能量可回馈的电动汽车充电桩设计

黄宇进

工作单位：广州澄鹏实业有限公司

摘要：

汽车行业作为国民经济的重要支柱，在社会经济和工业建设中发挥着重要作用。随着电动汽车产业的发展，对其可续航的能力提出了更高的要求。作为主要的代步工具，车辆大部分时间处于闲置状态，不能有效地利用电源。本文以电网和电池为切入点，探讨了高功率直流充电和能量反馈的特点。

充电桩是电动汽车的重要配备的设施。科技进步的快速发展，能量可回馈充电桩是将电池储存的电力送回电网，可大大的缓解在用电高峰时期给电网带来压力。采用PWM整流器和双向DC-DC转换器，设计可充电桩，实现了电能的充电和反馈，避免造成能量的浪费。

关键词：电动汽车；充电桩；设计

0 引言

随着科学技术的进步和经济的发展，为解决石油短缺和废气排放问题，各国开始大力推广电动汽车的研发，充电桩作为重要的配置设备，已成为行业技术竞争的焦点。目前，充电桩单向给汽车充电，不能将电力送回电网，无法实现回收旧电池的能量。此外，还有企业进行电池性能测试时，能量会出现发热的情况，从而造成浪费，不仅无法回收能量，还影响电池测试结果。如果电池和电网连接起来完成双向的能量流动，这个问题将得到有效解决。电力回收可以将电池能量回馈给电网，减轻电网的电力压力，有很大的应用价值。以PWM整流器和双向直流变换器为核心的充电桩设计，是实现充电和反馈，避免二次能源浪费。

1 能量可逆充电桩的基本组成部分

图21说明了系统的基本组成部分。该系统工作在两种模式：充电模式和能量反馈模式。原则上可以分为两个主要模块：三相PWM转换器和两相DC-DC转换器，就系统的组成而言，系统的主要组成部分是网格滤波器、三相PWM整流器、双相DC-DC变换器以及直流LC滤波器和DSP监控部分。

当系统在充电模式下工作时，由LCL滤波器和三相PWM整流器实现交流至直流的电压变化，然后由双向DC-DC转换器将高压直流转变为合适的低压直流，可以为动力电池提供电力；在电动汽车能量反馈模式下，通过三相PFC恒电压逆变器控制实现直流电流到交流电流的变换，并将动力电池释放的能量反馈至电网。

图1 能量可回流的电动汽车充电桩系统的设计框图

2 电网侧滤波器的设计

电动汽车充电桩系统可以实现交流侧和直流侧能量的双向流动。注入和吸收电网的有功和无功功率进行有效控制，功率因数可以任意调整。随着三相PWM整流器在大功率的太阳能、风能的发电技术的不断开发和应用，为了更有效、更经济地降低PWM整流器在交直流转换过程中产生的开关谐波，有必要建立适当的滤波环节，以减轻谐波对电网的影响。常用的过滤器为L型和LC型，然而， LCL在充电桩行业中具有低容量、低成本优势，对提高系统的动态响应能力和抑制系统中的谐波有明显的优势，LCL过滤器已广泛应用于相关行业。

3 PWM整流器设计

3.1 PWM整流器的拓扑结构

根据三相PWM整流器的四象限工作原理，保证电网侧电流随正弦波变化，并保证电网侧的工作效率可控（功率系数在1-1-1到1之间的任意值），从而显著的提升了电网侧电能的质量。此外，PMW整流器具有良好的电压控制功能，当电网电压或直流负载侧发生变化时，通过闭环控制使直流总线的电压保持恒定。三相PWM整流器还具有电流双向流动的输出能力，这是此系统链接电网侧和电源电池侧的关键点。

大功率，三相电源和能量双向流，在这种情况下，最好的选择是三相升压PWM型整流器，其最大的优点是需要较少的器件，稳定性好，该器件能承受高压应力，网侧电压和电流均为标准正弦波；实践已证明该整流器在动态响应和稳态性能方面是优异的，适合于能量可逆转的电动车辆充电的PWM型整流器。

3.2 带LCL滤波器的PWM整流器的设计

如图2，该电路是一个由电网侧接LCL过滤器的三电平PWM整流器，其中三电平PWM整流器采用压力提升PWM整流器，从而实现了能量的双向流动。电路的特点是具有与直流侧并联一个高容量的电容，从而确定整个电路的电压源特性为低阻抗。其中三个电容器由星型链连接方式，主电路的交流输入侧是三相对称结构。滤波器中的电阻是无源阻尼电阻，也称为虚拟电阻，根据上述情况，其主要功能是抑制LCL滤波器的谐振振幅。

图2 带LCL滤波器的PWM整流器电路图

Ｕ，Ｖ，Ｗ——三相电源电压；

U_ａ,U _b ,U_ｃ——整流器侧电压；

Ｌ_ｉ，Ｌ_２，Ｃ，Ｒ_d——LCL滤波器中电网侧电感，整流器侧电感，电容，电阻；

i₁，i₂——电网侧电流，变流器侧电流；

Ｕ_ｃ，i_c——LCL滤波器中电容的电压，电流；

R _load——蓄电池等效内阻；

U _dc——直流母线电压；

Ｅ——蓄电池电压；

ｉ_ｄｃ,ｉ_ｃｃ，i_R——直流侧电流，直流侧电容电流，蓄电池电流。

选择这种电路正是利用三相电压型PWM整流器能够实现电流的双向流动，既能使系统工作在充电模式给动力电池充电，又能在能量回馈模式经双向直流变换器进行升压，将动力电池中的直流电经三相PWM整流器逆变后馈送到电网侧。从理论上分析电路的两种工作状态，主要的不同之处就是电流的流动方向是相反的，可以通过控制三相PWM整流器和双向DC-DC变换器的工作模式来控制电流的流向，进而实现能量的双向流动。

4 双向DC-DC变换器的设计

非隔离转换器的能量转换效率高，动态响应好，易于满足系统要求。该转换器工作在Boost状态，可以控制电压升高，通过T₁和T₂开关的开停可实现两种状态的变换。通过采用改变功率开关占空比，可完成电压变换。开关T₁和T₂控制是独立的，当系统处于充电模式时，输出电压改变，T₂总是关闭，能量通过T₁流移动，电路处于Buck状态，系统能量由电网流向电池；当系统处于回馈模式时，T₁总是关闭，T₂总是导通，电路处于Boost状态，电池电力通过转换器和PWM整流器进入电网侧。

5 控制策略

电流流向决定电路的工作状态和电力的传输。两种工作模式下的网侧电流流向是反向的，过程是可逆的。控制电压PWM整流电路，确保直流侧电压在允许范围内，电网电压相位或重相，功率因数值接近1或-1，以控制直流电压和电流。

6 结语

通过切换两种工作模式，调整了可充电桩的方案。可充电桩可作为电池测试装置，供电池的制造商使用，所消耗的电能不仅可减少电池损耗，提高测试结果的准确性，还可为汽车电机驱动系统提供优质直流电压，节约资源，降低成本。

参考文献

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