选取合适的值时，可以使系统达到电流的纹波指标。交流侧

10、电感L的取值，应同时满足下面两个约束条件：(1)电感上的压降不宜过大，一般情况下设定为电源额定 电压的30%;则：(5-1)若三相PWM整流器输出功率因数角是，额定输出功率是PL 时：(5-2)结合式(5-11)和式(5-3)可得：厶 0.9j cos (p(5-3)其中，本处交流额定相电压En = 220V，额定功率PL = 21kW, 功率因数角0=0。由式(5-3)计算可求得电感L的上限值。(2)尽可能控制交流侧电流总畸变率THD的大小，一般情 况下要求低于5%。通过分析输入电流的谐波，其最大幅值应满足式(5-4)。而由THD的定义,综合式(5-4)和式(5-5)，可得:其中额定直流电压

11、Udc=700v，开关频率fs = 5000Hz，交流额定相电流为In。由式(5-6)计算可得电感L的下限值。综上所述，交流侧电感L取值应满足085mH L6. 6mH，故 可取L=lmH。1.2.3 整流器直流侧电容的选取直流侧支撑电容能够稳定直流侧电压并抑制谐波的产 生，还能在交直流侧能 量交换过程中起缓冲作用。为符合电压的纹波指标要求，电容 Cd 取值应满足:(5-7)为符合电压的瞬态脉动指标要求，电容 Cd 取值应满足:其中rn表示电压纹波系数，设rn=0.01, Udmax表示电压瞬态脉动的最大值，设 Udmax=20V。根据设计要求，计算可得1.4mFCd_10.2mF，本设计中支

12、撑电容取值Cd=7mF。1.2.4 DC/DC储能电感的选取当电感电流临界连续时，可根据式(5-9)计算求得:其中:Lsc为所求电感值；Vbs为PWM整流器的直流 母线电压，本设计取值600V; IGBT的开关频率为20kHz,Ts 为开关周期；Po为PWM整流器向电网输送的有功功率的最大 值，本设计取值为24kW。Dimin为双向DC/DC变流器工作在 BOOSt模式时开关管Sc2的最小占空比;Vscmax为电池组最大的充电电压，本设计取值为500V。因此：= 71.31/(5-12)2x240007002 x50xl0_ex 0.43 x(l-0.43)21.2.5电池的选取本文选取了 5

13、组100V的磷酸铁锂电池串联组成电池组， 每组电池容量为60Ah，电池可充放电次数为2000次，电池 组具有充放电、通讯及控制接口，可通过对DC/DC的占空比 的调节，来控制蓄电池充放电的电流和电压。1.3三相电压型PWM整流器控制系统设计 双闭环的设计 c:5就SPWM 粧1：1* AC DR1三相VSR控制系统的设计，多采用双闭环控制（电流内环和电压外环）。电 流内环是让实际输入的电流值，能快速的跟随电流给定值， 对电流无功给定值的 调节，可改变系统的功率因数。电压外环是根据实测的电压 值和直流电压给定值的比较，决定三相VSR的输出有功功率的方向及大小，具有 很好的抗扰性能。如图5-7,

14、AUR为电压调制器，ACDR和ACQR为电流调制 器。将直流电压检测值和电压给定值相比较，送入AUD，输 出电流有功分量给定值id *，经角度变换成电流无功分量 iq*,再将它们分别与网侧检测到的实际电流值id和iq相 比较，分别送入ACDR和ACQR，经电网电势的前馈补偿和电 流祸合补偿后，获得调制电压的有功分量Upd *和无功分量 Upq*，再经反旋转变换得到调制电压UPa*,Upb*,UPc* ,，最 后将它们送入矢量SPWM调制模块进行调制，生成6路PWM 脉冲信号，用于系统运行。1.3.1电流内环设计电流内环是对电压调节器和总输出量进行限幅，确保三 相VSR启动时，工作 在恒流状态，

15、使直流电压迅速升高。电流内环要求具有快速 跟随性能，可用典型I型系统来设计，又因id和iq有对称性，故以id为例，分 析ACR的参数设置。图 5-8 电流内环图如图5-8(a),因电流采样的延时性，相当于延时环节 l/(TsS+l)(Ts为采样周期)，PWM控制相当于小惯性环节， 惯性常数取05Ts,将电感等效为一阶惯性环节1/(LS+R)。将电势U*d当作定值，暂不考虑，三相VSR的开关频率 较高，故可忽视 TS 和0. 5Ts，得简化图5-8(b)。电流内环控制系统的闭环传函Gi(S)为：(5-13)式中：Kpwm, 整流器工作时的等效增益;Kip,Kif 为ACR 的比例和积分系数。式(5-13)按控制理论知识，可算出阻尼比匚和自然震荡频率节系数为：1.3.2电压外环设计电压外环主要是稳定VSR的直流侧电压Ud,使其高于电源线电压峰值，具有良好的抗扰性能，可用典型II型