基于V2G技术的车载双向充放电系统的研究*

刘浩浩，郭兴众，高文根

(安徽工程大学 安徽检测技术与节能装置省级实验室，安徽 芜湖 241000)

基于V2G技术的车载双向充放电系统的研究*

刘浩浩，郭兴众，高文根

(安徽工程大学 安徽检测技术与节能装置省级实验室，安徽 芜湖 241000)

针对目前车载双向充放电系统存在体积大、灵活性差、功率小等不足，提出了由空间矢量控制的双向PWM整流器和PWM控制的双向DC/DC变换器、220 V/380 V电源以及并网接口、电机驱动电压输出端组成的系统；该方案的优点在于可以进行220 V/380 V之间的切换，增强了灵活性和电动车的续航能力；用到的功率器件均是电动汽车系统中的原有器件，节省了成本和车载空间，且在电动汽车闲置时可作为移动电源对电网进行反馈能量；通过仿真实验并分析仿真结果验证了系统的可行性，能够实现基于V2G技术的车载双向充放电功能。

PWM整流器；双向DC/DC变换器；空间矢量控制；PWM控制

目前，全球资源匮乏，环境污染严重，尤其是二氧化碳排放量持续增加，开发绿色新能源已迫在眉睫[1]，为了节约能源和保护环境，国家大力提倡发展新能源汽车，进而在汽车领域发展电动汽车成为一种潮流[2]。电动汽车充放电的研究成为国内外热门课题。现阶段，电动汽车充电续航大都在充电站或者停车场、居民区等地的充电桩上进行，为电动汽车电池充电带来了局限性[3]。然而电动汽车大部分时间都是停滞的，因此能源利用率不高。市面上的电动汽车有些自带充电机，但是充电机体积庞大，用到的开关器件成本高。基于这些不足提出了基于V2G(Vehicle to Grid)技术车载双向充放电系统，V2G技术就是将电动汽车作为移动储能装置在受控的状态下实现与电网之间的能量信息的双向交换[4]。V2G技术提高了能源的利用率，促进社会向着节约型、环保型发展。该系统在电动汽车电池组充电系统和电机驱动系统的基础上将它们共有的开关元器件共享集成在一起，这样就减少了成本而且也节省车辆空间，还能随时随地进行充电续航。V2G技术是将电动汽车作为移动储能装置与电网之间的桥梁，可以在电网不稳定时为电网提供能量从而提高电网的安全性和可靠性[5]。因此基于V2G技术的车载双向充放电系统具有良好的发展前景。

1 放电系统拓扑结构分析

V2G车载充放电系统既能够实现对电池组的充电又能实现对电网能量的反馈以及对电机的驱动。因此主拓扑结构采用的是由驱动和车载充电机相集成的双向PWM整流器和双向DC/DC变换器组成，如图1所示。

图1 基于V2G车载双向充放电拓扑Fig.1 Vehicle two-way charge and discharge extension based on V2G

1.1 双向PWM整流器工作原理分析

系统中的双向PWM整流器选择的是三相半桥电压型PWM整流器。该整流器与其他整流器相比较具有优良的性能。能实现通过电源检测进行单相PWM整流器的切换；该PWM整流器能够实现能量的双向流动即充电时实现整流功能，放电及驱动时实现逆变功能。在整流工作时通过控制实现电网电流电压同相位，在逆变状态下工作时，网侧电流电压相反，这时电网侧吸收能量，并提高了网侧功率因数，动态响应快。为了输出较稳定的交流电，电网侧还采用电感进行滤波。整流侧则采用电容来滤波用来输出稳定的直流电。对该PWM整流器采取电压电流双闭环的空间电压矢量控制，使系统具有良好的稳态和动态性能。

1.2 双向DC/DC变换器工作原理分析

系统中的双向DC/DC变换器由于和驱动系统共用相同的开关器件，因此具有使用开关器件少、动态响应快、效率高等优点[6]。其能实现能量的双向流动，即如buck/boost变换器，当电池组充电时变换器工作在buck降压状态，如图1所示S1处于工作状态，S2始终处于关断状态。此时由电容C的母线电压流向电池，通过S1开关的导通与关断时间来控制占空比以得到所需要的电压或电流。当电池组放电用来驱动电机或者反馈电网时，变换器工作在boost升压状态，与充电时相反，此时S1始终保持关断，而S2开通，此时抬高母线电压以满足逆变后电机驱动或者是对电网反馈能量。

1.3 基于V2G技术的车载双向充放电系统的整体工作原理分析 如图1所示开关K1、K2、K3、K4均为常开。当对电池组充电时开关K2、K3、K4闭合下触点，首先检测电源电压为单相电压或者三相电压，开关K1分别连接接口N和接口A，当检测到为三相电压时，K1为常开，接口A、B、C导通，此时为三相电压380 V对电池组进行充电，当检测到为单相电压时，K1闭合接通N，此时任意接通接口B、C均为单相220 V供电出稳定的交流电，再经由电压电流双闭环的空间电压矢量控制的PWM整流器，进行整流，输出所需要的直流电压或电流。此时升高了母线电压，再经双向DC/DC变换器，由PWM控制方式控制开关的导通与关断时间来改变占空比，此时S1导通，S2始终关断，将母线电压进行buck降压实现对电池组的充电。当电池组放电时，此时S1始终关断，S2开通。将电池组的电压boost升压，抬高母线电压，这时PWM整流器工作在逆变状态。当K2、K3、K4闭合上触点时，由PWM整流器逆变出电机驱动所需交流电压即对电机进行驱动。当对电网进行反馈能量时闭合K2、K3、K4下触点，检测逆变输出的电压类型，此时220 V/380 V电源接口充当并网接口，对电网进行并网反馈能量。也可以通过逆变得到驱动电机所需电压对电机进行驱动。

2 放电系统控制策略分析

2.1 基于V2G车载双向充放电系统的控制策略结构分析 所述双向PWM整流器采用电压电流双闭环电压空间矢量控制，通过A/D采样交流侧电压和电流经PLL锁相环控制相角。双向PWM整流器在三相电压供电时，三相abc坐标系下的变量经PARK变换到两相同步旋转dq坐标中再由电压电流调节器前馈解耦输出电压对整流器进行双闭环电压空间矢量控制，即空间矢量脉宽调制(SVPWM)[7]产生触发脉冲来控制整流器各开关管的通断。当在单相电压供电时，此时经A/D采样通过PLL锁相环控制相角时延90°构造两相电路，通过虚拟一个与实际交流量正交的交流量来构成虚拟dq同步旋转坐标。然后其控制方式与三相电压供电时的控制方式一样均是采用电压电流双闭环电压空间矢量控制。其控制结构如图2所示。

图2 基于V2G车载双向充放电控制策略结构Fig.2 Vehicle two-way charge and discharge control strategy structure based on V2G

2.2 双向PWM整流器的数学模型和控制策略分析 如图2所示，采用220 V/380 V两种供电方式即为单相或三相电压，当单相220 V电压供电时，采用单相桥式整流器，其控制方式与三相电压时的控制方式基本相同，有一点不同之处在于单相系统只有单相电压即一个自由度，然而要实现交流量的坐标旋转变换，至少需要具有两个自由度，即两个正交的交流量，因此采用90°时延构造两相电路通过虚拟一个与实际交流量正交的交流量来满足坐标旋转变换的需要。即虚拟dq坐标系，这与三相电压380 V供电采用三相半桥电压型PWM整流器时，采用电压电流双闭环空间电压矢量控制相同。根据基尔霍夫电压定律，可以得到静止坐标系下的数学模型表达式：

(1)

其中ia、ib、ic以及ua、ub、uc分别为三相交流电流和三相交流电压。uAN、uBN、uCn是相电压，UNO为中间电压。Lsi、Cd、Ed分别为等效电阻、直流侧电容、直流电动势。在三相静止坐标系下，对交流侧一直变化的电压和电流无法清晰地观测到，这对于设计精准的PI控制器增加了难度。dq同步旋转坐标可以跟随被控量在空间中同步旋转，达到相对静止，每个被控量映射到坐标轴都变成为直流量，对于设计精准的PI控制器提供了方便[8]。然而由三相静止坐标到dq同步旋转坐标要经过一个过程，首先将三相静止坐标进行CLARK坐标变换转换为两相静止坐标系(α,β)可得到矩阵如下：

(2)

其中xa、xb、xc，是矢量x在三相静止坐标系下的投影，是矢量x在(α,β)坐标系下的投影。然后再对得到的(α,β)坐标系进行PARK变换最终得到同步旋转坐标系(d,q)如下：

(3)

由于dq坐标系下的变量为相互耦合非线性的，为了设计控制器便利就需要锁相环PLL锁定电网的相位同时为坐标变换提供相角，采用前馈解耦将电流id,iq分量作为独立的直流变量进行控制，实现内环系统线性化，为了保证系统的控制精度和稳态性能，可采用电流环PI调节器进行无静差调节，可得调节器方程为

(4)

将式(4)代入式(3)可得电流环采用基于dq旋转坐标系的解耦方程：

(5)

三相电压或者单相电压的PWM整流器的控制策略均采用电流内环、电压外环的双闭环电压空间矢量控制，电压外环用来稳定直流侧电压，电流内环是经d,q同步旋转坐标完全解耦实现有功分量和无功分量单独控制。其双环都采用PI调节器控制，有效地提高了系统的精度和稳态性能[9]。

2.3 双闭环控制器的分析

(6)

加入校正环节后为

(7)

当阻尼比ξ=0.707时有：

(8)

解方程(8)可得：

(9)

(10)

综上所述则电流内环的闭环传递函数为

(11)

由此可见电流内环可以等效为一个惯性环节，时间常数3Ts，当Ts越小，动态性能越好。

电压外环主要是为了使直流母线电压保持稳定，控制系统抗干扰。电压外环的PI控制器是按照Ⅱ型系统设计的，其开环传递函数为

(12)

由此，得电压外环的中频带宽为

(13)

按照经典Ⅱ型系统的控制参数关系可以得到：

(14)

综上所述考虑各种因素，取中频带宽hV=5代入式(14)得：

TV=5Tev=5(τ+3Ts)

(15)

(16)

由此可以看出电压外环对直流母线电压的稳定起到很重要的作用，并且系统抗干扰性增强[11]。

2.4 双向DC/DC变换器的控制分析

采用双向半桥变换器来控制直流侧电压进行电池组充电以及逆变并网和电机驱动所需的母线电压。双向半桥变换器优点在于开关管少，容易控制并且运行可靠性高[12]。对于双向半桥变换器中的开关管S1和S2采用独立的PWM控制，分别独立控制S1、S2的通断。当充电运行模式时S1保持导通，S2保持关断；当放电运行模式时则S2保持关断，S2保持导通。此种控制方式有效地避免了桥臂上下开关管的同时导通，更有利于充放电安全运行，实现了能量的双向运行，实现了V2G功能放电时，将能量反馈到电网。

3 实验与仿真分析

3.1 电池组充电状态下系统仿真与分析

根据建立的仿真模型可以得到，当三相电压380 V供电时，在电池组充电模式下实现大电流快速充电。其三相交流侧电流和电压波形如图3、图4所示。

图3 充电状态下三相交流侧电流波形Fig.3 Three-phase AC current waveform in the state of charge

图4 充电状态下三相交流侧电压波形Fig.4 The voltage waveform of state of the three-phase AC side

由图3、图4可知经过很短的时间电压电流就趋于稳定且相位相同，实现单位功率因数整流，并且谐波很小。

经过三相PWM整流器整流之后，抬高母线电压如图5所示。然后经双向DC/DC变换器降压对电池组进行大电流充电，其充电电流如图6所示。

图5 三相充电状态下直流母线电压波形Fig.5 Three-phase charge state DC bus voltage waveform

图6 充电状态下电池组充电电流波形Fig.6 Charging current waveform of battery pack in charge state

由图5、图6可知母线电压经过很短时间达到所需电压700 V并且保持稳定，充电电流和母线电压基本保持一致，实现了大电流快速充电。

图7 充电状态下单相交流侧电压电流波形Fig.7 Single-phase AC side voltage and current waveform

由图7可知电压电流同相位并且电流很快趋于稳定，交流侧电压也稳定输出，通过单相PWM整流器实现单位功率整流。

经过单相整流后母线电压升高到所需电压500 V，通过独立PWM控制的双向DC/DC变换器对电池组进行小电流充电如图8、图9所示。

图8 单相充电直流侧母线电压波形Fig.8 Single-phase charging DC side bus voltage waveform

图9 单相充电电池组充电电流波形Fig.9 Single-phase rechargeable battery pack charge current waveform

母线电压以及充电电流在一开始时出现较小谐波，在很短时间内就达到所需值并且趋于稳定，而且母线电压和充电电流整体趋势基本保持一致，系统动态稳定性较好，实现了小电流慢充的功能[14]。

3.2 电池组放电状态下系统仿真与分析

根据建立的仿真模型可以看出，在电池组充电时有快充和慢充之分，当然在电池放电时也有三相和单相之分。当交流侧为三相PWM整流器时整流器工作在逆变状态下时，其交流侧输出电压、直流母线电压以及交流侧输出电流如图10所示。

图10 三相交流侧输出电压和直流母线电压波形Fig.10 Three-phase AC side of the output voltage and DC bus voltage waveform

当电池组放电，交流侧为单相PWM整流器工作在逆变状态下时，其单相交流侧电压电流输出如图11所示。

由图10、图11可以看出交流侧同样存在大的冲击电流，但经过很短的时间电流就稳定下来。由图10所示三相交流侧输出电压大约在0.05 s时趋于稳定实现并网和电机驱动切换，由图11所示单相交流侧电压大约在0.1 s的时候趋于稳定实现并网和电机驱动切换，并且电压和电流相位相差180°。其电流波形良好，逆变输出网侧电压没有畸变，网侧吸收能量[15]从而实现单位功率因数有源逆变，抑制了交流侧电流谐波，实现了能量的双向流动，从而实现了V2G车载双向充放电功能。

图11 单相交流侧电压电流波形Fig.11 Single-phase AC side voltage and current waveform

4 结 论

随着电动汽车的发展，充电桩也随之发展但是缺乏灵活性，续航能力低。车载式充电机顺势发展，然而充电机本身成本高、占用车身空间大。因此提出基于V2G车载双向充放系统，该系统是将车载充电机系统与驱动系统在不增加元器件的基础上相集成，从而减少了成本以及车载空间，且成功实现三相380 V快充和单相220 V慢充的互相切换，通过单相PWM整流器工作时，建立虚拟dq同步旋转坐标然后同三相PWM整流器工作时共用一种控制策略即电压电流双闭环电压空间矢量控制。最后通过Matlab/Simulink仿真验证，成功验证了本系统拓扑结构的可行性，并且通过验证实现了单位功率因数校正，能量的双向流动，从而实现了基于V2G车载双向充放电功能。

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Research on Bidirectional Vehicle Charging and Discharging System Based on V2G Technology

LIUHao-hao,GUOXing-zhong,GAOWen-gen

(Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Conservation Devices, Anhui Polytechnic University, Anhui Wuhu 241000, China)

According to the shortcomings of present two-way charging and discharging system such as large volume, poor flexibility and low power and so on, this paper proposes a system composed of bidirectional DC/DC converter controlled by space vector and bidirectional DC/DC converter with PWM control and with two-way PWM rectifier, 220V/380V power supply, grid connector and motor drive voltage output. This program has the advantage of being able to switch between 220V/380V to enhance the flexibility and power consumption of electric vehicles, the power devices, which are used in electric vehicle system, being the original devices of e-auto, saving cost and vehicle space, and can be used as a mobile power supply to power grid for feedback energy when the electric car is idle. The feasibility of the system is verified by simulation experiments and by analyzing the simulation results so that the two-way vehicle charging and discharging function based on V2G technology can be realized.

PWM rectifier; bidirectional DC/DC converter; space vector control; PWM control

TM910.6

A

2017-03-14；

2017-05-07.

安徽省自然科学基金资助项目(1408085ME105).

刘浩浩(1990-)，男，江苏徐州人，硕士研究生，从事电力电子研究．

责任编辑：罗姗姗