基于V2G技术的车载双向充放电系统的研究

1、基于 v2g 技术的车载双向充放电系统的研究刘浩浩郭兴众高文根安徽工程大学安徽检测技术与节能装置省级实验室摘要：针对目前车载双向充放电系统存在体积大、灵活性差、功率小等不足，提出了由 空间矢量控制的双向 pwm 整流器和 pwm 控制的双向 dc/dc 变换器、220 v/380 v 电源以及并网接口、电机驱动电压输出端组成的系统;该方案的优点在于可以进 行 220v/380 v 之间的切换，增强了灵活性和电动车的续航能力;用到的功率器 件均是电动汽车系统中的原有器件，节省了成本和车载空间，且在电动汽车闲 置时可作为移动电源对电网进行反馈能量；通过仿真实验并分析仿真结果验证了 系统的可行性，能

2、够实现基于 v2g 技术的车载双向充放电功能。关键词：pwm 整流器;双向 dc/dc 变换器;空间矢量控制;pwm 控制;作者简介：刘浩浩(1990-),男，江苏徐州人，硕士研究生，从事电力电子研 究.收稿日期:2017-03-14基金：安徽省自然科学基金资助项目(1408085me105)research on bidirectional vehiclecharging and discharging systembased on v2g technologyanhui key laboratory oetelion technology andenergy conservetion de

3、vices, anhui polytechnicuniversity;abstract：according to the shortcomings of present two-way charging and dischargingsystem such as 1 arge volume, poor flexibi 1 ity and low power and so on,this paper proposes a systcm composed of bidirectional dc/dc convcrtercontrolled by space vector and bidirecti

4、onal dc/dc converter with pwm controland with two-way pwm rectifier, 220 v/380 v power supply, grid connector andmotor drive volt age out put. this program has the advan tage of being able to switch bet wee n 220 v/380 v to enhance the flexibility and powerconsumption of elec trie vehicles, the powe

5、r devices, which are used inelectric vehicle system, being the original devices of eauto, saving costand vehicle space, and can be used as a mobile power supply to power gridfor feedback energy when the electric car is idle. the feasibi1ity of thesystem is verified by simulation experiments and by o

6、nalyzing the simulationresults so that the two-way vehicle charging and discharging function basedon v2 g technology can be realized.keyword：pwm rectifier; bidirectional dc/dc converter; space vector control; pwmcontrol;received： 2017-03-14目前，全球资源匮乏，环境污染严重，尤其是二氧化碳排放量持续增加，开发 绿色新能源已迫在眉睫 111,为了节约能源和保护环

7、境，国家大力提倡发展新能 源汽车，进而在汽车领域发展电动汽车成为一种潮流 r1。电动汽车充放电的研 究成为国内外热门课题。现阶段，电动汽车充电续航大都在充电站或者停车场、居民区等地的充电桩上进行，为电动汽车电池充电带來了局限性固。然而电动 汽车大部分时间都是停滞的，因此能源利用率不高。市面上的电动汽车有些自带 充电机，但是充电机体积庞大， 用到的开关器件成本高。 基于这些不足提出了基 于 v2g (vehicle togrid)技术车载双向充放电系统，v2g 技术就是将电动汽车 作为移动储能装置在受控的状态下实现与电网之间的能量信息的双向交换11。v2g 技术提高了能源的利用率，促进社会向着节

8、约型、环保型发展。该系统在电 动汽车电池组充电系统和电机驱动系统的基础上将它们共有的开关元器件共享 集成在一起， 这样就减少了成本而且也节省车辆空间， 还能随时随地进行充电 续航。 v2g技术是将电动汽车作为移动储能装置与电网之间的桥梁， 可以在电网 不稳定时为电网提供能量从而提高电网的安全性和可靠性固。 因此基于 v2g 技 术的车载双向充放电系统具有良好的发展前景。1放电系统拓扑结构分析v2g 车载充放电系统既能够实现对电池组的充电又能实现对电网能量的反馈以 及对电机的驱动。因此主拓扑结构采用的是由驱动和车载充电机相集成的双向 pwm 整流器和双向 dc/dc 变换器组成，如图 1 所示。

9、图 1 基于 v2g 车载双向充放电拓扑 fig. 1 vehicle two-way charge and dischargeextension based on v2g下载原图 1. 1 双向 pwm 整流器工作原理分析 系统屮的双向 pwm 整流器选择的是三相半桥电压型 pwm 整流器。该整流器与其他 整流器相比较具有优良的性能。能实现通过电源检测进行单相 pwm 整流器的切换;该 pwm 整流器能够实现能量的双向流动即充电时实现整流功能，放电及驱动时 实现逆变功能。在整流工作时通过控制实现电网电流电压同和位，在逆变状态下 工作时，网侧电流电压相反，这时电网侧吸收能量，并提高了网侧功率因

10、数， 动态响应快。为了输出较稳定的交流电，电网侧还采用电感进行滤波。整流侧则 采用电容来滤波用来输出稳定的直流电。对该 pwm 整流器采取电压电流双闭环的 空间电压矢量控制，使系统具有良好的稳态和动态性能。1.2 双向 dc/dc 变换器工作原理分析系统中的双向 dc/dc 变换器由于和驱动系统共用相同的开关器件，因此具有使 用开关器件少、 动态响应快、 效率高等优点凹。 其能实现能量的双向流动， 即 如 buck/boost变换器，当电池组充电吋变换器工作在 buck 降压状态，如图 1 所示 s 处于工作状态，s2 始终处于关断状态。此时由电容 c 的母线电压流向电池, 通过 si 开关的

11、导通与关断时间来控制占空比以得到所需要的电压或电流。当电 池组放电用来驱动电机或者反馈电网时，变换器工作在 boost 升压状态，与充 电时相反，此时 s始终保持关断，而 s2 开通，此时抬高母线电压以满足逆变后 屯机驱动或者是对屯网反馈能量。1.3 基于 v2g 技术的车载双向充放电系统的整体工作原理分析如图 1 所示开关心、心、k, k?均为常开。当对电池组充电时开关金、心、匕闭合 下触点，首先检测电源电压为单相电压或者三相电压，开关 ki 分别连接接口 n 和接口a,当检测到为三相电压时，ki 为常开，接口 a、b、c 导通，此时为三相 电压 380 v对电池组进行充电，当检测到为单相电

12、压吋，&闭合接通 n,此吋任 意接通接口 b、c均为单相 220 v 供屯出稳定的交流屯，再经由电压电流双闭环 的空间电压矢量控制的 pwm 整流器，进行整流，输出所需要的直流电压或电流。 此时升高了母线电压，再经双向 dc/dc 变换器，由 pwm 控制方式控制开关的导通 与关断时间来改变占空比，此时 s 导通，s2 始终关断，将母线电压进行 buck 降 压实现对电池组的充电。当电池组放电吋，此时 s】始终关断，s2 开通。将电池组 的屯压 boost 升压，抬高母线电压，这时 pw 整流器工作在逆变状态。当&、心、 闭合上触点时，由 pwm 整流器逆变出电机驱动所需交流电

13、压即对电机进行驱 动。当对电网进行反馈能量时闭合际心、k 讣触点，检测逆变输出的电压类型, 此时 220 v/380 v 电源接口充当并网接口，对电网进行并网反馈能量。也可以通 过逆变得到驱动电机所需电压对电机进行驱动。2放电系统控制策略分析2.1 基于 v2g 车载双向充放电系统的控制策略结构分析所述双向 pwm 整流器采用电压电流双闭环电压空间矢量控制，通过 a/d 釆样交流 侧电压和电流经 pll 锁相环控制相角。双向 pwm 整流器在三相电压供电时，三相 abc坐标系下的变量经 park 变换到两相同步旋转 dq 坐标中再由电压电流调节器 前馈解耦输出电压对整流器进行双闭环电压空间矢量

14、控制，即空间矢量脉宽调 制（svpwm）m 产生触发脉冲来控制整流器各开关管的通断。当在单相电压供电 时，此时经 a/d釆样通过 pll 锁相环控制相角时延 90构造两相电路，通过虚拟一个与实际交流量正交的交流量来构成虚拟 dq 同步旋转坐标。然后其控制方 式与三相电压供电时的控制方式一样均是采用电压电流双闭环电压空间矢量控 制。其控制结构如图 2 所示。dudcdt其中人、i, h 以及 4、山、a 分别为三相交流电流和三相交流电压。%、%、%是相电压，嗚为中间电压。、g、比分别为等效电阻、直流侧电容、直流电 动势。在三相静止坐标系下，对交流侧一直变化的电压和电流无法清晰地观测到, 这对于设

15、计精准的 pt 控制器增加了难度。dq 同步旋转坐标可以跟随被控量在空 间屮同步旋转，达到相对静止，每个被控量映射到坐标轴都变成为直流量，对 于设计精准的 pi 控制器提供了方便总 l 然而由三相静止坐标到 dq 同步旋转坐图 2 基于 v2g 车载双向充放电控制策略结构 fig. 2 vehicle two-way charge anddischarge control strategy structure based on v2g 下载原图2. 2 双向 pwm 整流器的数学模型和控制策略分析如图 2 所示，采用 220 v/380 v 两种供电方式即为单相或三相电压，当单相 220 v电

16、压供电时， 采用单相桥式整流器， 其控制方式与三相电压时的控制方式基 本相同，有一点不同之处在于单相系统只有单相电压即一个自由度，然而要实 现交流量的坐标旋转变换，至少需要具有两个自由度，即两个正交的交流量， 因此采用 90吋延构造两相电路通过虚拟一个与实际交流量正交的交流量来满 足坐标旋转变换的需要。即虚拟 dq 坐标系，这与三相电压 380 v 供电采用三相 半桥电压型 pwm 整流器时，采用电压电流双闭环空间电压矢量控制相同。根据基 尔霍夫电压定律，可以得到静止坐标系下的数学模型表达式：uan+unolsdtribublsdtuccn+un()标要经过一个过程， 首先将三相静止坐标进行c

17、lark坐标变换转换为两相静止 坐标系 （a, （3）可得到矩阵如下：12_30其中 x“、xb、xc,是矢量 x 在三和静止坐标系下的投影，是矢量 x 在（a, 3 ）坐 标系下的投影。然后再对得到的（a, b）坐标系进行 park 变换最终得到同步旋转坐板尺系（d, q）如下：did厶at= u1-叽-sd %+讥丸(1/ls1 _ u d q-sq udc+wlsldd ud(2c+ s q_ hvdt3（rl由于 dq 坐标系下的变量为相互耦合非线性的，为了设计控制器便利就需要锁相 环 pi 丄锁定电网的相位同时为坐标变换提供相角，采用前馈解耦将电流时，j 分量作为独立的直流变量进行控

18、制，实现内环系统线性化，为了保证系统的控制精度和稳态性能，可采用电流环 pi 调节器进行无静差调节，可得调节器方程 为将式（4）代入式（3）可得电流环采用基于 dq 旋转坐标系的解耦方程:三相电压或者单相电压的 pwm 整流器的控制策略均采用电流内环、 电压外环的双 闭环电压空间矢量控制，电压外环用来稳定直流侧电压，电流内环是经 d, q 同 步旋转坐标完全解耦实现有功分量和无功分量单独控制。其双环都采用 p1 调节 器控制，有效地提高了系统的精度和稳态性能9。2.3 双闭环控制器的分析对 pwm 整流器采用电流内环和电压外环的双闭环的空间电压矢量控制。该双环均 采用 p1 调节器来控制，其优

19、势在于使系统控制更为精确，稳态性能更好。首先 设计电流内环控制器，信号采样时会产生时延，它具有一阶惯性的特性，为了 分析方便忽略 q 干扰因素10。双向 pwm 整流器的等效增益为心“。ke、kd 分别为 pi 调节器的比例、积分系数。pi 调节器的传递函数写成零极点的形式，令ki,此时屯流内环的开环传递函数为加入校正环节后为kkpwmrtls(1.5ts+ 1)当阻尼比 c =0. 707 时有:15kkpwm解方程（8）可得:肌（$）怎丿kpwm (1 +s)7(1. 5t + 1) (a+ 厶)(8)3t二r3 t$kpwm综上所述则电流内环的闭环传递函数为rrts|1.5tsrtlk、

20、pkp wmkjpkpy “由此可见电流内环可以等效为一个惯性环节，时间常数 3t”当 t.越小，动态性 能越好。电压外环主要是为了使直流母线电压保持稳定，控制系统抗干扰。电压外环的 pi 控制器是按照 ii 型系统设计的，其开环传递函数为由此，得电压外环的中频带宽为t ts按照经典 ii 型系统的控制参数关系可以得到:do)%(s)075紡(tvs + 1)ct,s2(t 5 + 1)i uv7、频率 50 hz、算法为 ode45o0. 75k)hv+ 1综上所述考虑各种因素，取中频带宽 h 尸 5 代入式(14)得:叭二5tev= 5g +3tjkv二4c+ 3ts由此可以看出电压外环对

21、直流母线电压的稳定起到很重要的作用，并且系统抗 干扰性增强11。2. 4 双向 dc/dc 变换器的控制分析采用双向半桥变换器来控制直流侧电压进行电池组充电以及逆变并网和电机驱 动所需的母线电压。 双向半桥变换器优点在于开关管少， 容易控制并且运行可靠 性高 。对于双向半桥变换器中的开关管 s 和 s2 采用独立的 pwm 控制，分别 独立控制 s、s2的通断。当充电运行模式吋&保持导通，s2 保持关断；当放电运 行模式时则 s 昇呆持关断，s?保持导通。此种控制方式有效地避免了桥臂上下开关 管的同时导通，更有利于充放电安全运行，实现了能量的双向运行，实现了 v2g 功能放电时，将能量

22、反馈到电网。3实验与仿真分析为检验所述系统的拓扑结构以及控制方式的可行性，在 matlab/simulink 屮建 立双向充放电仿真模型，用来验证在三相 380 v 供电方式以及单相 220 v 供电方 式下实现对电池组的有效充电和反向逆变反馈交流电能的功能。其仿真模型由单 相/三相pwm 整流器模块、双向 dc/dc 模块、pll 锁相环模块、电压电流双闭环 控制模块、空间电压矢量控制模块等组成13。仿真模型中单相交流电源为ctv3.1 电池组充电状态下系统仿真与分析根据建立的仿真模型可以得到，当三相电压 380v 供电时，在电池组充电模式下 实现大电流快速充电。其三相交流侧电流和电压波形如

23、图 3、图 4 所示。400300200100m 0-100-200- 300-40077s图 3 充电状态下三相交流侧电流波形 fig. 3 three-phase ac current waveform inthe state of charge 下载原图4003002001000-100- 200-300-4000 0.01 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.77s图 4 充电状态下三相交流侧电压波形 fig. 4 the voltage waveform of state of thethree-phase ac side 下载原图 由图 3、图 4

24、可知经过很短的时间电压电流就趋于稳定且相位相同，实现单位功 率因数整流，并且谐波很小。经过三相 pwm 整流器整流之后，抬高母线电压如图 5 所示。然后经双向 dc/dc 变换器降压对电池组进行大电流充电，其充电电流如图 6 所示。i o o s g g 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 077s图 6 充电状态下电池组充电电流波形 fig. 6 charging current waveform of battery pack in chargestate下载原图由图 5、图 6 可知母线电压经过很短吋间达到所需电压 700 v 并且保持稳定，充 电电流和母

25、线电压基本保持一致，实现了大电流快速充电。220x72v当单相电供电时电池组充电模式下实现小电流慢充，通过仿真模型可得到单相交流侧电压和电流波形如图 7 所示。400300 20010000.2040.6tvs图7充电状态下单相交流侧电压电流波形fig. 7 single-phase ac side voltage and current waveform下载原图由图 7 可知电压电流同相位并且电流很快趋于稳定，交流侧电压也稳定输出，通过单相 pwm 整流器实现单位功率整流。经过单相整流后母线电压升高到所需电压 500 v,通过独立 pwm 控制的双向 dc/dc 变换器对电池组进行小电流充电

26、如图 8、图 9 所示。i -100-200-300-400图 8 单相充电直流侧母线电压波形 fig. 8 single-phase charging dc side bus voltage waveform 下载原图00.20.40.60.8177s图 9 单和充电电池组充电电流波形 fi 呂.9 single-phase rechargeable battery pack charge currentwaveform下载原图 母线电压以及充电电流在一开始吋岀现较小谐波，在很短吋间内就达到所需值 并且趋于稳定，而且母线电压和充电电流整体趋势基本保持一致，系统动态稳 定性较好，实现了小电流慢

27、充的功能14。3.2 电池组放电状态下系统仿真与分析根据建立的仿真模型可以看出，在电池组充电时有快充和慢充之分，当然在电 池放电时也有三相和单相之分。当交流侧为三相 pwm 整流器时整流器工作在逆变 状态下吋，其交流侧输岀电压、直流母线电压以及交流侧输出电流如图 10 所示。500-500 -1-i- - 500|:ir號 恤讥砂血血aa/waa/ww00.10.20.30.4t/s图 1 0 三相交流侧输出电压和直流母线电压波形 fig. 10 three-phase ac side of the out put voltage and dc bus vol tage waveform下载原

28、图当电池组放电，交流侧为单相 pwm 整流器工作在逆变状态下时，其单相交流侧 电压电流输出如图 11所示。由图 10、图 11 可以看出交流侧同样存在大的冲击电流，但经过很短的时间电流 就稳定下来。由图 10所示三相交流侧输出电压大约在 0. 05 s 时趋于稳定实现并 网和电机驱动切换，由图 11 所示单相交流侧电压大约在 0. 1 s 的吋候趋于稳定 实现并网和电机驱动切换，并口电压和电流相位相差 180。其电流波形良好， 逆变输出网侧电压没有畸变，网侧吸收能量山 1 从而实现单位功率因数有源逆 变，抑制了交流侧电流谐波，实现了能量的双向流动，从而实现了 v2g 车载双 向充放电功能。40

29、0v0|-400-80000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1t/s图 1 1 单相交流侧电压电流波形 fig. 11 single-phase ac side voltage and current waveform下载原图4结论随着电动汽车的发展，充电桩也随之发展但是缺乏灵活性，续航能力低。车载式 充电机顺势发展，然而充电机本身成本高、占用车身空间大。因此提出基于 v2g 车载双向充放系统，该系统是将车载充电机系统与驱动系统在不增加元器件的 基础上相集成，从而减少了成本以及车载空间，且成功实现三相380 v 快充和单 相 220 v 慢充的互相切换，通

30、过单相 pwm 整流器工作时，建立虚拟 dq 同步旋转 坐标然后同三相 pwm 整流器工作吋共用-种控制策略即电压电流双闭环电压空 间矢量控制。最后通过matlab/simulink 仿真验证，成功验证了本系统拓扑结构 的可行性，并且通过验证实现了单位功率因数校正，能量的双向流动，从而实 现了基于 v2g 车载双向充放电功能。参考文献流压电电1 黄海洋， 肖洒， 任乔林， 等电动汽车发展现状及充电技术研究j 通信电 源技术， 2016, 33 (5) :67-75huang h y, xiao s, ren q l, et al. study on electric vehicle devel

31、opment and chargingtechnologyj.thecommunications power supply technology, 2016, 33 (5) :67-752 裴荣娜，郭兴众，高文根，等一种基于 v2g 技术的电动汽车充电桩的充放 电控制策略j安徽工程大学学报，2016, 31 (4) :58-62pei r n, guo x z, gao w g, et al.a charge and dischargecontrol strategy for electrie vehicle charging pile based on v2g technologyj jou

32、rnal ofanhui university of engineering, 2016, 31 (4) :58623 王晓涵.电动汽车充放电行为建模及 v2g 研究d 南宁:广西大学，2014wang x h. study oncharge and discharge behavior of electric vehicle and v2gd.nanning:guangxi university,20144许二超，周从源，电动汽车充电技术综述j汽车实用技术，2016,9:18-22xu e c, zhou c y. review of charging technologies for el

33、ectric vehicletj.automobiletechnology, 2016, 9:18-225 高唯峰.电动汽车 v2g 车载式双向充电机的研究d哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2015ga0 w f.theelectrie car v2g truck-mounted bidirectional charger researchd.harbin:harbin industrialuniversity, 20156 王传晓电动汽车 v2g 充放电机的研究d 淄博:山东理工大学,2014wang c x. electric carsv2g cchargc emd discharge mach

34、incresearchd zibo:shandong university of science and technology, 20147 李锦珈.电动汽车 v2g 充电站充放电控制策略与谐波特性研究d.哈尔滨:哈 尔滨工业大学，2015li j t. the electric car battery charging station v2g control strategy and the harmoniccharacteristicresearchd harbin:harbin industrial university, 20158 徐令宇.电流原型双向 dc/dc 变换器的研究d.北京:北京理工大学，2015xu l y. research oncurrent prototype bidirectional dc/dcconvertexd. beijing:beijing institute of technology, 20159 彭泓， 关亚男.电动汽车车载电机供电性能优化研究j.计算机仿真， 2016, 33 (10) : 129-133pengii, guan y n. electric motor vehicle motor power supply performance optimization studyjcompute