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Viacute;tor Monteiro, Joatilde;o C. Ferreira, Andreacute;s A. Nogueiras Meleacute;ndez, Carlos Couto, Joatilde;o L. Afonso
“基于双阶段转换器的新型架构的电动汽车外接快速充电器的实验验证”
IEEE车辆技术学报，2017年。
http://ieeexplore.ieee.org/document/8048018/
ISSN: 0018-9545
DOI 10.1109 /TVT.2017.2755545
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copy; 2014 IEEE
摘要
本文介绍了一种新型电动汽车用非车载三相快速电池充电器结构的实验验证。提出了一种基于双级功率变换器（ac-dc和dc-dc）的电动汽车快速电池充电器。交直流级用作电网和直流链路之间的接口。它由两个全桥电压源变换器并联组成，可以控制电网电流和直流链路电压。dc-dc级用作dc链路和电池之间的接口。它由一个双向三电平不对称电压源变换器构成，控制电动汽车蓄电池充电过程中的电流流量。与传统的EV快速电池充电器的解决方案相比，该结构具有交错变换器的特点，有利于减小相同开关频率下的无源滤波器尺寸和电网电流谐波失真。文中详细介绍了交直流环节和交直流环节，以及数字控制算法。实验验证在实验室进行，使用开发的电动汽车快速电池充电器原型，通过电网到车辆（G2V）和拟议的充电器到电网（C2G）模式，与电网交换有功和无功功率。
关键词：电动汽车，数字控制，快速电池充电器，交错转换器，预测电流控制。
目录
1. 介绍 1
2. 设计工作原理 3
2.1 第一功率级 3
2.2 第二功率级 3
2.3 对比分析 3
2.3.1 AC-DC前端转换器 4
2.3.2 DC-DC后端转换器 5
3. 数字控制算法 6
3.1 一级功率控制方法 7
3.2 二级功率控制方法 10
4. 实验验证 13
介绍
现如今，电动交通是提高运输部门可持续性和效率的主要贡献[1][2][3]。此外，它还可以与可再生能源集成，用于智能能源管理网络。在这一背景下，电动汽车（EV）推进技术的现状和未来趋势概述见[6]。为了说明电动汽车的优点，在[7]中对电动汽车和柴油动力汽车进行了比较。然而，要完全采用电动汽车，就必须根据微电网、智能电网和智能家庭的新模式，采取有效的控制策略来整合电动汽车[8][9][10]。其中一些策略与电能质量问题和电池充电过程所需的时间有关，这是电动汽车充电器必须解决的主要问题之一[11][12]。为了执行电池充电过程，可以使用车载充电器（通常是慢速充电器）或非车载充电器（通常是快速充电器）。对于这两种解决方案，可以确定其优缺点[13]。考虑到从电网开始的电动汽车电池充电过程需要将交流电压转换为直流电压，主要解决方案基于无源（如12脉冲二极管整流器[14]）或有源功率转换器（如维也纳、瑞士和中性点箝位转换器[15][16]），以及一级或两级转换器[14][17]。
在此背景下，提出了一种基于双级变换器的非车载三相电动汽车快速电池充电器的新结构。第一级（ac-dc）用作电网和直流链路之间的接口，由两个全桥电压源转换器并联而成。因此，这些转换器可以在交织模式下工作，即得到的频率是每个转换器开关频率的两倍。第二级（dc-dc）用作dc链路和电池之间的接口，由双向三电平非对称电压源转换器组成。该dc-dc变换器的操作类似于交错变换器，即在一个开关频率下由一个控制器控制，并且耦合滤波器中产生的频率是开关频率的两倍。在德州仪器公司（Texas Instruments）的数字信号处理器（DSP）TMS320F28335上实现了交直流两级的数字控制算法。
除了使用电动汽车专用的电池到汽车（G2V）的运行模式[18]以外，电动汽车的出现还给电网和电动汽车用户带来了许多机遇和挑战。其中一些机遇和挑战与车对家（V2H）、车对车（V2V）和车对网（V2G）运行模式有关[21][22]。除了这些操作模式外，电动汽车电池充电器还可用于缓解电能质量问题[23][24]。在这种情况下，为了补偿由负载不平衡或三次谐波引起的零序电流，有必要使用与电网的四线接口（如本文提出的架构，c.f.图1）。本文还提出了使用非车载电动汽车快速电池充电器，以减轻与低功率因数（由于无功功率）相关的电能质量问题。在这种工作模式下，只使用充电器的交直流阶段（不使用电池中储存的能量），因此本文提出将其作为充电器到电网（C2G）模式。
本文的主要贡献在于：与传统的非车载电动汽车快速电池充电器转换器相比，它可以在电网电压畸变的情况下获得正弦的电网电流，与传统的有源整流器相比，可以减小电网电流误差，减少相同开关频率的无源滤波器，增强系统冗余度，减少电网电流谐波失真[25]（参见第II.C节中的详细对比分析）；G2V运行模式和双向模式运行可能性的实验验证，即。，通过V2G运行模式（将电池中储存的部分能量输送回电网）；在G2V模式下与C2G模式结合运行的非车载电动汽车电池充电器的实验验证，产生感应或电容性无功功率，以缓解电能质量问题。
所提出的非车载电动汽车快速电池充电器的双级结构如图1所示。可以看出，这种新型结构是非隔离的，因为根据IEC 61851-1标准，只有保证牵引电池和车辆底盘之间的电流隔离才是强制性的。隔离和非隔离电动汽车电池充电器的拓扑结构见[27]和[28]。非隔离快速电池充电器的一些结构在[29]、[30]、[31]和[32]中给出。
图 1 三相EV快速电池充电器的建议架构
本文的其余部分结构如下。第二节详细介绍了电动汽车快速电池充电器（交直流和直流阶段的工作原理），并与非车载电动汽车电池充电器的主要替代转换器进行了比较分析。第三节给出了数字控制算法，第四节给出了实验验证。最后，第五节给出了主要结论。
设计工作原理
提出的电动汽车用快速电池充电器结构由两个功率级组成：交直流和直流。这两个阶段都计划允许传统的电动汽车快速电池充电过程[33]。
第一功率级
交流-直流级由两个三相电压源转换器的并联组成。该转换器由六个支路（十二个IGBT）组成，并通过电感滤波器连接到电网。对于a相，转换器产生的电压，即电压vcv_ACa1（在点xa和n之间测量）和vcv_ACb1（在点ya和n之间测量）可以取两个不同的值（(-vdc 和 vdc），在电网电压的正（vgagt; 0）和负（vgalt;0）半周期中。要注意的是，vdc是vdc1与vdc2的总和。相同的推理适用于后面两个阶段。值得注意的是这两个电压（vcv_ACa1和vcv_ACb1）之和产生的电压具有三个电平（-vdc，0和 vdc）。相间电压可以采用三个不同的值： vdc, 0和-vdc。分析点xa和xb（vcv_ACb1）之间的电压，当电压vga大于电压vgb时，转换器产生的电压可以假定两个不同的值（0和 vdc），并且当电压vga低于电压vgb时，转换器还可以假定两个值（0和-vdc）。
第二功率级
直流-直流级是一个双向三电平不对称变换器。该变换器由四个IGBT和一个二阶LC滤波器组成。通过适当的控制算法，该变换器具有类似于交织模式的特性，即在一个开关频率下由一个控制器控制，得到的频率是双倍。在G2V运行模式下，该转换器作为降压型转换器运行，在V2G运行期间，它作为升压型转换器运行。在G2V操作模式期间，使用IGBTs s14和s15的反并联二极管。当IGBT s13接通时，电压vcv_DC1（图1中标识的x和n点之间的电压）为 vdc/2，当IGBT s13断开时，电压vcv_DC1为0。当IGBT s16接通时，电压vcv_DC2（图1中标识的z点和n点之间的电压）为 vdc/2，当IGBT s16断开时，电压vcv_DC2为0。当IGBTs s13和s16都接通时，电压vcv_DC1和vcv_DC2为 vdc/2。当IGBTs s13和s16都关闭时，电压vcv_DC1和vcv_DC2为0。在V2G操作模式期间，使用IGBTs s13和s16的反并联二极管。当IGBT s14接通时，电压vcv_DC1为 vdc/2，当IGBT s14断开时，电压vcv_DC1为0。当IGBT s15接通时，电压vcv_DC2为 vdc/2，当IGBT s15断开时，电压vcv_DC2为0。当IGBTs s14和s15都接通时，电压vcv_DC1和vcv_DC2为 vdc/2。当IGBTs s14和s15都关闭时，电压vcv_DC1和vcv_DC2为0。
对比分析
此项基于使用PSIM软件进行的计算机模拟，在提出的解决方案与传统的车外EV快速电池充电器解决方案之间进行了比较分析，旨在突出提出的架构的优势。
2.3.1 AC-DC前端转换器
AC-DC前端转换器IGBT的传统全桥全控变换器，即6开关拓扑（6S）[34]、由12个IGBT和6个二极管组成的中点箝位变换器（NPC）[35]和由12个IGBT组成的交错变换器（INT）（见图1）。这些转换器分别在图2（a）和图2（b）中示出。对6S和INT转换器的IGBT施加的最大电压为vdc，对NPC的IGBT或二极管施加的最大电压为vdc/2。虽然施加到NPC的IGBT的电压是施加到交错转换器的IGBT的电压的一半，但是交错转换器的IGBT中的电流的均方根值至少要低60%左右。图3以100mu;s的细节示出了工作功率为40kw的三个转换器（6S，NPC，INT）的栅极电流。在相同的工作条件下，交错并联变换器的栅极电流纹波最小。此外，纹波的频率是其他转换器的两倍。对每一相分别进行分析，所提出的变换器的工作方式类似于通过单极性PWM开关的有源整流器，即合成电流纹波中的频率是开关频率的两倍。
图 2(a) 6开关拓扑(6S)
图 2(b) 中点箝位变换器(NPC)
图 3 在功率为40kw的情况下，对三个比较转换器（6S，NPC，INT）的电网电流进行100微秒的详细比较
2.3.2 DC-DC后端转换器
对于dc-dc转换器，比较了传统的双向半桥（HB）转换器[36]和前述的双向三电平不对称（TLA）转换器。图4以150mu;s详细示出了在工作功率为40kw的情况下进行比较的两个转换器的电流，其中三电平非对称转换器的电流具有最小的纹波，并且纹波具有另一个转换器的两倍频率。
图 4 工作功率为40kw的两
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