锂离子电池-电动汽车锂离子动力电池充放电装置研究

1、第38卷󰀁第11期2010年11月Vo.l38󰀁No.11Nov.󰀁2010电动汽车锂离子动力电池充放电装置研究于文斌,杜成刚,张󰀁华,胡󰀁超,郑华桢,李󰀁瑾23333(1.许继电源有限公司,河南许昌󰀁461000;2.上海市电力公司技术与管理学院,上海󰀁200025;3.上海久隆电力科技有限公司,上海󰀁200070)摘󰀁要:阐述了充放电装置的构成,基本功能及方案设计。介绍了为大功率锂离子动力电池充放电系统设计的双向AC/DC变换器和双

2、向DC/DC变换器的结构,可以实现与电网间的信息交互和受控状态下能量双向流动。介绍了AC/DC和DC/DC模块设计及控制保护系统的设计。关键词:智能电网;动力电池充放电装置;双向AC/DC变换器作者简介:于文斌(1967󰀁),男,工程师,副总经理,从事电动汽车充放电设备研究开发、充放电站设计工作。中图分类号:TM910.6󰀁󰀁文献标志码:B󰀁󰀁文章编号:1001󰀁9529(2010)11󰀁1678󰀁04StudyonCharging&DischargingDe

3、vicesforLi󰀁ionBatteryinElectricalVehiclesYUWen󰀁Bin1,DUCheng󰀁gang2,ZHANGHua3,HUChao3,ZhengHua󰀁zhen3,LIJin3(1.XujiPowerCo.,Ltd.,Xuchang461000,Henan,China;2.TechnologyandManagementCollege,SMEPC,Shanghai200025,China;3.ShanghaiJiulongElectricPowerScience&TechnologyCo.,

4、Ltd.,Shanghai200070,China)Abstract:Thecomponents,basicfunctionanddesignofthecharging&dischargingdeviceswerepresentedinthispa󰀁per.Thestructuresofbi󰀁directionalAC/DCconverterandbi󰀁directionalDC/DCconverterofthecharging&dischar󰀁gingsystemforhigh󰀁powerLi&#

5、983041;ionbatterieswereintroduced.Thesystemcanachievetheinformationexchangeinthegridsandbi󰀁directionalpowerexchangeinacontrolledstate.ThemoduledesignofAD/DCandDC/DCandthecon󰀁trolprotectionsystemwerealsointroduced.Keywords:smartgrid;charging&dischargingdevicesforpowerbatteries;bi&

6、#983041;directionalAC/DCconverter󰀁󰀁电动汽车动力锂离子动力电池充放电系统可在电网调度信号控制下,实现车载动力电池组与电网实时、高速、双向、可控能量交换,是实现󰀂智能电网 中V2G技术的重要环节。充放电装置可根据车辆电池信息(当前SOC、最优充放电电流及持续时间、最大充放电电流及持续时间等)、用户设置信息和电网调度指令进行充、放电操作,实现能量的双向流动。流功能。(3)控制保护系统!用于实现AC/DC功率单元、DC/DC功率单元的驱动脉冲、保护逻辑生成。1.2󰀁基本功能充放电装置具有手动和自动模式;

7、可采用远程、本地等控制方式,设备具有存储分时段工作模式功能;可与后台管理系统统一对时;可工作在充电模式和V2G模式:充电模式即是只对车辆进行充电操作,不将车辆电池能量回馈至电网;V2G模式即是装置根据用户在人机交互终端上选择的车辆SOC上下限(即可充电和可放电SOC门槛图1󰀁装置构成图11󰀁充放电装置的构成及基本功能1.1󰀁装置构成充放电装置主要由双向AC/DC功率单元、双向DC/DC功率单元和控制保护系统构成(见图1)。(1)AC/DC功率单元!主要用于实现维持中间环节直流电压恒定,产生直流360V;(2)DC/DC功率单元!用于实现直!直变换

8、,输出车辆所需电压,具有横流限压和恒压限于文斌,等󰀁电动汽车锂离子动力电池充放电装置研究1679值,具体上下限值用户可通过人机交互界面自行修改)与参与时间,并结合车辆信息和后台管理系统充放电指令进行充、放电运行。充放电装置具有完善的保护系统,至少包括输入欠压、缺相检测、输出过压、输出过载、温度保护等必要的保护功能。人机界面操作要设置二级极限:用户级:可进行模式选择、充放电设置、充放电启/停控制等操作;#管理员级:可对充放电装置进行参数设置。模块左边桥的接触器分断,右边桥的支流接触器分闸。进行运行模式转换后放电电流给定值将自动回零,需要重新设置。可通过手动在显示模块上设置放电电流

9、值来控制装置的放电电流大小;(2)若需要远端控制,在显示模块上设置操作模式远端控制,此时主控制器接收后台管理系统的放电电流指令并通过通讯下发给DC/DC模块,以改变装置的放电电流。3󰀁技术实现3.1󰀁AC/DC模块设计AC/DC模块采用3个单相相高频SPWM整流(逆变)电路,主功率回路(见图3)由3个单相逆变桥、驱动电路、直流电容、电抗器、接触器、辅助电源等组成。交流输入设置有软启动电路,装置启动前,首先通过软启动电阻对直流侧充电,当电压建立后再闭合主接触器,随后装置并网运行。AC/DC模块可四象限运行,当车载动力电池充电时,将网侧交流电整流成直流电供给后级DC

10、/DC模块,当电池放电时,则将直流母线的能量逆变成交流回馈到电网。2󰀁充放电装置方案设计充放电装置采用模块化设计(电源系统的主电路原理图(见图2),主要由全控高频整流(逆变)模块和全控桥双向DC/DC变换模块组成。图2󰀁充放电装置主电路原理图AC/DC功率模块采用了3个单相AC/DC全桥高频整流电路,旨在在DC/DC充放电运行时维持中间环节直流母线的电压稳定。DC/DC部分采取3个模块并联,3个DC/DC模块的输入/输出均并联在一起,各模块之间的均流控制由DC/DC模块内部的均流控制电路完成,电流不均衡度小于5%。2.1󰀁充电过程描述(1)若需要

11、就地手动操作,在显示模块上设置工作模式为手动方式,设置充电电流值来控制装置的充电电流大小。装置具备恒流限压的功能,当蓄电池电压逐步升高达到限压值时,DC/DC模块将自动转入恒压模式;(2)若需要远端控制,在显示模块上设置操作模式远端控制,主控制器接受后台管理系统的充电电流指令并通过通讯下发给DC/DC模块,以改变装置的输出电流。2.2󰀁放电过程描述(1)若需要手动操作,在显示模块上设置工作模式为手动模式,放电运行,主控制器将通过通讯控制DC/DC模块转入放电模式,此时DC/DC图3󰀁AC/DC功率单元主电路原理图AC/DC模块由主控制器直接控制,IGBT的控制采

12、用光纤连接以提高抗干扰能力,包括12根PWM控制光纤和3根故障回报光纤。接触器的控制由主控制器开出通道的干接点直接控制。为提高系统效率,本方案中IGBT采用高速低损耗型IGBT,额定功率30kW对应的交流侧输入额定电流为45A,为兼容45kW的应用要求并考虑1.2倍的过载能力要求,选用EUPEC公司的FF150R12ME3G作为开关元件。用专用的IGBT损耗计算软件,三相桥在直流电压380V、开关频率6.4kHz,计算出的每只IGBT的平均损耗为58W,12只IGBT的总损耗为696W,三相桥的变换效率可达97.5%以上。本方案单相逆变桥采用单极倍频SPWM,开关频率6.4kHz,等效开关频1

13、6802010,38(11)率为12.8kHz,对电网谐波污染很小。AC/DC交流输入侧安装有三只单相电抗器,由于输入交流电流中存在开关频率成分的高频交流分量,选用普通的硅钢片铁芯电抗器,损耗很大,发热严重,降低了系统效率,故选用适合高频应用的电抗器,本方案中采用铁氧体磁芯。单相高频整流电路,直流侧存在100Hz的波动分量,为降低电压稳波,需要加大直流侧电容,本方案中采用2只电解电容并联。3.2󰀁DC/DC模块设计DC/DC功率模块采取模块化结构,成套装置中有3只功率模块,并联运行,自动均流。每个模块包含双向DC/DC的主电路、驱动电路、保护电路、检测元件、辅助电源和独立的控制

14、电路。3个DC/DC模块通过RS485通讯与主控制器进行数据交换,完成定值下发、控制命令下发和状态信息的上传。当系统工作在充电状态时,电网侧的单相全桥处于逆变状态,电池侧的单相全桥脉冲处于脉冲封锁状态,通过其反并联二极管进行整流,为电池充电。此时网侧的直流接触器将电抗器短接,电池侧的直流接触器打开,电抗器与电容器构成LC低通滤波支路,滤除高频谐波。当电池能量需要回馈电网时,电网侧的逆变桥PWM脉冲处于封锁状态,工作在二极管整流状态,网侧的直流接触器打开,电抗器与电容器构成LC滤波支路,滤出高频谐波。电池侧的逆变桥工作在逆变状态,该环节的直流接触器打开。双向DC/DC将电池能量变换后给AC/DC

15、模块的直流侧充电,AC/DC环节将能量再回馈到电网。根据系统要求,每个DC/DC模块需要提供RS485通讯接口,因此必须有带CPU的数字控制系统,由于在能量回馈模式和充电模式下分别要实现蓄电池侧的电流控制,即在能量回馈状态,需要控制蓄电池处于恒流放电,放电电流设置值由主控制器通过通讯下发给DC/DC模块;在充电状态下,同样需要实现蓄电池侧的恒流充电或恒压充电,因此作为模拟控制电路部分的反馈只需要检测蓄电池侧的电流和电压信号,电流的反馈信号是双极性信号,模拟控制电路的设计应该注意这一点。由于在两种状态下所需控制的逆变桥不同,可通过CPU切换PWM脉冲送入到不同的逆变桥。故从以上的分析可知,DC/

16、DC模块的数模混合控制系统可在现有的直流模块的控制硬件上进行修改。DC/DC功率模块主电路原理见图4。图4󰀁DC/DC功率模块主电路原理图DC/DC功率模块主要技术参数如下:输入直流电压:400V;输出直流电压:200V350V;输出电流:0A100A;工作噪声:60dB;冷却方式:强制风冷。每个DC/DC模块输入/输出都设置有塑壳断路器,当某个模块故障后,可将故障模块退出并与主电路断开,取出故障模块进行检修。3.3󰀁控制保护系统设计控制器分别由模拟插件、主控板、光纤接口板、IO插件和电源板插件组成。以高性能DSP作为核心控制单元,具有功能强、稳定可靠等特点。见

17、图5。图5󰀁控制系统框图AC/DC模块和DC/DC模块由图5中的低压控制器统一控制。该控制器对外主要接口包括:(1)与AC/DC模块通过光纤接口,用于控制3个单相全桥高频整流电路;(2)与DC/DC模块接口的RS485通讯接口,完成指令下发和状态回报;(3)与就地显示单元采用RS232通讯;(4)与电池管理系统采用CAN2.0B通讯;(5)与后台管理系统采用以太网通讯;(6)采样交流侧三相电压/电流、直流母线电压、蓄电池接口处电压/电流。第38卷󰀁第11期2010年11月Vo.l38󰀁No.11Nov.󰀁2010电动汽车充放电站谐

18、波治理仿真计长安,罗亚桥,徐󰀁斌,洪󰀁伟,石󰀁磊,胡󰀁翀(安徽省电力科学研究院,合肥󰀁230601)摘󰀁要:通过实际检测目前某一已投运的电动汽车充放电站,分析其对电网的谐波影响。针对电动汽车充放电站的特征谐波含量大,提出合理治理方案,并在ETAP软件中,对谐波治理方案进行仿真,为实际治理工作的可行性提供参考。关键词:电动汽车;充放电站;谐波;ETAP作者简介:计长安(1973󰀁),男,博士,工程师,研究方向为电力电子与电力传动,新能源与电能质量。中图分类号:󰀁b

19、3041;文献标志码:B󰀁󰀁文章编号:1001󰀁9529(2010)11󰀁1681󰀁04SimulationoftheSuppressionofHarmonicsinCharging&DischargingStationsforElectricVehiclesJIChang󰀁an,LUOYa󰀁qiao,XUBin,HONGWei,SHILei,HUChong(AnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei230601,China)Abstr

20、act:Afterthedetectionandinvestigationofacertainoperatingcharginganddischargingstationforelectricvehi󰀁cles,theimpactsoftheharmonicsonthegridwereanalyzed.Inordertoachievehighcharacteristicharmonicscon󰀁tentinthestation,areasonabletreatmentplanwasproposed,andwassimulatedbyusingETAPsoftware,whichpro󰀁videdafeasiblereferencefortheactualsuppressionwork.Keywords:electricvehicles;changing&dischargingstation;harmonics;ETAPϗ