基于LCL滤波的电动汽车充放电控制策略及仿真分析

杜旭浩,李秉宇,刘 杰,蔡子文

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

近年来,随着国家“3060双碳”战略的推进,电动汽车以其节能、环保和在储能方面的优势,得到了迅速的普及和推广[13]。随着电动汽车保有量的逐年增加,电动汽车0.5~1 MW 级大功率直流快速充电技术得到了行业的高度关注[4]。然而,在对电动汽车的动力电池进行大功率充电/放电时,过大的电压/电流纹波将严重影响电池的使用寿命和安全,因此,人们对电池充电/放电时的电池电压和电流纹波越来越重视[5]。

在为动力电池充电时,电池侧通常采用直流双向变换器(Direct Current/Direct Current,DC/DC)与电池连接。为了进一步提高DC/DC 变换器的滤波性能,国内外开展了多种类型滤波器的研究工作。电池侧采用LCL 型滤波器进行滤波,相对于其他滤波方式,可以大大减小电池端纹波电压和纹波电流,但是目前缺乏简单有效的控制方法和手段,使得LCL型滤波器的进一步推广应用受到了极大阻碍[67]。本文针对LCL 型滤波器的充放电拓扑电路,提出了一种基于双闭环控制策略的低纹波大功率充放电控制方法,以解决现有技术中采用LCL型滤波器DC/DC变换器的控制系统结构比较复杂的问题。

1 大功率充放电电路典型拓扑

1.1 L型滤波器

L型滤波器的充放电典型拓扑架构是一种典型的非隔离电路,在大功率电动汽车充电和放电电路中广泛应用,其拓扑电路如图1所示。其中,DC/DC变换器中的滤波器采用的是L型滤波器。与电网相连的前级电路采用的是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)整流器/逆变器,可以实现能量的双向流动;后级电路与动力电池相连采用的是DC/DC双向变换器,该电路结构可以对动力电池充电或放电,并与前级的PWM 整流器相结合,实现电动汽车储能与电网协调互动的功能[8]。

图1 L型滤波器的充放电拓扑电路

L型滤波器的充放电典型拓扑在电池充放电时,存在电压纹波和电流纹波过大的问题,过大的电压/电流纹波将严重影响动力电池(如车载用锂离子电池)的使用寿命和使用安全。随着人们对电池充放电时的电池电压和电流纹波大小越来越重视,对动力电池充放电的纹波要求也越来越严格,该种拓扑电路也将最终被其他新型拓扑电路所替代。

1.2 LC型滤波器

为了减小电流和电压纹波对电池的影响,进一步提高DC/DC 变换器的滤波性能,可以采用LC型滤波器替换L型滤波器,其拓扑电路如图2所示。LC型滤波器由串联电抗L 和并联电容C构成。在DC/DC 变换中,动力电池侧输出采用LC型滤波器进行滤波,能够一定程度上减小电池侧的纹波电压和纹波电流幅值,进而提高动力电池的寿命和安全性。

图2 LC型滤波器的充放电拓扑电路

LC型滤波器主要优点是电感电阻小,直流损耗小,交流电感越高滤波效果越好;但同时存在体积大、质量重、成本高的缺点,对电网放电时,可能会为电网注入开关次谐波,造成谐波污染。

1.3 LCL型滤波器

除L型滤波器和LC 型滤波器以外,LCL 型滤波器以其独有的性能优势,在大功率电动汽车充放电拓扑电路中逐渐受到人们的青睐,但该拓扑结构存在2个谐振点,控制相对复杂,实现难度较大。如图3所示,LCL 型滤波器由头部串联电感L1、中部并联电容和尾部串联电感L2组成。

图3 LCL型滤波器的充放电拓扑电路

对动力电池进行充电或放电时,在相同的纹波电压和纹波电流指标条件下,LCL型滤波器与L型滤波器、LC 型滤波器比较,体积更小、造价更低。但是,由于LCL型滤波器拓扑电路控制系统的阶数增加,特别是控制系统中的稳定性问题较为突出,造成控制器设计复杂、实际装置调试难度大,阻碍了LCL型滤波器的进一步推广应用。

2 双闭环控制策略

2.1 充电模式选择

大功率直流充电设施对电动汽车动力电池充电一般采用先恒流后恒压的两段式充电模式。对动力电池进行充电时,采用设定好的固定电流对电池进行恒流模式充电,当电池的电压达到预先设定值时,转为恒压模式充电,直至充电容量和充电电流达到预定值,整个充电过程结束。该两段式充电方法结合了恒流模式和恒压模式2种充电方式的优点,克服了恒流充电模式易过充和充电不足的问题,同时避免了恒压充电模式初期充电电流过高对电池造成损伤的缺点。

2.2 LCL拓扑电路搭建

设计了基于LCL 滤波器的大功率动力电池充放电系统拓扑电路,如图4所示,Udc为直流母线电压,本文用电压源表示,由前级PWM 整流器/逆变器获得。V1和V2为电力电子开关器件,通常为绝缘栅双极型晶体管,内含反并联二极管,构成升降压DC/DC 双向变换器。L1为变换器侧滤波电感,L2为动力电池侧滤波电感,C 为滤波电容,构成LCL 滤波器。动力电池的端电压为U,电流为IB,变换器侧滤波电感的电流为IL。变换器侧滤波电感的电流IL和动力电池电流IB的参考方向与图4中所示方向相同时为正,即为动力电池充电;变换器侧滤波电感的电流IL和动力电池电流IB的参考方向与图4中所示方向相反时为负,即为动力电池放电。

图4 LCL型滤波器的DC/DC双向变换器拓扑电路

2.3 双闭环控制实现

2.3.1 结构原理

针对图4 LCL型滤波器的充放电拓扑电路,提出了一种低纹波大功率充放电控制方法,即双闭环控制策略,以提高大功率动力电池系统的充电和放电稳定性,从而简化控制器的设计与调试,实现大功率动力电池充电时电流控制模式到电压控制模式的无缝切换,其原理如图5所示。

图5 大功率动力电池充放电双环控制原理

该控制系统中需要检测的参量包括直流母线电压Udc、动力电池电压U、变换器侧滤波电感L1的电流IL和动力电池电流IB。对动力电池电流IB的控制采用变换器侧滤波电感L1的电流IL为内环、动力电池电流IB为外环的双闭环结构;对动力电池电压U的控制采用变换器侧滤波电感L1的电流IL为内环、动力电池电压U为外环的双闭环结构。

此外,控制系统中还设置了3个前馈控制器,以提高系统的稳定性和动态响应特性;设置了2个限幅控制器,除对双向DC/DC变换器的输出电流、电压进行限幅控制外,还可以实现恒流充放电控制过程中对动力电池电压的限幅控制,以及恒压充电控制过程中对电池电流的限幅控制;同时,还可以接收电池管理系统的信息与指令,保证了双向DC/DC变换器和电池充放电运行时充电装置和电池的安全。

2.3.2 恒流充放电模式控制

对动力电池进行恒流充电模式控制时,控制开关S4、S5和S6断开,控制开关S1、S2和S3闭合。给定的动力电池充电电流参考值IB*为输入,实测动力电池电流IB为反馈,二者的误差作为调节器1的输入;同时,动力电池充电电流参考值IB*也作为前馈控制器7的输入。调节器1的输出与前馈控制器7的输出共同构成限幅控制器2的输入;限幅控制器2的输出与变换器侧滤波电感L1的电流IL的误差作为调节器3的输入。实测动力电池电压U与直流母线电压Udc共同作为前馈控制器8的输入。调节器3的输出与前馈控制器8的输出信号之和与前馈控制器8的输出共同构成限幅控制器4的输入。限幅控制器4的输出作为三角载波PWM 信号发生器的输入,三角载波PWM 信号发生器输出信号驱动电力电子开关器件V1和V2工作,实现对动力电池电流的闭环控制和对变换器侧滤波电感L1电流、动力电池电压的限幅控制。

对动力电池进行恒流放电模式控制时,仅需对给定的动力电池充电电流参考值IB*反向即可,其他控制过程与充电控制的工作过程相同。

对电池进行恒流模式充电控制时,可以将控制开关S7闭合,使恒流模式充电控制结束时的动力电池电压作为恒压控制模式电池电压的参考值;当恒流模式充电控制结束时的动力电池电压不需要作为恒压控制模式动力电池电压的参考值时,控制开关S7断开,可任意设定恒压控制模式动力电池电压的参考值。

2.3.3 恒压充放电模式控制

对电池进行恒压充电模式控制时,控制开关S1、S2、S3和S7断开,控制开关S4、S5和S6闭合。给定动力电池充电电压参考值U*为输入,实测动力电池电压U为反馈,二者的误差作为调节器6的输入;同时,动力电池充电电压参考值U*也作为前馈控制器9的输入。调节器6的输出与实测动力电池电流IB共同作为限幅控制器2的输入;限幅控制器2的输出与实测变换器侧滤波电感L1的电流IL的误差作为调节器3的输入。电池参考电压U*与直流母线电压Udc共同作为前馈控制器9的输入。调节器3的输出与前馈控制器9的输出共同构成限幅控制器4的输入。限幅控制器4的输出作为三角载波PWM 信号发生器的输入,三角载波PWM 信号发生器输出信号驱动电力电子开关器件V1和V2工作,实现对动力电池电压的闭环控制和对变换器侧滤波电感L1电流、动力电池电流的限幅控制。当对动力电池进行恒压放电模式控制时,将给定的动力电池充电电流参考值IB*反向即可。

3 仿真验证

3.1 仿真环境搭建

为验证上述LCL型滤波器的充电/放电拓扑电路和低纹波大功率充放电控制方法的合理性与可行性,在Matlab/Simulink中搭建了三相LCL滤波的充电/放电拓扑电路模型,按照本文控制方法,进行了仿真分析与验证。仿真参数:电网侧电压(AC)380 V、直流母线电压(DC)220 V、电池初始端电压(DC)50 V、电池额定容量100 Ah、电池SOC 80%、电池内阻0.1Ω、变换器侧滤波电感L1的电感值4.5 m H、变换器侧滤波电感内阻0.18Ω、滤波电容500μF、电池侧滤波电感L2 的电感值0.5 m H、电池侧滤波电感内阻0.02Ω、开关频率5 k Hz。

采用本文的控制方法进行电池充电模式仿真控制,充电过程中电池电压和电流的实时仿真波形如图6和图7所示。采用的充电控制模式为先恒流后恒压的2段式充电模式,首先采用50 A 恒流充电,当电池端电压升至64 V 时设置自动转为恒压限流控制。

图6 充电过程中电池电流变化示意

图7 充电过程中电池电压变化示意

3.2 仿真结果分析

通过分析仿真结果发现,在恒流充电阶段,充电电流恒定在50 A 左右,电流波动范围在±0.1 A以内,充电电流曲线近似一条平直线;与此同时,充电电压随着充电时间大致处于线性增长的模式,电池电压从63.8 V 的起始电压以大约83 m V/min的速率增加,当充电电压升至64 V 时,自动转换为恒压限流充电模式。在恒流充电进行到2.4 min时,充电电压被限制在64 V,充电电流从50 A 开始以大致0.45 A/min的速率减小。

可以看出,从恒流模式向恒压限流模式转换的过程中,充电模式转换时间控制在3 s以内,充电电压和充电电流的波动均极小。在恒压限流充电阶段,充电电压和充电电流在4.5~6 min时,出现了略微的波动,但稳压精度和稳流精度均不大于±0.5%,满足标准要求。

与传统L型滤波器及LC 型滤波器充放电电路相比,由于LCL滤波回路中滤波电容C 和电池侧滤波电感L2的存在,对电池侧的纹波电压和纹波电流起到了分流抑制作用,电池侧纹波电压、电流控制有了较大改善,经仿真对比,基于LCL 滤波器的充放电电路的电压、电流纹波可降低至传统L型滤波器及LC型滤波器充放电电路纹波值的20%以下。进行电池放电模式的仿真结果与充电模式类似,不再赘叙。

4 结论

本文提出了一种基于LCL 滤波的低纹波大功率充放电控制方法,利用充电装置、电池及其BMS的信息和指令,在控制系统环路结构中的适当位置设置了3 个前馈控制器和2 个限幅控制器,设置灵活、容易实现,提高了充放电系统的稳定性和动态响应特性,保证了双向DC/DC变换器和电池充放电运行时的安全。实现了电池充放电时电流控制模式到电压控制模式的秒级无缝切换,改善了电池的充放电条件,提高了电池的充电效率和充电的安全性。