杜常清，潘志強(qiáng)，趙奕凡，朱一多，姚 華

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北武漢430070；2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430070)

電動汽車車載充電系統(tǒng)研究

杜常清1,2，潘志強(qiáng)1，趙奕凡1，朱一多1，姚 華1

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北武漢430070；2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430070)

性能良好的車載充電系統(tǒng)對于電動汽車發(fā)展至關(guān)重要。采用恒流-恒壓充電方法給動力電池充電。通過Matlab/Simulink建立車載充電系統(tǒng)增量式數(shù)字PID控制模型、PWM驅(qū)動模型、有源功率因數(shù)校正(APFC)電路模型、主回路模型。將模型驗證后的APFC電路及控制算法移植到所開發(fā)的樣機(jī)中進(jìn)行測試，能夠輸出穩(wěn)定的電壓、電流，紋波系數(shù)低，系統(tǒng)功率因數(shù)高。實驗證明所設(shè)計的APFC電路性能良好，所采取的增量式數(shù)字PID控制策略能夠?qū)Τ潆娤到y(tǒng)進(jìn)行有效控制。

電動汽車；車載充電系統(tǒng)；增量式數(shù)字PID控制；APFC；Matlab/Simulink

電動汽車綠色環(huán)保，是未來汽車發(fā)展的方向。動力電池充電技術(shù)是發(fā)展電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。具有良好性能的車載充電系統(tǒng)能夠保證充電安全，提高時間效率，延長二次電池壽命。

一臺性能優(yōu)良的車載充電設(shè)備應(yīng)當(dāng)為動力電池提供品質(zhì)良好的充電電壓、電流。通過功率因數(shù)校正技術(shù)，可以有效減小電壓、電流諧波，使紋波系數(shù)控制在很低的水平，同時提高系統(tǒng)功率因數(shù)。功率因數(shù)校正一般分為無源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正(APFC)。相比PPFC，APFC體積較小，可以將功率因數(shù)提高至0.9～1.0，進(jìn)一步提高了電能使用效率。

電動汽車常見的充電方式有恒壓充電、恒流充電、恒流-恒壓充電、脈沖充電。對于恒壓充電方式，在充電初期，由于充電電流過大，對電池使用壽命造成很大影響；恒流充電方式簡單，易于實現(xiàn)，電池組中相串聯(lián)的單體電池充電電流相等，便于電池均衡管理，但難以預(yù)測電池荷電狀態(tài)(SOC)是否達(dá)到100%，容易造成電池充不滿或者過充現(xiàn)象；恒流-恒壓充電方式結(jié)合兩者優(yōu)點，先恒流充電，再恒壓充電，能夠有效提高充電速度，避免過充，SOC可達(dá)到100%。

本文所設(shè)計的車載充電系統(tǒng)采用恒流-恒壓充電方式對動力電池進(jìn)行充電，通過Matlab/Simulink建立增量式數(shù)字PID控制模型、PWM驅(qū)動模型、APFC電路模型、主回路模型，對車載充電系統(tǒng)輸出電壓、電流信號進(jìn)行實時控制，得到穩(wěn)定輸出，滿足電池充電需求。

1 車載充電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的車載充電系統(tǒng)硬件電路由主回路電路和控制電路兩個部分組成。主回路電路主要包含輸入整流部分、全橋逆變部分和輸出整流三個部分?？刂齐娐凡杉敵鲭娏?、電壓信號，實現(xiàn)APFC電路控制和全橋逆變電路的驅(qū)動控制。一臺性能優(yōu)良的車載充電電源必須具備與電池管理系統(tǒng) (BMS)通信的功能，實時監(jiān)控動力電池組的工作狀態(tài)，避免過充、過放、單體不平衡等現(xiàn)象，延長電池使用壽命。車載充電系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載充電系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 車載充電機(jī)APFC電路設(shè)計

利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時整流器的負(fù)載可等效為純電阻，功率因數(shù)為1[1]。本次設(shè)計采用Boost電路作為APFC電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用平均電流法，總諧波失真較小；電流的峰值與平均值之間具有較小的誤差，可以采用連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。采用UC3854芯片對電路進(jìn)行控制。APFC電路原理如圖2所示。

圖2 基于UC3854有源功率因數(shù)校正電路

2 車載充電機(jī)系統(tǒng)建模

2.1 電流電壓控制算法

車載充電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)決定其工作的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)的核心是將輸出電壓、輸出電流值作為反饋，采樣后經(jīng)過微處理器處理，將信號依次傳遞給PID控制器、PWM驅(qū)動電路，得到不同占空比的PWM輸出電壓，對主回路進(jìn)行控制，使得充電系統(tǒng)能夠工作于恒壓或者恒流模式。整個控制模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在工業(yè)控制技術(shù)中常用的控制方法有PID控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及最優(yōu)控制等。PID控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，算法簡單，控制精度高，魯棒性好；同時，計算機(jī)與數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，使得PID控制策略具有很大的便利性與靈活性，因此在實際工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用[2]。數(shù)字PID控制算法分為位置式和增量式，位置式依賴過去的狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，而增量式控制算法每次只輸出控制增量，降低了機(jī)器故障，導(dǎo)致PID誤輸出給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重后果。增量式數(shù)字PID控制算法表達(dá)式為[3]：

由公式(1)可以看出，增量式數(shù)字PID控制算法只需三個采樣偏差即可進(jìn)行運算，具有算法簡單、可執(zhí)行性好等優(yōu)點。

2.2 車載充電系統(tǒng)電路模型

通過Matlab/Simulink工具箱[4]建立增量式數(shù)字PID控制模型、PWM驅(qū)動模型、APFC電路模型及主回路模型。

由公式(1)可建立增量式數(shù)字PID控制模型，如圖4所示。首先設(shè)定電壓或電流值，與反饋量相減，通過延時的辦法得到三個連續(xù)的偏差值，經(jīng)增益后輸出。為防止PID控制模塊輸出的控制量增加不至過快，通過Saturation飽和度模塊進(jìn)行非線性處理，有效限制了PID輸出控制量的變化率，使最終輸出電壓、電流穩(wěn)定。

圖4 增量式數(shù)字PID控制模型

PWM驅(qū)動模型主要是產(chǎn)生兩路互補(bǔ)帶死區(qū)的不同占空比的PWM信號，通過此信號驅(qū)動全橋逆變電路。占空比越大，全橋逆變電路輸出電壓越大，以此對車載充電機(jī)輸出信號進(jìn)行實時控制，仿真模型如圖5所示。

圖5 PWM驅(qū)動模型

APFC電路模型如圖6所示。

當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，經(jīng)全橋整流輸出的電壓全部加在電感L上，電感電流線性增大，二極管Diode截止；當(dāng)IGBT關(guān)斷時，整流后的電壓和電感感應(yīng)電動勢串聯(lián)，二極管Diode導(dǎo)通，向負(fù)載供電。電流運放(Substract3模塊)及其相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成了電流環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，電壓運放(Substract2模塊)及其相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成了電壓環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)?；鶞?zhǔn)電流通過全橋整流輸出電壓增益倍后與最終輸出電壓增益倍后的乘積得到，即。在電流環(huán)電路中，調(diào)節(jié)電感上的電流的平均值，使其與相位相同，從而APFC輸入端電壓與電流相位相同，使功率因數(shù)得以提高。當(dāng)平均電流法控制電路工作時，檢測得到的電流與基準(zhǔn)電流比較后，電流的高頻分量被電流運放平均化處理，電流運放輸出的平均電流誤差與鋸齒波比較，產(chǎn)生不同占空比的PWM信號，驅(qū)動IGBT。

圖6 APFC電路Simulink建模

主回路模型的設(shè)計基于DC/DC的設(shè)計思路，市電(AC 220 V)經(jīng)過全橋整流濾波電路、功率因數(shù)校正電路(PFC)提高功率因數(shù)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，使用直流電壓模塊(DC 385 V)替換全橋整流電路和PFC電路。通過PWM驅(qū)動電路控制IGBT的通斷，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，再經(jīng)高頻變壓器及LC濾波電路整流輸出，得到穩(wěn)定直流電壓或電流，滿足電池充電需求。采用工程分析法中的穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù)[5]，在仿真實驗中得出PID控制中的參數(shù)。通過建立以上電路模型，選取相關(guān)元器件參數(shù)，仿真輸出準(zhǔn)確的信號，為車載充電機(jī)實際電路中元器件參數(shù)的選取提供依據(jù)，同時也可作為一種有效的驗證手段。圖7為主回路模型。

圖7 主回路模型

3 系統(tǒng)仿真分析

設(shè)置電池的初始電壓為200 V，電池的歐姆內(nèi)阻為200 mΩ，極化內(nèi)阻為10 mΩ，極化電容為10 F，最大輸出電壓為210 V，最大輸出電流為5 A，仿真結(jié)果如圖8所示。為充電機(jī)的輸出電壓，為電池的開路電壓，為輸入交流電壓，為輸入交流電流，為充電機(jī)輸出電流。

圖8 整體仿真結(jié)果

從圖8中可以看出，充電機(jī)開始工作時，是電流環(huán)在工作，充電機(jī)在進(jìn)行恒流充電，電流大小為5 A，電流紋波為7.4%，輸出電流誤差為0.5%；當(dāng)達(dá)到設(shè)定電壓時，電壓環(huán)開始工作，此時充電機(jī)在進(jìn)行恒壓充電，電池的開路電壓最終達(dá)到設(shè)定的輸出電壓，最終電壓為212 V，電壓紋波小于0.1%，輸出電壓誤差為0.9%。APFC輸入電壓、電流相位相同，諧波較小，系統(tǒng)功率因數(shù)得到了提高。

4 實驗驗證

將EMI濾波電路、APFC電路、增量式數(shù)字PID控制策略及其他模塊應(yīng)用到所開發(fā)的車載充電系統(tǒng)中，采用恒流-恒壓充電方法對動力電池組進(jìn)行充電測試。主要測試內(nèi)容為車載充電系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流、輸出功率及效率。

通過PC上位機(jī)設(shè)置車載充電系統(tǒng)的輸出電壓、電流。每隔40 V取一個測試點，采用數(shù)字萬用表和示波器分別測試其輸出電壓值和電壓紋波，并將測試得到的功率因數(shù)(PF)、電壓值和紋波電壓記錄在表1中。

表1 恒壓輸出實驗數(shù)據(jù)

同樣設(shè)置車載充電系統(tǒng)的輸出電流，分別使其輸出1、2、3、4、5 A。用電流探頭測試其輸出電流，并將結(jié)果記錄在表2中。

表2 恒流輸出實驗數(shù)據(jù)

由表1、表2中數(shù)據(jù)可知，車載充電系統(tǒng)輸出電壓、電流恒定，誤差很小，均不超過2%；輸出電壓紋波在2.1%～4.4%的范圍內(nèi)，系統(tǒng)功率因數(shù)高，達(dá)到0.99。隨著輸出電壓的增加，輸出電壓紋波呈逐漸減小的趨勢。充電機(jī)高壓輸出誤差很小，一般在1 V以內(nèi)，誤差率不到1%。設(shè)定輸出為420 V時，充電機(jī)高壓輸出誤差較大，這是由于IGBT斬波輸出占空比達(dá)到最大，導(dǎo)致輸出電壓達(dá)到最大值，無法繼續(xù)增大。

5 結(jié)論

本文建立了車載充電系統(tǒng)相關(guān)電路模型。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的基于UC3854芯片的APFC電路能夠有效提高系統(tǒng)功率因數(shù)；采用增量式數(shù)字PID控制策略最終輸出穩(wěn)定的電壓或電流，能夠滿足動力電池充電需求。實際測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計的車載充電系統(tǒng)輸出電壓紋波系數(shù)低，信號品質(zhì)好。所建立的相關(guān)電路模型對車載充電機(jī)的實際電路設(shè)計具有一定的借鑒作用。

[1]賴聯(lián)有,曾桂英.Boost變換APFC電路設(shè)計與仿真[J].電源技術(shù)，2011(11)：1433-1434.

[2]劉建東,張欒英,谷俊杰.數(shù)字PID控制系統(tǒng)的魯棒性分析與設(shè)計[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2003，30(6)：30-33.

[3]歷風(fēng)滿.數(shù)字PID控制算法的研究[J].遼寧大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，32(4)：367-370.

[4]EDWARD M.MATLAB原理與工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006：20-40.

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Research on on-board charging system for electric vehicle

The on-board charging system with good performance is important for the development of electric vehicle.The constant current and constant voltage charging method was used to charge the battery.The incremental digital PID control model,PWM driver model,APFC model and main loop circuit model of on-board charging system were established by Matlab/Simulink.The APFC circuit after validation of the model and the control algorithm were transplanted to the developed prototype for testing.The results show that output voltage and current are stable;the coefficient ripple is low;the power factor of system is high.The experiment shows that the performance of APFC circuit is good,and the incremental digital PID control strategy can effectively control the charging system.

electric vehicle;vehicle charging system;incremental digital PID control;APFC;Matlab/Simulink

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1277-03

2015-12-10

國家科技支撐計劃項目(2013BAG09B00)；武漢市科技局項目(2013011803010606-6)

杜常清(1975—)，男，四川省人，博士，副教授，研究方向為汽車新能源及其動力系統(tǒng)。