能量可回馈的电动汽车充电桩设计

田小涛

（河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000）

0 引 言

随着科技进步和经济发展，各国政府大力推广电动汽车，以解决石油短缺和废气排放问题，而充电桩作为重要的配套设备成为行业技术争夺的焦点[1]。目前，充电桩单向对车充电，不能把电能送回电网，无法回收旧电池的能量。另外，生产企业测试电池性能时会有多次充放电过程，能量以发热的形式浪费，不仅没能回收节约能源，还影响电池的测试结果。如果将电池和电网连接完成能量双向流动，将有效解决这一问题。电能回收将电池能量回馈到电网，可以缓解用电压力，有很大的应用价值[2]。设计以PWM整流器和双向DC-DC变换器为核心的充电桩，可实现电能的充电和回馈，避免能量浪费。

1 总体方案

充电桩的工作模式有充电和回馈两种。两种工作模式根据用户要求进行调节，适用性较好。系统在充电模式工作，首先将电网输入的380 V交流电经过LCL滤波器去除高次谐波，其次经过PWM整流器变换为高压直流，再次经过电容稳压滤波，最后由双向DC-DC转换成充电所需的直流电。系统在能量回馈模式工作，电池的直流电经过双向DC-DC将电池低压电转换成高压直流电，再由PWM整流器将高压直流电逆变为正弦三相电，最后经网侧滤波器送至电网[3]。系统组成框图如图1所示。

图1 总体设计框图

系统组成包括变压器、PWM整流器、网侧LCL滤波器、双向DC-DC变换器、直流侧LC滤波器以及DSP控制部分。DSP作为主处理器，进行数据传输和信号处理[4]。

系统主电路如图2所示，Rload为直流侧线路电阻，L1和L2为网侧部分电抗器，C为3个星形联结的电容器，Rd为线路阻抗。

图2 系统主电路

电流的双向流动可借助PWM整流器实现，系统既能工作在充电模式，又能工作在回馈模式。两种模式的电流流向相反，系统控制三相PWM整流器和双向变换器的工作模式，从而控制电流流向，实现能量双向传输[5]。

非隔离式变换器的能量转换效率高，动态响应好，比较容易满足系统要求。变换器工作在Boost状态，能控制电压升高；变换器工作在Buck状态，能控制电压降低，通过开关T1和T2的通断实现两种状态的切换。通过采用改变功率开关占空比，可完成电压变换。开关T1和T2的控制是独立的，当系统处于充电模式时，改变输出电压，T2始终关闭，能量经T1流动，电路处于Buck状态，系统能量由电网流向电池；当系统处于回馈模式时，T1始终关闭，T2一直导通，电路处于Boost状态，电池电能经变换器和PWM整流器送到电网侧。

2 控制策略

电流流向决定电路工作状态和电能传输情况，两种工作模式下的网侧电流流向相反，并且过程可逆。控制电压型PWM整流电路要保证直流侧电压的偏差始终在允许范围内，同时电网电压的相位要同相或反相，电网侧功率因数值接近1或-1，以同时控制直流电压和电流。

2.1 电流内环设计

电流内环要对系统稳定下的电流扰动快速反应。电流内环的PI调节器环节能解耦控制有功电流id和无功电流iq。为抵消电压扰动量的影响，引入前馈，补偿电网电压对系统控制的影响。由于电流内环中的信号有采样延迟，采样值滞后实际值，用惯性环节1/(Tss+1)表示，且SVPWM矢量控制具有小惯性特性，用一个小惯性环节1/(0.5Tss+1)表示。电流内环传递函数如图3所示，Ts表示开关周期，Kpwm表示等效增益。

图3 电流内环传递函数

2.2 电压外环设计

电压外环控制三相逆变的直流输出电压稳定，对直流侧电压Udc的控制可以通过控制三相电流d轴分量id实现。电压外环调节控制结构如图4所示，KV、TV表示外环调节参数，Wci(s)表示内环等效传递函数。

图4 电压外环控制结构图

3 硬件设计

3.1 系统功率器件参数

3.1.1 交流侧LCL滤波器

主回路中，PWM整流器和电网间的连接采用交流电感，一方面能降低充电桩对电网质量的要求，另一方面阻挡了对电网的谐波干扰。设计中交流侧采用LCL滤波器，需确定的主要参数包括额定功率Pn=60 kW、直流母线电压Vdc=700 V、电网侧线电压有效值UgLL=380 V以及开关频率fsw=6 kHz。此外，还有总电感值约束、谐振频率的约束以及无功功率约束3个约束条件。

（1）总电感值约束。本文中PWM整流器采用SVPWM控制方式，LCL滤波器的电抗值Lg+L的约束条件为：

其中，Us为电网侧的电压，Ur为PWM整流器侧的电压，I为电网侧电流，Vdc为电池侧电压。

（2）谐振频率的约束。LCL滤波器的参数设计时，发生谐振频率范围要错开控制PWM整流器的开关频率。根据实际经验值，LCL滤波器满足：

其中：fr为谐振频率；fn为基波频率；fsw为整流器开关频率。

（3）滤波电容产生的无功功率约束。滤波电容可以吸收PWM整流器产生的谐波；增大电容会提高系统的无功功率，降低整体功率因数。滤波电容无功功率要小于系统额定功率5%。

其中：uc为LCL滤波器电容支路电压Pn为能量可逆充电桩的额定功率。

通常，允许电流纹波幅值为电流峰值的20%。根据设计的参数，计算得L=1.012 mH。由于电网电感Lg为L的20%，计算得Lg=0.202 mH。

此外，滤波器无功功率需小于系统总额定的2%，所以Cf=100μF。

将计算得到的L、Lg、Cf代回上述的3个约束条件式（1）～式（3）中，均满足约束条件。

3.1.2 直流侧电容

直流侧电压最大波动小于额定电压的2%，ΔUmax=6.5 V，电池满功率充放电，系统的直流电流可达389 A。假设电容能承受最大电流为400 A，经计算系统电容为13 200 μF。

3.1.3 功率开关器件

功率开关器件选用绝缘栅双极型晶体管。PWM整流器直流母线的电压是700 V，IGBT的耐压值为1 400 V，额定电流定为系统满载运行时峰值电流的1.5～2倍。因此，设计选取型号为英飞凌IHW30N160R2（30 A，1 600 V）的IGBT模块。

3.2 辅助电路

（1）采样电路：充电桩工作时采样电压和电流，采样电压为0～3.3 V。

（2）驱动电路：用光电耦合器HCPL-J312完成隔离后，信号发送给芯片DCP020515，提压范围为-15～15 V。

（3）DSP供电电路：数字处理器的电源供电电压会影响数字处理器的工作精度，设计采用芯片TPS767D301获取3.3 V电压。

4 软件设计

软件部分可分为主程序和中断服务程序两个子模块。控制部分按照预定策略实时处理采样信号，并生成6路PWM信号驱动开关管。主程序初始化后，等待中断发生的过程包括系统初始化、A/D转换初始化以及寄存器的初始化与配置。其中，系统初始化包括程序入口地址分配、锁相环初始化以及外设时钟打开设置时钟。

4.1 主程序流程图

系统用的数字处理器DSP2812，主程序流程如图5所示。当出现中断请求且请求被接受后，流程转向执行中断服务程序。每次中断服务程序执行后都会返回主程序，等待出现新的中断请求。

图5 主程序流程图

4.2 中断程序流程图

控制器完成系统控制由中断实现，本设计选择A/D中断，中断程序如图6所示。

图6 中断程序

5 结 论

设计的充电桩方案通过两种工作模式的切换进行调节，实现了电能的双向流动。充电桩可以用作电池测试设备，供电池制造商使用，并回收测试消耗的电能，不仅降低了电池损耗，提高了测试结果的精确度，还能为汽车的电机驱动系统提供优质直流电压，节约资源，降低成本。