康偉 張翮 陳興 詹廣興 王鈺 張麗霞

(1.中國石油大學 信息與控制工程學院，山東東營 257061;2.河南省電力公司南陽供電公司，河南南陽 473000)

0 引言

目前動力汽車充電器主要是相控方式和PWM方式的整流器［3］。其結構如圖1所示。動力蓄電池組是等容性的特殊負載，其內阻極小，本身具有反電動勢。即使充電器輸出電壓紋波較小，充電電流也會有較大的紋波。假設充電器輸出的電壓為Uo，電池組反電動勢為Eo，內阻為ro(ro?1Ω)，則電池組的充電電流Io=(Uo－Eo)/ro。因此即使整流器輸出電壓紋波合格，電流也可能存在較大的紋波，因而必須在直流側設置濾波器，以減少充電電流的諧波含量，延長電池組的使用壽命。

圖1 電動汽車充電器結構

針對以上問題，論文基于電流紋波抑制，快速響應性的提高以及濾波器匹配型設計三個方面對動力汽車充電器濾波器的設計展開討論，并通過方針和試驗驗證了方案的合理性和可行性。

1 低紋波濾波器的設計

1.1 濾波器的算法

電池組充電首要問題是減小充電電流的紋波。但是電池組的反電勢和小內阻為濾波器設計帶來了困難。此外，因為整流器輸出的電壓紋波和電流紋波都是6次及以上高次諧波［4］，通帶(直流)和阻帶(6次諧波)間隔較近，要盡量提高過渡帶衰減的增長速度，以達到合適的濾波效果。根據低通濾波器不同的衰減特性，形成的濾波器主要有以下幾種［5］:最平響應濾波器，切比雪夫濾波器，考爾參數濾波器和一般參數濾波器。

巴特沃斯濾波器在通帶內有較為平坦的濾波特性，阻帶內的衰減隨頻率單調增大;切比雪夫濾波器在通帶內呈現等起伏特性，而阻帶內的衰減具有更快的增長速率;考爾參數濾波器在通帶和阻帶內衰減都呈現等起伏特性;一般參數濾波器在通帶內作等起伏變化，在阻帶內可以按照設定的規(guī)律變化。切比雪夫濾波器在通帶內有等起伏特性且阻帶內的衰減有較高的增長速率，并且較易于實現，其衰減特性，十分符合動力蓄電池組測試系統(tǒng)直流側濾波器設計的需要。因此，論文設計了基于切比雪夫濾波器的直流濾波器。

按照傳統(tǒng)理論，切比雪夫濾波器的階數n應該滿足公式(1)

其多項式的一般形式為

1.2 濾波器匹配特性的討論

設計濾波器必須考慮其匹配特性。當假定濾波器兩端所接阻抗相等時，稱之為匹配的;如假定不相等，稱之為非匹配的。通常討論的濾波器設計都是基于匹配型濾波器的設計。但是對于動力汽車充電用的直流濾波器來說，其一側接的是電網，另一側為蓄電池組。因為電動汽車用電池組是由多節(jié)電池串并聯組成，而電池組的內阻不是一個固定的數值。不同材質的電池內阻不同［5］，一般來說，鉛酸電池的內阻要大于鋰離子電池和金屬氫化物(MH-Ni)電池。(MH-Ni電池內阻為0.23mΩ左右)，超級電容器更小;而同一材質的電池，容量越大，內阻越小;同一節(jié)電池，內阻會隨著使用的次數的增加略呈增大的趨勢。

因為我國配電網的特殊性，系統(tǒng)阻抗遠大于電池組的阻抗，所以動力汽車充電器的直流濾波器要按照非匹配型設計［6］。如果濾波器為非匹配型(即濾波器兩端系統(tǒng)等校內組不相等)，會為濾波器的傳輸特性在匹配型上增加平坦衰減［7］;如果非匹配型的濾波器按照匹配型的設計，會大大影響其濾波效果［7］。

隧道排煙設計，考慮排煙區(qū)段較長，隧道設排煙豎井一座，設置在樁號K104+439與K104+430左右線中間處，豎井井口標高926 m，井深88 m，成井直徑5.20 m，最大開挖直徑6.52 m(包含5 cm預留變形量)，距離右線出口761 m。兩隧道均設置排煙橫洞與之連接。豎井正常情況下不啟用，僅在火災情況下視火災發(fā)生的不同部位結合防災預案正確開啟來排煙，排煙區(qū)段分4 900 m和800 m兩個區(qū)段排煙。

因為匹配型和非匹配型濾波器只是參數不同而拓撲結構完全相同，所以二者拓撲結構統(tǒng)一如圖2所示。

圖2 五階切比雪夫濾波器結構

參照文獻［6］，論文選取濾波器的階數為5階。因為切比雪夫濾波器的衰減特性為通帶內有小量起伏，設計濾波器時將通帶內衰減設大，可以在某種程度上抑制低于6次的諧波［9］。按照切比雪夫多項式，當 Ap=8，ω=200π，內阻為0.2 Ω 設計匹配型和非匹配型切比雪夫濾波器參數分別如表1和表2所示。

1.3 匹配型濾波器和非匹配型濾波器仿真比較

因為相控方式的整流器輸出諧波含量遠大于PWM方式，因此論文僅選取相控方式的整流器進行比較分析。根據圖1所示的結構分別搭建充電系統(tǒng)，將匹配型濾波器和非匹配型濾波器，分別接入系統(tǒng)進行濾波，整流橋濾波前、經匹配型濾波器濾波和非匹配型濾波器濾波的電流波形如圖3(1)～3(3)所示。仿真系統(tǒng)參數如下:三相峰值電壓50V，電池組內阻0.2Ω，反電動勢38V，觸發(fā)角 α=40°，濾波器參數參考表1，表2。

表1 匹配型切比雪夫濾波器參數

表2 非匹配型切比雪夫濾波器參數

由仿真結果可以看出，非匹配型濾波器考慮了負載的大小差異，因此濾波效果要優(yōu)于匹配型濾波器的濾波效果。但是其響應速度仍然比較慢，因此應采取措施提高系統(tǒng)的響應速度。

2 提高濾波器響應特性方法

針對論文設計的切比雪夫濾波器，目前有三種方法可以用來提高濾波器的響應速度，因為對他們沒有統(tǒng)一的稱呼，論文在此簡稱為諧振法、阻尼控制法和極點分析法，將他們的原理應用于論文設計的濾波器，并比較如下。

圖3 匹配型和非匹配型濾波器濾波比較

2.1 諧振法

諧振法改進的濾波器是通過在濾波器并臂(即并聯電容的臂)串入電阻，讓該臂的并聯諧振頻率等于需要濾除的諧波，因為對濾波器的傳輸特性影響較大，所以電阻應串入濾波電流相應較小的臂［10］。由仿真可知，流過電容C2的電流遠小于C1的電流(限于篇幅本文不給出波形)，因此電阻應與C2串聯。根據諧振法的原理，其拓撲結構如圖4所示。

圖4 諧振法修正的濾波器結構

修正后的濾波器參 數 為 L1= 0.0012H， L2= 0.0015H，L3=0.0012 H，C1= C2=5900μF，R=0.28Ω。

2.2 阻尼控制法

阻尼控制法［11］的原理是將多階濾波器分解成若干簡單Γ型濾波器級聯的形式，然后通過分別控制他們相應的阻尼比達到提高響應速度的目的。修正后的濾波器結構如圖5所示。

圖5 阻尼控制法修正的濾波器結構

濾波器被分為兩級，L1，R1和 C1組成的初級和 L2，C2組成的次級諧振電路，F0是整流器輸出諧波頻率，兩級電路的截止頻率分別為F1，F2。根據阻尼控制原理，針對公式

為了限制 F2的諧振峰值，應，20lgpP2＜0，L2/L1＜1，通常L2/L1=0.25H ～0.6H，C2/C1應該盡量小，通常 C2/C1=0.05 ～0.1，修正后的濾波器參數為 L1=0.0012H，L2=0.0006H，L3=0.0012H，C1=5900μF，C2=3000μF，Rd=1Ω。

2.3 極點分析法

極點分析法［12］修正后濾波器結構同圖5，根據文獻［7］，修正前的切比雪夫濾波器的極點分布于一橢圓上。并臂加入電阻后，濾波器的極點位置發(fā)生了變化，但是為了盡量維持濾波器的傳輸特性，新的極點應盡可能接近原來的位置。5階濾波器在C1處串聯電阻Rd后系統(tǒng)的轉移導納YT(s)為

提高系統(tǒng)的響應速度即提高YT(s)的曲線的響應速度。

修正后的濾波器參數為 L1=0.0012H，L2=0.0015H，L3=0.0012 H，C1=C2=5900μF，Rd=0.6Ω。

2.4 仿真驗證

基于MATLAB搭建圖1所示的三組電池組充電系統(tǒng)，分別取三種方法修正濾波器的結構和參數。選取控制角α=40°，此時對應整流橋輸出電壓諧波較嚴重的情況(輸出電壓諧波含量達到60%)。相控整流橋輸出電流經濾波后波形如圖7(a)～7(c)所示。當濾波器都進入穩(wěn)態(tài)后，取0.4s～0.42s的電流進行FFT分析，則圖7中(a)，(b)，(c)對應的諧波含量分別為0.2%，2%和0.4%。從響應速度分析，7(a)、7(b)、7(c)對應的響應時間分別是 0.12s，0.04s，0.06s.

圖6 三種快速響應算法仿真比較

由仿真結果可以看出，阻尼控制法能夠迅速提高濾波器的響應速度(響應時間為其它方法的一半)，但是因為對元件參數修正過多，因此濾波效果明顯受到影響，因此輸出電流紋波過大，因而這種方法適合對響應速度嚴格要求而對輸出電壓或電流紋波要求較寬松的場合(如不具備反電動勢的負載等)。而諧振法和極點分析法的濾波效果明顯要好的多。如果改變控制角α，則諧振法在充電電流較大(即α較小時)，與極點分析法相比，系統(tǒng)具有較長的響應時間(限于篇幅，文中未給出比較波形)，因此，使用極點分析法修正切比雪夫濾波器，應用于電動汽車充電器的濾波器設計，具有較佳的綜合輸出特性。

2.5 實驗驗證

論文如圖1所示，在實驗室環(huán)境下建立了簡單的電池充電系統(tǒng)。電源電壓經9kW調壓器降壓后由相控整流橋轉換為直流，經濾波器濾波后給三節(jié)串聯的電池充電。每節(jié)電池端電壓為12V，內阻約為0.2Ω。調壓器輸出電壓為55V.當 α=40°時充電電流如圖7所示。

圖7 三種濾波器輸出電流

實驗驗證了仿真的結論。阻尼控制法暫態(tài)響應時間最短，但是穩(wěn)態(tài)濾波效果可調范圍較窄;而極點分析法雖然響應速度略慢，但是有較寬的輸出可調范圍。因此更適用于電池這樣內阻小，具有反電動勢的等容性負載。

3 結論

論文針對動力蓄電池組對充電器的特殊要求和電池組自身的特殊性，討論了電動汽車充電器直流濾波器的設計方法。通過對濾波器匹配型和傳輸特性的比較，確定了減少電流紋波的非匹配型切比雪夫濾波器的算法;通過對諧振法、阻尼控制法和極點分析法的綜合比較，確定了提高快速響應的修正方法。并通過仿真和實驗驗證了方案的合理性和可行性。

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