周旭 ZHOU Xu

（遼寧開放大學(xué)，沈陽(yáng) 110161）

1 新能源汽車充電裝置現(xiàn)狀

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，新能源汽車2023 年年產(chǎn)銷量雙雙邁入950 萬(wàn)輛規(guī)模，市場(chǎng)占有率達(dá)到31.6%。不僅如此，為新能源汽車的商業(yè)化而構(gòu)建的充電裝置基礎(chǔ)設(shè)施與新能源汽車的并行發(fā)展，正在積極進(jìn)行。新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施目前主要集中在中型以上城市的住宅園區(qū)、其他各種公共場(chǎng)所和高速公路服務(wù)區(qū)等地。目前，主要新能源汽車主要使用的充電設(shè)施為，家庭使用的3.3 或6.6 千瓦級(jí)緩速充電器和用于充電站的50-60 千瓦級(jí)快速充電器?？焖俪潆娖骺稍?5～25 分鐘將SOC10%左右電量充至80%以上。但在進(jìn)行快速充電時(shí)，充電電流一般在幾十安培甚至上百安培之間，除了需要大容量的充電設(shè)備外，在實(shí)際對(duì)新能源汽車進(jìn)行充電時(shí)，能量利用率也會(huì)比預(yù)期值低，更重要的是長(zhǎng)期大電流充電對(duì)鋰離子動(dòng)力蓄電池的使用壽命有較大影響。慢速充電器是在新能源汽車上直接搭載的3.3 千瓦或6.6 千瓦級(jí)的On Board 類型，使用普通家庭用220V 電源為車輛充電。充電時(shí)間一般為8～12 小時(shí)，以SOC100%充電為目標(biāo)，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，無(wú)論是家用慢充設(shè)備還是公共場(chǎng)所的快充設(shè)備都不是未來(lái)新能源汽車充電裝置的發(fā)展方向。

目前新能源汽車用充電器的充電時(shí)間以標(biāo)記車用動(dòng)力電池SOC 的0%到100%的時(shí)間為原則，但實(shí)際上，從新能源汽車使用者的立場(chǎng)上看，并不是在SOC0%的范圍內(nèi)尋找充電站，而是在SOC3%～SOC50%的范圍內(nèi)尋找充電站。因此，準(zhǔn)快速充電器即10 千瓦級(jí)充電器的研究和普及應(yīng)用，成為當(dāng)前新能源汽車充電裝置研究的首要課題。

2 準(zhǔn)快速充電器開發(fā)所面臨的問(wèn)題

2.1 新能源汽車交流充電系統(tǒng)整流后紋波電壓產(chǎn)生機(jī)理及危害

新能源汽車交流充電過(guò)程中，通過(guò)濾波電路和整流電路完成220V 交流電整流后，在整流系統(tǒng)輸出直流母線會(huì)產(chǎn)生二次紋波電壓。其主要原因是開關(guān)電源輸出存在著周期性脈動(dòng)造成。這里采用AC220V 單相交流充電器整流器前輸入電壓作為參考，假設(shè)u1（t）為交流輸入電壓，i1（t）為交流輸入電流，L1為交流輸入電感，而且交流輸入電壓和交流輸入電流均為發(fā)生畸變都是正弦波形，二者電壓和電流為

式（1）和式（2）中U1、I1分別為交流輸入峰值電壓和電流；ω 為交流輸入的基波角頻率；φ 為電流之后電壓的相位角，為了分析簡(jiǎn)單，假設(shè)φ=0 即功率因數(shù)為1。

由式（1）和式（2）可以得出，整流系統(tǒng)前輸入瞬時(shí)輸入功率p1（t）和滯留在電抗器上的功率pL（t）為：

為了分析簡(jiǎn)單，整流系統(tǒng)內(nèi)的各功率開關(guān)元件、儲(chǔ)能元件均為理想型，導(dǎo)通電阻、電壓降、寄生參數(shù)等均為0，電感電容內(nèi)的電流均為線性變化，整個(gè)整流換相過(guò)程中功率損耗為0。

因此，整流系統(tǒng)輸入功率Pin（t）為：

通過(guò)對(duì)式（5）進(jìn)行分析，新能源汽車交流充電內(nèi)的整流系統(tǒng)輸入功率可以分為兩個(gè)部分：第一部分可以視為穩(wěn)定的直流功率此部分穩(wěn)定直流功率用于整流系統(tǒng)后級(jí)負(fù)載直流變換器提供有功功率；第二部分為波動(dòng)的紋波功率，此部分中的大小正比于交流輸入峰值電流和電感。

正是由于上述紋波功率使得交流充電系統(tǒng)整流器后部直流母線電容電壓出現(xiàn)紋波電壓uw（t），所以需要對(duì)這部分波動(dòng)的紋波電壓進(jìn)行提取和補(bǔ)償。因此，交流充電系統(tǒng)整流后的直流輸出電壓uout（t）可表示為：

式中，Uout為交流充電系統(tǒng)整流后直流母線穩(wěn)態(tài)直流分量。

交流充電系統(tǒng)整流后瞬時(shí)輸出功率為：

式中，C 為整流系統(tǒng)輸出直流母線電容，Iout為整流系統(tǒng)輸出直流母線平均電流。

在理想情況下，交流充電系統(tǒng)整流器的輸入功率與輸出功率相同，二者的穩(wěn)態(tài)直流分量和波動(dòng)的變化分量分別相同。

由式（9）可求出紋波電壓uw（t）的表達(dá)式：

通過(guò)式（10）可知，新能源汽車交流充電系統(tǒng)整流器的實(shí)際輸出電壓含有2 倍220V 交流電網(wǎng)角頻率的電壓紋波分量，從而造成在車載交流充電系統(tǒng)后續(xù)DC/DC 變換過(guò)程中，產(chǎn)生波形的諧波分量，降低充電效率。如果由于電網(wǎng)頻率波動(dòng)過(guò)大或其他問(wèn)題，造成紋波頻率過(guò)高，還可能產(chǎn)生浪涌現(xiàn)象，導(dǎo)致交流車載充電機(jī)內(nèi)部電氣設(shè)備加速設(shè)備老化，動(dòng)力蓄電池總成發(fā)熱量增高。

因此，提取補(bǔ)償抑制新能源汽車交流充電系統(tǒng)紋波電壓是提高充電效率和交流充電功率、減小動(dòng)力蓄電池總成充電時(shí)額外溫升問(wèn)題以及縮短交流充電時(shí)間的有效措施。

2.2 新能源汽車交流充電原理

當(dāng)前，新能源汽車交流充電方式如圖1 所示，通過(guò)EMI 濾除電磁干擾波。220V 單相交流電通過(guò)全橋整流電路整流成直流電。在整流過(guò)程中只有在220V 交流電壓的正負(fù)峰值附近，二極管才導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電流，造成電源功率因數(shù)降低。因此，在整流電路后面加上一個(gè)升壓的boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。于是，通過(guò)PWM 占空比控制電子開關(guān)管的導(dǎo)通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。在這個(gè)電路中，PFC 電路中電感L 在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在開關(guān)管截止時(shí)，電感L 上感應(yīng)出右正左負(fù)的電壓，將導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過(guò)升壓二極管對(duì)大的濾波電容充電，輸出能量。在此過(guò)程中將整流后的直流電壓斬波成交變的高頻電壓。交變的高頻電壓通過(guò)LLC 電路中的變壓器升壓到合適的充電電壓后通過(guò)整流二極管整流成直流電，充入動(dòng)力蓄電池中。LLC 電路通過(guò)軟開關(guān)技術(shù)，可以降低電源的開關(guān)損耗，提高功率變換器的效率和功率密度，減少紋波電壓對(duì)充電系統(tǒng)的影響。

圖1 交流充電機(jī)電路原理示意圖

在現(xiàn)有的3.3 千瓦和6.6 千瓦級(jí)的交流充電器中，交流充電器電源部分主要由PFC 電路和LLC 電路兩部分組成。通過(guò)工作機(jī)理分析，實(shí)際上我們可以把PFC 電路看作是AC/DC 電路，而把LLC 電路看作是DC/DC 電路。但是在進(jìn)一步提高充電功率的同時(shí)，充電電流會(huì)進(jìn)一步升高，充電電流從原來(lái)的10A 左右升高到20A 以上時(shí)，充電系統(tǒng)紋波電壓會(huì)隨著電流的升高而升高。因此，研究能夠有效抑制補(bǔ)償紋波電壓的方法是提高交流充電功率的一種途徑。

3 有源電力濾波器紋波電流補(bǔ)償抑制控制

3.1 并聯(lián)有源電力濾波器

通過(guò)并聯(lián)有源電力濾波器補(bǔ)償充電裝置充電功率增加后的紋波電流，圖2 所示，為項(xiàng)目研究提出的有源電力濾波器模式控制框圖。并聯(lián)有源電力濾波器設(shè)計(jì)用于通過(guò)電流控制器檢測(cè)負(fù)載電流中的無(wú)功功率分量和紋波分量，通過(guò)檢測(cè)相反相位的電位值，將其直接輸入系統(tǒng)，使從非線性負(fù)載輸入的紋波電流得以減少。

圖2 并聯(lián)有源電力濾波器模式控制框圖

電壓控制器負(fù)責(zé)通過(guò)切換有功功率和逆變器以及電容器的漏電電流等來(lái)控制直流電壓。放電系統(tǒng)的dc_link是通過(guò)電壓傳感器來(lái)補(bǔ)償生成q 軸電流命令。測(cè)量后，通過(guò)低通濾波器，以降低交流紋波含量。如果沒有通過(guò)低通濾波器，那么高壓控制器中含有紋波分量，則除了先前檢測(cè)到的紋波外，它還會(huì)產(chǎn)生噪聲分量，并且系統(tǒng)整體性能將會(huì)降低。有源電力濾波器的輸入電流通過(guò)功率因數(shù)控制對(duì)紋波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)按速率進(jìn)行控制時(shí)，轉(zhuǎn)換器dc_link 側(cè)的功率如下：

式中，如果直流側(cè)的實(shí)際電壓與基準(zhǔn)電壓同時(shí)保持，則轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出電流比為該位點(diǎn)的增益可以近似，如式（12）所示。

式中，通過(guò)PI（Proportional-Integral）控制器的同步坐標(biāo)系q 軸電流分量如式（13）所示，會(huì)形成更多的紋波補(bǔ)償電流。

公式（14）為，假設(shè)電流控制器的增益為1 時(shí)，反饋控制器的傳遞函數(shù)。

3.2 低通濾波器提取紋波

圖3 為同步坐標(biāo)系上的紋波提取模型框圖，為了提取紋波，首先將三相靜止坐標(biāo)系非線性負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為兩相同步坐標(biāo)系。如果我們將較低的電流轉(zhuǎn)換為同步坐標(biāo)系，假設(shè)功率因數(shù)為1，則基波分量具有恒定的直流值，紋波分量部分即被提取。

圖3 同步坐標(biāo)系上的紋波提取方法模型框圖

同步坐標(biāo)系非線性負(fù)載電流q 軸分為基波分量和紋波分量。此時(shí)，可以使用低通濾波器來(lái)提取基波分量或紋波分量。式（15）表示使用低通濾波器提取的直流分量提取紋波。

3.3 有源電力濾波器紋波補(bǔ)償

測(cè)量的三相非線性負(fù)載電流和轉(zhuǎn)換器側(cè)電流以及三相輸入電壓可以利用坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成同步坐標(biāo)系。這里，三相電壓被用于檢測(cè)功率因數(shù)控制相位角信息的pll（Phase Locked Loop）。變換的非線性負(fù)載同步坐標(biāo)系q 軸在經(jīng)過(guò)低通濾波器后，輸出去除紋波的直流成分。如果在過(guò)濾前非線性負(fù)載的q 軸上去掉低通過(guò)濾波器的輸出成分，就只能提取紋波成分。而變換的非線性負(fù)載的同步坐標(biāo)系d軸為了獲得相反的相位被反轉(zhuǎn)。這里提取的同步坐標(biāo)系q軸的紋波成分和反轉(zhuǎn)的d 軸分別成為補(bǔ)償電流的指令值，表達(dá)式如下：

式（16）的補(bǔ)償電流指令值分別輸入電流控制器。也就是說(shuō)，為了有源電力濾波器能夠?qū)崟r(shí)追蹤到非線性負(fù)荷所提取的補(bǔ)償電流成分，實(shí)施PWM 變換器系統(tǒng)電流的相位及大小控制。在這里，作為電流控制的控制器，在同步坐標(biāo)系中使用了PI 控制器。最終，并聯(lián)有源電力濾波器的電壓命令為式（17）。

4 有源電力濾波器模擬測(cè)試

為了證明有源電力濾波模式能夠正常運(yùn)行，進(jìn)行了模擬測(cè)試。圖4 為并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)a 相電壓和非線性負(fù)荷的a 相輸入電流。非線性負(fù)載由于二極管整流器的整流動(dòng)作及誘導(dǎo)性負(fù)荷，使整流后的電壓含有大量非正弦波的紋波，其THD（紋波失真）約為20%。

圖4 a 相常電壓（上）和a 相負(fù)載電流（下）波形

經(jīng)過(guò)有源電力濾波器的a 相補(bǔ)償電流注入系統(tǒng)，抵消了非線性負(fù)載電流的紋波。圖5 所示為補(bǔ)償前（上）、后（下）a 相系統(tǒng)電流FFT 波形，補(bǔ)償后輸入電流大大消除了基波外的紋波電流，20%的THD（紋波失真）在補(bǔ)償后測(cè)定為2.5%，保證了紋波消除性能。

圖5 補(bǔ)償前（上）、后（下）a 相系統(tǒng)電流FFT 波形

5 結(jié)論

以新能源汽車準(zhǔn)快速充電裝置10kW 以上級(jí)充電器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)充電器交流電整流后紋波電壓產(chǎn)生原因的分析，研究了在充電系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)有源電力濾波器的方法，提取后抑制補(bǔ)償紋波電壓的產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)有源電力濾波器降低補(bǔ)償整流后的紋波電壓的模擬測(cè)試結(jié)果，可以看出，補(bǔ)償后輸入電流可以有效的消除基波外的紋波電流，將紋波失真28%在補(bǔ)償后降低到2.5%。因此，可以有效的提高新能源汽車準(zhǔn)快速充電裝置的充電效率，降低紋波電壓的影響。