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具有功率调节功能的多辆电动汽车的电池充电站
Jesse Prajapati
电气工程系
Sardar Vallabhbhai国家技术研究所
印度苏拉特
Rakesh Maurya
IEEE 成员
电气工程部
萨达尔瓦尔拉布海国家技术学院
苏拉特，印度
摘要
基于变流器的非车载充电站的双有源电桥（DAB）转换器建议采用多重电动汽车电池充电。改善公用电的电能质量的新特性也改善降低了电网公用事业的成本，同时降低充电站的主人花费的成本。此外，这将改善由于燃料消耗过多而污染的气候条件。这种充电器可以减少谐波的数量，并在车辆不充电的时候给住宅设施提供非线性负载的无功补偿。控制算法由恒定电流流，恒压充电模块和自适应利用LMS的负载电流分量算法提取基波的横向滤波器。基于该充电站的DAB充电的Simulink模型是为四辆车充电而开发的。为调查系统性能，将四台电动汽车连接在充电端口，其中两辆车的蓄电池在CC模式下充电，剩余两辆车蓄电池以CV模式充电，并为每辆车提供340W 56.5V/6A、360W 60V/6A、30W 50V/0.6A和125W 125V/1A的功率分别通过各自连接充电口。此外，一个非线性负荷作为局部负荷接入电网。
关键字：双有源桥变换器、横向滤波器、LMS算法、多电动汽车充电器、电能质量
1.导言
自21世纪初以来，工业界和学术界已经加强了对电动汽车的关注，因为世界上大多数城市有严重的空气污染。在过去，电动汽车只在很少地方使用例如医院、仓库、高尔夫球场和社团等等。早些时候，当电池没有在技术上的进步，电动汽车不是更好的选择。后来，电池、控制器、电机和驱动器的进步引起了制造商和客户的关注。电池和电力电子技术的改善，导致大规模实施用电动汽车作为城市里交通工具在全世界人口众多的城市[1]-[2]。如今，电动汽车已成为消费者的另一种选择因为它的低维护，减少损失，高效率，减少噪音和环境污染，与内燃机汽车相比具有成本竞争力。
为了电动汽车的成功运行，充电基础设施是强制性的，必须具有较高的功率和高能量容量。按惯例，充电器需要先进行交直流转换，后面再接直流-直流转换器。因此，它会吸收非隔离输入来自公用事业的电流产生电能质量问题[3]。满足电能质量问题和环境问题值，电动汽车充电器可以变得更具选择性，当可再生能源（风能和太阳能）在应用到车载和非车载中充电器[4]。转换器的全面控制的重要方式是通过利用车辆蓄电池电力做无功补偿，谐波电流补偿与有功功率支持[5] 。这需要一种有效的控制算法为不同目的提供电能质量服务，以减轻业主的高成本负担，使电动汽车成为更好的选择在市场上，同时降低单独电能质量改善设备的费用[6]-[7]。双向DC-DC转换器作为接口在两个直流电源之间方向。由于双向特性，它们被广泛应用用于开关电源、直流不间断电源、电池充电电路和计算机等[8]-[13]。双向DC-DC变换器很容易通过调整变压器匝数比和占空比来完成高压增益。根据应用，双向DC-DC转换器分为隔离型和非隔离型[14] -[16]。一双有源桥双向DC-DC变换器具有多个优点，列如ZVS和ZCS的优点，成本更低，效率更高。这个拓扑结构被用于高功率密度、低成本和重量的地方是必需的[17]-[21]。
本文分为不同部分。第一节浅谈电动汽车的需求，蓄电池充电，双向DC-DC转换器优点。建议基于充电器的电能质量特性的双向有源桥变转换器的概述； DAB转换器的基本原理和工作原理见第二节。第三节讨论DAB和PWM转换器的控制算法。它还展示了CC和CV充电模式的门脉冲的产生。第四节介绍两种充电情况下所提出拓扑的仿真研究。第五节讨论建议使用的组件的设计方程。它还显示选定的分级。
2.系统配置与操作
提议的系统配置的拓扑结构的技术和它的操作细节在下面一段讨论。
A.拓扑结构
图1a是为多辆车充电的非车载电池充电器的系统配置图，它由PWM变换器、双有源桥（DAB）转换器，车辆蓄电池（Vbat1、Vbat2、Vbat3、Vbat4）、交流电压源（Vs）和非线性住宅荷载组成。PWM变换器由由四个开关开关（T1至T4）以及滤波电感（Lf）组成的电压源转换器和直流链路电容器（Cdc）组成。采用了PWM变换器提供可调节直流稳压（VDC链路）和同时符合电能质量标准在车辆蓄电池充电期间。因为PWM转换器有公用事业提供电力的能力，其可以在充电和放电模式保证并改善电能质量。
图1非车载充电器（a）拓扑结构示意图（b）DAB转换器的开关波形
滤波电容器（Cbat）被用来储存能量在车辆蓄电池充电期间。每个DAB转换器包含两个h桥组成，每个h桥有四个开关架桥并用高频变压器隔离。这些开关（S1-S4，Q1-Q4）是可控的带反并联二极管的半导体开关，反并联二极管有助于双向功率流。两座桥可以将直流电压转换为高频平方波并应用于一级和二级高频变压器的绕组。Llk是泄漏电流和任何其他外部能量，转移到变压器的电感中。
如果产生从电源流到蓄电池的功率流，则第二座桥落后于第一座桥，反之亦然，功率流的流动方向受相位控制，将一个桥的栅极脉冲与另一个桥进行移位。这称为相移调控技术（PSM）。因此，领先的桥向落后的桥提供能量。如图1b所示，S1和S4的门脉冲分别以脉冲Q1和Q4的角度delta;，同时每个开关的占空比为50％。 Vh1和Vh2是DAB转换器1的每个桥的中点两端的电压，如图1a所示。 漏感电压（Vlk）和电流（Ilk）如图1b所示，其沿x轴对称。
B.运行方式
设计的非车载充电器用于执行多功能，即在闲置期间用作功率调节器，当没有连接电动汽车充电和作为多个车载电池充电器。
（1）作为功率调节器
在这种操作模式下，设计的系统充当的功率调节器在没有电动汽车充电的时候，即充电器输出端口保持空闲状态。通过选择合适的控制算法可断开DAB转换器。在这种情况下，PWM转换器仅提供所需的住宅负载并保持几乎一致的功率因数运行，较小电流，THD符合IEEE标准519；1992。在充电器的空闲时间，它承担通过接口滤电感器（Lf）进入PCC所需的谐波电流量。这个滤波电感滤除谐波电流（Ir）中的纹波。直流电路电容器（VDClink）的电压操作PWM转换器，通过控制算法支持恒定直流电压。因此，非线性负载得出正弦电流仅来自电力公司，而无功功率由PWM转换器补偿。大量的负载电流的基本分量由横向滤波器和LMS算法计算，这是在下一节中讨论。
（2）作为电池充电器
一旦车辆电池连接到充电器端口，此转换器拓扑开始为电动汽车电池充电同时还有功率调节功能。根据要充电的汽车数量，有关的DAB转换器开始运行。 此外，有关的DAB转换器工作于恒定电压充电或者恒流充电模式，其取决于EV电池的充电状态（SOC）。例如，四个EV电池的电量分别为20％，40％，70％，90％SOC连接到充电器的每个端口在图1（a）中，它们各自的DAB转换器在在CV和CC模式下独立运行。在此模式下，PWM转换器保持恒定的直流链路电压为DAB转换器供电，并且还能进行功率调节。
3.PWM和DAB转换器的控制算法
设计的系统的控制方案包括横向滤波器和LMS算法，参考电流产生和门脉冲产生模块。每个块的详细内容讨论如下：
A. 横向滤波器和LMS算法
自适应横向滤波器确定负载电流的基本值的权重。 一个滤波器的输入是实际负载电流（Iload），其包含基波和谐波分量及其他输入是和工作电压（Usine）同相的单位正弦分量，推导出公式（1），如图2（b）所示。标准单位正弦分量被视为更改分量（WLK）的参考，这样，滤波器供给负载的基本分量。LMS算法会迭代这些分量。WLK中的下标L描述了过滤器长度，即并行权重数。 现在与过去权重在加法器的帮助下相加以获得输入负载电流的基波值，如图2（a）。[22]
图2系统的控制算法（a）横向滤波器（b）PWM和DAB转换器的控制框图
诸如稳态精度和适应响应时间，衡量这个过滤器的表现性能和工作性能。 当参考值和实际值是相比较，它会产生稳态误差，即均方根其与适应参数成正比。 适应速度由下式（L 1）/MSE给出。滤波器的性能取决于适应性参数micro;和滤波器的长度L。另一个影响滤波器性能的参数是适应算法。 本文的LMS算法是由于其简单性而被选中。[22]
标准单位正弦方程由图2（b）中实现的公式（1）表示。 这个过滤器易于实现，其性能取决于过滤器长度，即样本数。
B. 充电模式下产生参考电流
对于参考源电流产生（Isref），基本负载电流（Ifl）的估计量和添加了PI控制器（WPI）的输出，并且它们的总和乘以单位正弦模板（Usine），如图2（b）所示。 因此，公式（2）描述了以上说明，
基本负载电流Wfl的峰值也称为因为Ifl是由等式提取的，
其中，ek是错误的第k个样本，uk是等式（3）中单位正弦模板的第k个样本。 micro;是自适应参数，可以根据所需的输出。 LMS算法对此起作用方程并生成权重Wfl。
除了功率调节之外，PWM转换器还必须保持直流链路恒定，因此，比较直流链路电压和参考电压。参考电压与实际直流链路电压之间的误差由等式给出，
现在，PI控制器输出控制DC总线第k个采样瞬间的电压，取[22]
C. PWM转换器充电模式下产生门脉冲
添加了PI控制器块（WPI）的输出添加了基本非线性负载电流Ifl，然后与单位正弦模板Usine相乘以生成参考基本源电流Isref。 这个参考电流与实际电源电流Is进行比较。现在，产生的信号与5KHZ的斜波进行比较产生栅极脉冲T1-T4给PWM转换器。
D.DAB转换器在充电模式下产生门脉冲
图2（b）显示了VDC链接和电池之间的中间DAB转换器（紫色部分）的控制方案。 PI的输出与频率为10 kHz的斜坡波以生成门脉冲S1-S4和Q1-Q4，用于处于充电模式的DAB转换器。该DAB转换器用于在恒定电流和恒定电压模式为电池充电。 基于电池的SOC，操作模式在CC和CV之间选择。 当电池的SOC小于40％时，通过保持恒定电池电流至6A，DAB转换器在CC模式下工作。 一旦电池充电高达48V和120V，即各自高达70％和90％的SOC，模式将切换到CV模式，其中电池电压将保持在48V和120V之间。
4. 电路元件的设计与选择
完整的系统的零件的设计和选择在小节讲解。
A.接口滤波电感器（Lf）
接口滤波电感器将减弱补偿电流中的纹波。额定功率为约1460W。 基本的非线性负载电流的分量的RMS值由下式给出：
PWM转换器的额定电流与过滤器的值由下式给出：
因此，接口电感的VSC值计算如下：
B.直流环节电容器（Cdc）的设计
直流链路电容值按方程式（9）：
该公式利用动态时间的储能变化。 [22]
C.DAB转换器（Llk）中的漏感设计
DAB转换器中的漏感用于分别在充电和放电期间的降压和升压操作。它表示隔离变压器的总漏感，还有助于在初级和次级电压之间产生延迟。
漏感计算如下：
D.DAB转换器（Cbat）中输出电容器的设计
输出电容的值计算如下：
其中
Is1 =电源电流的RMS基本值
Idc =电源电流的幅度
Vdc = PWM转换器的输出直流母线电压
fs = PWM转换器的开关频率
N =匝数比
Vin = DAB转换器的输入电压
Vbat =电池电压
D =占空比
fsw = DAB转换器的开关频率
Pout = DAB转换器的输出功率
Ibat =电池电流
表1下方显示了参数并选择了拟设系统的等级。
表I设计的电路参数值
5.仿真结果与讨论
非车载充电系统的Simulink模型开发四辆电动汽车的电池充电通过使用Sim 电力系统和MATLAB软件的Simulink工具箱。根据充电状态，运行使用有关的DAB转换器，每个汽车电池均单独恒流/恒压充电。例如，四辆电动汽车充电时，其中两节汽车电池在CC模式（第1和第2）下充电，剩余两节汽车电池在CV模式下充电（第3和第4）并分别通过充电端口为每辆车提供340W，56.5V / 6A，360W 60V / 6A，30W 50V / 0.6A和125W 125V / 1A功率。此外，非线性负载连接到公用电网作为本地负载，并绘制电源不良功率因数导致的畸变电流和源电流中的高THD。为调查系统的性能，直流链路电压，电流通过接口连接滤波电感器，电池电压，电池电流，电池SOCs连续不断在仿真研究期间观察到的结果如图5到图7所示。此外，输入交流电源提供电压和电流持续被监控以评估充电站的功率质量特点，如图4所示：
A.功率调节模式
当没有电动汽车连接到充电端口。PWM转换器利用控制算法执行功率调节功能。它执行两个目标，首先保持直流链路电压定值400V，再是通电通过保持单位功率因数和尽可能减小电源电流的谐波失真来做功率调节。如图4（a）所示，实用电流与峰值约为9A RMS的电源电压同相。在这种模式下，电源提供的有功功率1360W。电源电压和电源电流的THD为分别如图4（b）和图4（c）所示，维持IEEE 5
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