V2G技术车载双向充电器的研究

V2G技术车载双向充电器的研究

韩元青

中国移动通信集团广东有限公司 广东广州 510640

摘要：在电动汽车行业蓬勃发展的今天，电动汽车双向充电技术前途一片光明。本文对电动汽车车载双向充电机技术的实现做简单介绍。

关键词：电动汽车；V2G；双向充电器

1、技术综述

V2G技术即车辆到电网技术，可实现车辆与电网之间的电能互动，在改善用电质量的同时，能够为车主带来一定的经济利益。电动汽车V2G变换器主要包括两个部分，第一个部分是整流部分，主要工作是把电网的交流市电变为纹波较小的直流电，并供应给之后的DAB变换器，而且需要能够满足功率的双向流动。第二部分为DAB变换器，主要工作是满足可控的功率双向流动，并且能够满足电动汽车充电的各种条件，达到电动汽车所需的功率等级等等。如图（1）所示为电动汽车双向充电机的主电路拓扑框图。

图1 主电路拓扑图

2、控制方法

在进行SVPWM整流之前，要先吧平面中的abc三相静止的坐标系经过Clark变换和Park变换变为dq两相静止的坐标系，这样才能对电网电压矢量进行控制。首先，要把静止的abc三相相位差120°的交流电经过Clark变换变为静止的90°相位差的αβ两相交流电，之后再把静止的90°相位差的αβ两相交流电经过Park变换变为旋转的90°相位差的dq两相电。此时的电压和电流将都会变成直流量，便于仿真实验的调节与控制。

电网的交流电经过PWM整流之后可以作为直流1侧，电动汽车的蓄电池可以作为直流2侧。直流1侧与直流2侧之间通过DAB变换器连接。通过控制变换器中高频变压器原副边电压相位差的不同可以实现功率传输方向的不同，两者之间的相位差可以通过移相比来衡量。所谓移相比的定义为相位差的大小除以高频变压器交流电压半个周期的时长的比值。

至于对移相比的控制，则需要对输出端（电动汽车蓄电池端）的电压值进行采样，再由反馈环节来实现对开关管通断的控制，从而满足所需的输出电压值以及输出功率。对于反馈环节的设计方法，可以分为两种^[1]：单移相控制与双移相控制。

（1）单移相控制

单移相控制为在输出端电压取样之后，经过一系列的反馈环节，产生占空比为0.5的触发脉冲信号，以此信号驱动开关管，并且使桥两侧的开关管的触发信号有一定的相位差来实现功率流动。当电网侧与电动汽车侧的电压相位差在0~180度时，能量流动方向为从电网到电动汽车；当电网侧与电动汽车侧的电压相位差在-180~0度时，能量流动方向为从电动汽车到电网。DAB变换器每一对桥臂上的开关管触发信号180度互补导通，而在对角方向上的开关管的触发信号相位是相同的。

（2）双移相控制

双移相控制相较于单移相控制的区别在于，单移相控制只需要控制变压器原边侧与副边侧的电压相位差，而双移相控制出了需要控制变压器原边侧与副边侧的电压相位差之外，还需要控制变压器原边侧与副边侧自己本身桥臂内部的移相角，也就是说，存在一定的时间段，在此时间段内，某一桥臂处于完全关断的状态。而让这一时间段与回流功率的时间段重合，即可以对回流功率作出限制。

3、模型参数选取

对于移相控制的PID^[2]参数整定方法，本文采用临界比例法进行参数整定。整定主要步骤如下：

(1). 对系统选择一个比较短的采样周期，让系统开始工作。

(2). 先对控制器的积分系数与微分系数设置为0，调试比例环节的系数，一直到系统对控制器输入的阶跃响应出现临界震荡时，记录下此时的比例系数，这个比例系数作为系统可以接受的最大的比例系数。之后的参数调整都以系统不产生临界震荡为前提。

(3). 以系统不产生震荡为前提，使比例环节的系数增大，积分环节的系数减小，微分环节的系数增大。

对于比例系数的选取：首先把反馈PID控制器的积分环节与微分环节系数设置为0，之后再由0逐渐增大比例系数，一直到系统出现震荡，之后再把比例系数逐渐减小，一直到震荡消失，记录此时的比例调节器参数。最后比例调节器的参数设置为震荡刚好消失时的0.6倍左右。

对于积分系数的选取：积分系数的选取步骤与比例系数刚好相反。在确定好了反馈系统的比例系数之后，先设置一个较大的积分系数，之后再逐渐减小积分系数，一直到系统出现震荡为止。然后再缓慢增加积分系数，一直到系统的震荡效果消失，记录此时的积分系数。最后积分调节器的参数设置为震荡刚好消失时的1.7倍左右。

对于微分系数的选取：微分系数的选取与比例系数的选取类似。先把微分系数从0开始缓慢增加，一直到系统出现震荡时，记录此时的微分系数。之后再把微分系数逐渐减小，一直到系统刚好不出现震荡为止，记录此时的微分系数。最后微分系数选取为系统刚好不震荡时的0.3倍左右。对于微分控制器的参数也可以直接设置为0。

三种参数设置好之后，在根据代入整体系统运行时的波形响应进行微调即可。

最后，经过不断试验后得出反馈环节PID控制器的表达式为：

(1)

其中，比例控制器参数设置为0.1，积分控制器参数设置为0.6，微分控制器参数设置为0.01。模型框架图如图1所示，最后所得到的输出波形如图2所示：

图1 双向充电机基本框架图

图2 PID控制器输出结果图

结束语

由于篇幅限制，本文只对双向充电机的模型框架做了简单介绍，具体实现还需要现场的大量实验，以及汽车与停车场充电桩的配合程度。所以，这项技术仍然需要不断探索，让电动汽车双向充电技术更加成熟，从而让电网供电质量更加稳定。

参考文献：

[1] 郭苏昊.双有源桥式双向DC-DC变换器的研究.广东工业大学,2018.

[2] 电气在线.PID控制器的工作原理. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1590441059175365150&wfr=spider&for=pc. 2018-01-24/2019-05-20.