电动汽车蓄电池充放电装置控制系统设计

1、第43卷第9期2009年9月电力电子技术PowerElectronicsVol.43，No.9September2009电动汽车蓄电池充放电装置控制系统设计蔚兰1，2，岳燕1，刘启中1，余朝刚1201620；2.上海大学，上海200072）（1.上海工程技术大学，上海摘要：随着电动汽车的快速发展，对大功率动力电池智能充电机以及充电算法的研究显得愈加重要。提出一种智能充放电铅酸蓄电池的设计方法，研制了智能充电机系统，开发了恒流、恒压以及智能充电算法。采用PWM整流技术，实现了网侧电流正弦化和单位功率因数运行，并将放电电能回馈电网，达到了节能的目的。试验结果表明，充电机较好地实现了恒流限压、恒压限

2、流、智能充、放电等功能，可以为电动汽车提供稳定可靠的能量转换。试验证明该控制方法的响应速度快，稳态性能好，供电电源以单位功率因数运行，电流谐波含量小，达到了预期的设计要求。关键词：控制系统；充电；蓄电池/智能检测中图分类号：TM921.5文献标识码：A文章编号：1000-100X（2009）09-0069-03ResearchontheDCTractionPowerSupplyoftheUrbanRailTransitYULan1，2，YUEYan1，LIUQi-zhong1，YUChao-gang1（1.ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shang

3、hai201620，China；2.ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China）Abstract：AdesignoftheDCtractionpowersupplyoftheurbanrailtransitisproposedbasedonthree-phasevoltagesourcePWMrectifier.ThecurrentcontrolbasedonthesynchronousrotatingframeandthespacevectorPWMareusedfortherectifiertoachievethecurrentdecouplingand

4、highvoltageutilizationratio.Theexperimentalresultshowsthatthecon-trolsystemreachesthedesignrequirementsandhasfastdynamicresponse，excellentsteady-stateperformance,unitypowerfactorandlowharmoniccontent.Keywords：controlsystem；charging；battery/intellectualityFoundationProject：SupportedbyKeyProjectofEduc

5、ationCommiteeofShanghai（No.G34850402990502）；IntroduceTechnologyInnovationFoundationofShanghai（No.新-48-23a）；ScienceResearchFoundationofShanghaiUniversityofEngineeringScience（No.2008XZ01）1引言行、能量可双向流动、输出电流脉动小等控制目标。将基于该技术的三相可逆PWM变流技术应用到电动汽车蓄电池充放电装置中，实现了蓄电池整流充电和逆变放电的双重功能，解决了传统充放电装置存在的网侧功率因数低、谐波污染严重、装置体积庞

6、大、能量浪费等问题，具有重大的理论和现实意义。从PWM可逆变流器主电路拓扑入手，对蓄电池充放电系统中PWM变流器的控制系统进行了深入研究，采用同步旋转坐标系电流控制与电压空间矢量控制相结合的方法对充放电装置进行控制3，此外根据充放电功能的需要在外环电压环增加了充放电模式智能切换模块。该新型控制策略兼顾系统的动静态性能且不失易用性、通用性。电动汽车作为节能环保的新型研究对象而倍受国内外学者的关注。蓄电池作为电动汽车的主要储能设备，对电动汽车的性能和发展有着直接影响，而蓄电池充、放电装置的性能直接影响着其技术状态、使用寿命以及对电网的污染程度。目前，国内广泛使用的蓄电池充放电技术主要采用晶闸管移相

7、控制，但采用该技术的充放电装置存在体积大、成本高、操作复杂、自动化程度低等缺点，容易出现故障，可靠性不高，蓄电池充放电时，交流侧电流波形畸变严重，功率因数低，对电网污染严重。实际应用中，输出电流的脉动成分较大，易使蓄电池电解液发热而蒸发。随着电力电子的发展，出现了以全控型功率开关管代替不控和半控型开关管的充放电装置，它采用新型PWM控制技术1-2，具有开关频率高、电网污染小、响应速度快、控制精度高等优点，真正实现了网侧电流正弦化、单位功率因数运基金项目：上海市教委重点课程建设项目（G34850402990502）；2电动汽车蓄电池充放电系统图1示出蓄电池充放电装置的系统结构。主回路主要由三相交

8、流电源、变流模块、软启动电路和蓄电池组四部分构成，控制回路包含电压电流采样电路、同步信号处理单元和微机控制单元。电压电流采样电路完成电压、电流模拟信号的采集及处理，并将处理后的信号传送到微机控制单元；微机控制单元以高端DSP器件TMS320F2812为核心，在获取充放电指令、工作模式、参数设置等信息后，在自检系统无故障情况下，根据特定运行模式开始工作，利用2008年度上海市引进技术的吸收与创新计划（新-48-23a）；上海工程技术大学校科研项目（2008XZ01）定稿日期：2009-03-23作者简介：蔚兰（1980-），女，山西忻州人，博士研究生，研究方向为电力电子及电力传动。69第43卷第

9、9期2009年9月电力电子技术PowerElectronicsVol.43，No.9September2009检测电路采集到的电压、电流等反馈信号进行系统闭环控制并驱动变流模块单元，进而完成蓄电池充放电控制；故障诊断处理单元主要进行缺相、过流、超温等系统保护。dia/dtcea-Rreia-uacccc（1）=cdib/dtceb-Rreib-ubcccLreccdic/dtcec-Rreic-ucccc采用式（1）的三相静止坐标系进行三相PWM变流器的间接电流控制，无法实现电流无静差控制和优良的动静态性能。为得到更好的控制效果，采用同步旋转坐标系电流控制。将式（1）变换到d，q坐标系下，可得

10、微分状态方程为：dqdredi/dte-Ri-u-Li=1cccce-Ri-u+Lidi/dtreddreqredqreqq（2）由式（2）可见，d，q轴变量互相耦合，因而给控制系统设计带来了一定困难。为此可采用前馈解耦控制策略，引入比例积分型电流调节器，根据式（2）图1充放电装置系统框图构造具有前馈解耦功能的电流调节器方程为：33.1蓄电池充放电装置控制系统设计蓄电池充放电控制过程根据电动汽车专用铅酸蓄电池的充放电特性，=cccu-K+K/sud*q-（Kdp+Kdi/s）（id*-id）+ed-Lreiq（qpqi）（iq*-iq）+eq+Lreidc（3）式中：ud*，uq*为d，q轴的

11、电压给定；Kdp，Kdi为d轴PI调节器比例、积分系数；Kqp，Kqi为q轴PI调节器比例、积分系数。可将充电过程分为恒流充电、恒压限流充电、涓流充电3个阶段4，如图2所示。通常在充电初始时刻，蓄电池电压都较低，若以很大的电流对蓄电池充电，将有损电池寿命，因此首先采取恒流限压的充电方式，在恒定电流充电方式下，充至输出电压达到设定的电池组端电压值；然后输出电压维持恒定不变，随着充电进行，充电电流逐渐减小；当充电电流下降到程序设定的较小数值时，充电机维持这个小电流进行恒定电流充电，即为涓流充电，以此实现无人值守。为能单独控制蓄电池充电电压和充电电流或综合控制电流电压，将直流电压（电流）给定值与实际

12、值的差值作为PI调节器输入，调节器输出即可作为电流有功分量的给定id*，对应直流电压外环时，有：id*=Kp（Udc*-Udc）+Ki乙（U乙（I*dc-Udc）dt（4）式中：Kp和Ki分别为PI调节器的比例和积分系数。对应直流电流外环时，有：id*=Kp（Idc*-Idc）+Ki*dc-Idc）dt（5）利用式（3）和（4）或（5），即可构建基于蓄电池充放电功能的同步旋转坐标系电流控制算法，其控制框图如图3所示。3.2蓄电储能控制装置所研究的充放电装置是对电动汽车蓄电池进行充电和放电，由上述分析可知，在充电初始阶段需要恒流充电电流。为实现阶段恒流，控制装置需要充电电流的反馈，构成电流外环闭

13、环控制。充放电装置的主电路采用三相电压型变流器，为实现单位功率因数，消除网侧的谐波，需要内环的电流控制。另外为了判断装置进入哪一阶段的恒流，需要判断蓄电池两端的电压，所以必须有蓄电池两端电压的检测控制环节。综上所述，为实现充放电装置的阶段恒流充放电和网侧的单位功率因数，系统必须采用电流的双闭环控制。另外由蓄电池两端电压对外环电流控制的指令电流进行控制，由输出电压的反馈环节对充放电电压进行限压。通过A/D采样得到电压ua，ub，uc和电流ia，ib，ic，经过3s/2r变换，得到d，q轴分量ed，eq和id，iq。直流电压给定值Udc*与反馈值Udc（或直流电流给定值Idc*和反馈值Idc）的差

14、值通过PI调节器的作用产生id*，通过电流调节器前馈解耦环节，输出电压控制指令ud*和uq*，经过坐标变换至a，b，c坐标系，利用SVPWM产生触发脉冲，控制变流器模块的导通和关断，最终满足蓄电池充放电特性的需求。充放电模式切换控制主要实现恒流充电、恒压限流充电、涓流充电的阶段控制和直流电压、直流电流外环控制的平滑切换动作。3.3蓄电储能控制策略由图1直接得到PWM变流装置状态方程为5：电动汽车蓄电池充放电装置控制系统设计4试验结果位；接近单位功率因数运行；电流近似正弦。可见三相可逆PWM技术应用于蓄电池充放电装置时，可显著抑制谐波干扰，有效改善电网运行质量，节约能源，因此三相可逆PWM装置及

15、其控制技术能够有效代替现有的晶闸管相控充放电装置，为电动汽车用铅酸蓄电池提供稳定、高效的充放电电源。试验主电路参数：三相输入交流线电压220V，电感Lre1.7mH,中间电容C3200F，开关频率fs=1.8kHz，负载为蓄电池组。图4示出试验结果。参考文献1LiaoJ，YehS.AnovelInstantaneousPowerControlStrate-gyandAnalyticModelforIntegratedRectifier/inverterSys-temsJ.IEEETrans.onPowerElectronics，2000，15（6）：996-1006.图4线电压和相电流的试验波

16、形2Bor-RenL.AnalysisandImplementationofaThree-levelPWMRectifier/InverterJ.IEEETrans.onAerospaceandElectronicSystems，2000，3（36）：948-956.由图4a可见，ia幅值约为8A，其波形近似正弦且平滑，相位滞后uab210°，可见电流谐波含量小，装置功率因数近似为-1。由图4b可见，同放电阶段实验类似，ia波形近似正弦且平滑，相位滞后uab30°，因此可得出同样的结论。3王英，张纯江，陈辉明.三相PWM整流器新型相位幅值控制数学模型及其控制策略J.中国电机

17、工程学报，2003，23（11）：85-89.4沈茂盛，刘志刚，张钢，等.采用三电平电压型PWM整流器的地铁牵引供电系统J.电工技术学报，2007，22（7）：5结论蓄电池充放电装置不仅可以工作在充电状态或放电状态，而且响应度高，稳态特性好。实验证明控制系统有较强的抗扰动能力；相电压和相电流同相（上接第19页）过冲电压高于负载电压74-77.5方宇，裘迅，邢岩，等.三相高功率因数电压型PWM整流器建模与仿真J.电工技术学报，2006，21（10）：44-49.!UL后，则相对5结论应的辅助箝位二极管导通，并通过高频吸收电容箝位至UL，从而达到箝位吸收的效用。仔细分析图4c波形可见，箝位电压并不

18、能完全达到UL之内，这是由于高频吸收电容并非理想电容，存在ESR，故会略超出UL，但并不会影响电路安全。分析了一种双次级无损箝位全桥变换器，通过大大减小高频变压器的初级等效电感，采用双变压器初级并联、次级串联和无损箝位吸收电路，极大地提高了大功率高压输出应用场合的可靠性和电路效率。所搭建的100kW双次级无损箝位全桥变换器样机已成功应用于材料表面处理行业，能长时间稳定运行。综上表明，该变换器非常适合于高压大功率的应用场合，有着良好的实际应用前景。参考文献1ABendre，IWallace，GALUCKJIFF，etal.DesignConsid-erationsforaSoft-switchedModular2.4-M