基于LCL濾波的電動汽車充放電控制策略及仿真分析

杜旭浩,李秉宇,劉 杰,蔡子文

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

近年來,隨著國家“3060雙碳”戰略的推進,電動汽車以其節能、環保和在儲能方面的優勢,得到了迅速的普及和推廣[13]。隨著電動汽車保有量的逐年增加,電動汽車0.5~1 MW 級大功率直流快速充電技術得到了行業的高度關注[4]。然而,在對電動汽車的動力電池進行大功率充電/放電時,過大的電壓/電流紋波將嚴重影響電池的使用壽命和安全,因此,人們對電池充電/放電時的電池電壓和電流紋波越來越重視[5]。

在為動力電池充電時,電池側通常采用直流雙向變換器(Direct Current/Direct Current,DC/DC)與電池連接。為了進一步提高DC/DC 變換器的濾波性能,國內外開展了多種類型濾波器的研究工作。電池側采用LCL 型濾波器進行濾波,相對于其他濾波方式,可以大大減小電池端紋波電壓和紋波電流,但是目前缺乏簡單有效的控制方法和手段,使得LCL型濾波器的進一步推廣應用受到了極大阻礙[67]。本文針對LCL 型濾波器的充放電拓撲電路,提出了一種基于雙閉環控制策略的低紋波大功率充放電控制方法,以解決現有技術中采用LCL型濾波器DC/DC變換器的控制系統結構比較復雜的問題。

1 大功率充放電電路典型拓撲

1.1 L型濾波器

L型濾波器的充放電典型拓撲架構是一種典型的非隔離電路,在大功率電動汽車充電和放電電路中廣泛應用,其拓撲電路如圖1所示。其中,DC/DC變換器中的濾波器采用的是L型濾波器。與電網相連的前級電路采用的是脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)整流器/逆變器,可以實現能量的雙向流動;后級電路與動力電池相連采用的是DC/DC雙向變換器,該電路結構可以對動力電池充電或放電,并與前級的PWM 整流器相結合,實現電動汽車儲能與電網協調互動的功能[8]。

圖1 L型濾波器的充放電拓撲電路

L型濾波器的充放電典型拓撲在電池充放電時,存在電壓紋波和電流紋波過大的問題,過大的電壓/電流紋波將嚴重影響動力電池(如車載用鋰離子電池)的使用壽命和使用安全。隨著人們對電池充放電時的電池電壓和電流紋波大小越來越重視,對動力電池充放電的紋波要求也越來越嚴格,該種拓撲電路也將最終被其他新型拓撲電路所替代。

1.2 LC型濾波器

為了減小電流和電壓紋波對電池的影響,進一步提高DC/DC 變換器的濾波性能,可以采用LC型濾波器替換L型濾波器,其拓撲電路如圖2所示。LC型濾波器由串聯電抗L 和并聯電容C構成。在DC/DC 變換中,動力電池側輸出采用LC型濾波器進行濾波,能夠一定程度上減小電池側的紋波電壓和紋波電流幅值,進而提高動力電池的壽命和安全性。

圖2 LC型濾波器的充放電拓撲電路

LC型濾波器主要優點是電感電阻小,直流損耗小,交流電感越高濾波效果越好;但同時存在體積大、質量重、成本高的缺點,對電網放電時,可能會為電網注入開關次諧波,造成諧波污染。

1.3 LCL型濾波器

除L型濾波器和LC 型濾波器以外,LCL 型濾波器以其獨有的性能優勢,在大功率電動汽車充放電拓撲電路中逐漸受到人們的青睞,但該拓撲結構存在2個諧振點,控制相對復雜,實現難度較大。如圖3所示,LCL 型濾波器由頭部串聯電感L1、中部并聯電容和尾部串聯電感L2組成。

圖3 LCL型濾波器的充放電拓撲電路

對動力電池進行充電或放電時,在相同的紋波電壓和紋波電流指標條件下,LCL型濾波器與L型濾波器、LC 型濾波器比較,體積更小、造價更低。但是,由于LCL型濾波器拓撲電路控制系統的階數增加,特別是控制系統中的穩定性問題較為突出,造成控制器設計復雜、實際裝置調試難度大,阻礙了LCL型濾波器的進一步推廣應用。

2 雙閉環控制策略

2.1 充電模式選擇

大功率直流充電設施對電動汽車動力電池充電一般采用先恒流后恒壓的兩段式充電模式。對動力電池進行充電時,采用設定好的固定電流對電池進行恒流模式充電,當電池的電壓達到預先設定值時,轉為恒壓模式充電,直至充電容量和充電電流達到預定值,整個充電過程結束。該兩段式充電方法結合了恒流模式和恒壓模式2種充電方式的優點,克服了恒流充電模式易過充和充電不足的問題,同時避免了恒壓充電模式初期充電電流過高對電池造成損傷的缺點。

2.2 LCL拓撲電路搭建

設計了基于LCL 濾波器的大功率動力電池充放電系統拓撲電路,如圖4所示,Udc為直流母線電壓,本文用電壓源表示,由前級PWM 整流器/逆變器獲得。V1和V2為電力電子開關器件,通常為絕緣柵雙極型晶體管,內含反并聯二極管,構成升降壓DC/DC 雙向變換器。L1為變換器側濾波電感,L2為動力電池側濾波電感,C 為濾波電容,構成LCL 濾波器。動力電池的端電壓為U,電流為IB,變換器側濾波電感的電流為IL。變換器側濾波電感的電流IL和動力電池電流IB的參考方向與圖4中所示方向相同時為正,即為動力電池充電;變換器側濾波電感的電流IL和動力電池電流IB的參考方向與圖4中所示方向相反時為負,即為動力電池放電。

圖4 LCL型濾波器的DC/DC雙向變換器拓撲電路

2.3 雙閉環控制實現

2.3.1 結構原理

針對圖4 LCL型濾波器的充放電拓撲電路,提出了一種低紋波大功率充放電控制方法,即雙閉環控制策略,以提高大功率動力電池系統的充電和放電穩定性,從而簡化控制器的設計與調試,實現大功率動力電池充電時電流控制模式到電壓控制模式的無縫切換,其原理如圖5所示。

圖5 大功率動力電池充放電雙環控制原理

該控制系統中需要檢測的參量包括直流母線電壓Udc、動力電池電壓U、變換器側濾波電感L1的電流IL和動力電池電流IB。對動力電池電流IB的控制采用變換器側濾波電感L1的電流IL為內環、動力電池電流IB為外環的雙閉環結構;對動力電池電壓U的控制采用變換器側濾波電感L1的電流IL為內環、動力電池電壓U為外環的雙閉環結構。

此外,控制系統中還設置了3個前饋控制器,以提高系統的穩定性和動態響應特性;設置了2個限幅控制器,除對雙向DC/DC變換器的輸出電流、電壓進行限幅控制外,還可以實現恒流充放電控制過程中對動力電池電壓的限幅控制,以及恒壓充電控制過程中對電池電流的限幅控制;同時,還可以接收電池管理系統的信息與指令,保證了雙向DC/DC變換器和電池充放電運行時充電裝置和電池的安全。

2.3.2 恒流充放電模式控制

對動力電池進行恒流充電模式控制時,控制開關S4、S5和S6斷開,控制開關S1、S2和S3閉合。給定的動力電池充電電流參考值IB*為輸入,實測動力電池電流IB為反饋,二者的誤差作為調節器1的輸入;同時,動力電池充電電流參考值IB*也作為前饋控制器7的輸入。調節器1的輸出與前饋控制器7的輸出共同構成限幅控制器2的輸入;限幅控制器2的輸出與變換器側濾波電感L1的電流IL的誤差作為調節器3的輸入。實測動力電池電壓U與直流母線電壓Udc共同作為前饋控制器8的輸入。調節器3的輸出與前饋控制器8的輸出信號之和與前饋控制器8的輸出共同構成限幅控制器4的輸入。限幅控制器4的輸出作為三角載波PWM 信號發生器的輸入,三角載波PWM 信號發生器輸出信號驅動電力電子開關器件V1和V2工作,實現對動力電池電流的閉環控制和對變換器側濾波電感L1電流、動力電池電壓的限幅控制。

對動力電池進行恒流放電模式控制時,僅需對給定的動力電池充電電流參考值IB*反向即可,其他控制過程與充電控制的工作過程相同。

對電池進行恒流模式充電控制時,可以將控制開關S7閉合,使恒流模式充電控制結束時的動力電池電壓作為恒壓控制模式電池電壓的參考值;當恒流模式充電控制結束時的動力電池電壓不需要作為恒壓控制模式動力電池電壓的參考值時,控制開關S7斷開,可任意設定恒壓控制模式動力電池電壓的參考值。

2.3.3 恒壓充放電模式控制

對電池進行恒壓充電模式控制時,控制開關S1、S2、S3和S7斷開,控制開關S4、S5和S6閉合。給定動力電池充電電壓參考值U*為輸入,實測動力電池電壓U為反饋,二者的誤差作為調節器6的輸入;同時,動力電池充電電壓參考值U*也作為前饋控制器9的輸入。調節器6的輸出與實測動力電池電流IB共同作為限幅控制器2的輸入;限幅控制器2的輸出與實測變換器側濾波電感L1的電流IL的誤差作為調節器3的輸入。電池參考電壓U*與直流母線電壓Udc共同作為前饋控制器9的輸入。調節器3的輸出與前饋控制器9的輸出共同構成限幅控制器4的輸入。限幅控制器4的輸出作為三角載波PWM 信號發生器的輸入,三角載波PWM 信號發生器輸出信號驅動電力電子開關器件V1和V2工作,實現對動力電池電壓的閉環控制和對變換器側濾波電感L1電流、動力電池電流的限幅控制。當對動力電池進行恒壓放電模式控制時,將給定的動力電池充電電流參考值IB*反向即可。

3 仿真驗證

3.1 仿真環境搭建

為驗證上述LCL型濾波器的充電/放電拓撲電路和低紋波大功率充放電控制方法的合理性與可行性,在Matlab/Simulink中搭建了三相LCL濾波的充電/放電拓撲電路模型,按照本文控制方法,進行了仿真分析與驗證。仿真參數:電網側電壓(AC)380 V、直流母線電壓(DC)220 V、電池初始端電壓(DC)50 V、電池額定容量100 Ah、電池SOC 80%、電池內阻0.1Ω、變換器側濾波電感L1的電感值4.5 m H、變換器側濾波電感內阻0.18Ω、濾波電容500μF、電池側濾波電感L2 的電感值0.5 m H、電池側濾波電感內阻0.02Ω、開關頻率5 k Hz。

采用本文的控制方法進行電池充電模式仿真控制,充電過程中電池電壓和電流的實時仿真波形如圖6和圖7所示。采用的充電控制模式為先恒流后恒壓的2段式充電模式,首先采用50 A 恒流充電,當電池端電壓升至64 V 時設置自動轉為恒壓限流控制。

圖6 充電過程中電池電流變化示意

圖7 充電過程中電池電壓變化示意

3.2 仿真結果分析

通過分析仿真結果發現,在恒流充電階段,充電電流恒定在50 A 左右,電流波動范圍在±0.1 A以內,充電電流曲線近似一條平直線;與此同時,充電電壓隨著充電時間大致處于線性增長的模式,電池電壓從63.8 V 的起始電壓以大約83 m V/min的速率增加,當充電電壓升至64 V 時,自動轉換為恒壓限流充電模式。在恒流充電進行到2.4 min時,充電電壓被限制在64 V,充電電流從50 A 開始以大致0.45 A/min的速率減小。

可以看出,從恒流模式向恒壓限流模式轉換的過程中,充電模式轉換時間控制在3 s以內,充電電壓和充電電流的波動均極小。在恒壓限流充電階段,充電電壓和充電電流在4.5~6 min時,出現了略微的波動,但穩壓精度和穩流精度均不大于±0.5%,滿足標準要求。

與傳統L型濾波器及LC 型濾波器充放電電路相比,由于LCL濾波回路中濾波電容C 和電池側濾波電感L2的存在,對電池側的紋波電壓和紋波電流起到了分流抑制作用,電池側紋波電壓、電流控制有了較大改善,經仿真對比,基于LCL 濾波器的充放電電路的電壓、電流紋波可降低至傳統L型濾波器及LC型濾波器充放電電路紋波值的20%以下。進行電池放電模式的仿真結果與充電模式類似,不再贅敘。

4 結論

本文提出了一種基于LCL 濾波的低紋波大功率充放電控制方法,利用充電裝置、電池及其BMS的信息和指令,在控制系統環路結構中的適當位置設置了3 個前饋控制器和2 個限幅控制器,設置靈活、容易實現,提高了充放電系統的穩定性和動態響應特性,保證了雙向DC/DC變換器和電池充放電運行時的安全。實現了電池充放電時電流控制模式到電壓控制模式的秒級無縫切換,改善了電池的充放電條件,提高了電池的充電效率和充電的安全性。