CN102163856A - 一种基于v2g技术的车载充放电装置及其控制方法 - Google Patents

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樊英
薛钟兵
韩学栋
程明
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东南大学
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Abstract

本发明涉及一种基于V2G技术的车载充放电装置及其控制方法,装置包括电源输入部分,电池,电网侧控制器和电网侧变换器,以及电池侧控制器和电池侧变换器,电源输入部分、电网侧变换器、电池侧变换器以及电池依次相连,其中电池侧控制器采用滞环比较控制方式,通过将实时检测的电压和电流量与给定值比较,滞环输出控制电池侧变换器的占空比,以实现恒流、恒压充电和并网时的Boost斩波变换;电网侧控制器采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式实现电网侧变换器的充电适配和并网逆变。本发明克服了V2G技术中传统双向变流电路结构复杂、成本高、效率低的缺点,实现了同一电路运行两种工作模式的要求。

Description

一种基于V2G技术的车载充放电装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电动汽车的电力装备技术,特别是可实现与电网之间的双向互动和交换的一种基于V2G技术的车载充放电装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 随着能源问题与环境污染的日益突出,以电动汽车取代传统的内燃机汽车成为当前研究的热点之一。而电池充放电技术是电动汽车发展的关键技术,但传统意义上电网只向电动汽车电池充电,由于电动汽车电池容量和充放电功率很大,因此只能在专门的充电站完成充电任务,这给充电带来很大的不便。同时,对于长期停放的电动汽车,其不仅电池里储存的能量没有得到很好利用也在一定程度上对电池的寿命造成影响。随着智能电网的提出和发展,人们正积极探索和研究一种新模式——V2G模式,即让电动汽车的电能在受控状态下实现与电网之间的双向互动和交换,在此基础上也可以提高电动汽车用户对车载设备的充电便利性与经济性以及电网运行效率。但是针对如何实现电动汽车与电网之间的互动供电,现有技术大多电路结构复杂,成本高、效率低,因此,有必要提出一种经济有效的车载充放电装置以推动V2G技术和智能电网技术的发展。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种基于V2G技术基础上,可让电动汽车的电能在受控状态下实现与电网之间的双向互动和交换的车载充放电装置,本发明的目的还在于提供这种装置的控制方法以实现电动汽车的充电,以及电量剩余时返充回电网。
[0004] 为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:一种基于V2G技术的车载充放电装置包括连接电源火线和零线的电源输入部分以及电池,其特征是,还包括电网侧控制器和电网侧变换器,电池侧控制器和电池侧变换器,电网侧变换器与电池侧变换器相连,电网侧变换器的另一侧连接电源输入部分,电池侧变换器的另一侧连接电池;还包括输入端连接电源输入部分母线的交流侧电压测量模块、交流侧电流测量模块,输入端连接电网侧变换器与电池侧变换器之间母线的直流侧电压测量模块,输入端连接电池的电池侧电压测量模块、电池侧电流测量模块;交流侧电压测量模块、交流侧电流测量模块将输出值送入电网侧控制器,电网侧控制器输出相关控制信号控制电网侧变换器完成适配或逆变;直流侧电压测量模块、电池侧电压测量模块、电池侧电流测量模块将输出值送入电池侧控制器,电池侧控制器输出相关控制信号控制电池侧变换器完成升压斩波或降压斩波。
[0005] 作为本发明的一种改进,所述电网侧变换器包括绝缘栅双极型晶体管VI、V2、V3、 V4, Vl的发射极与V2的集电极相连并通过滤波电感Lg连接电源输入部分的火线,V3的发射极与V4的集电极相连并连接电源输入部分的零线;滤波电容Cg并接于电源输入部分的火线和零线之间。
[0006] 作为本发明的一种改进,所述电池侧变换器包括绝缘栅双极型晶体管V5、V6,V5 的发射极与V6的集电极相连并通过平波电感Lb连接电池的正极,V6的发射极连接电池的负极;滤波电容Cb并接在电池正负两极之间;电网侧变换器中Vl与V3的集电极相连并连接电池侧变换器中V5的集电极;电网侧变换器中V2与V4的发射极相连并连接电池侧变换器中V6的发射极;电网侧变换器与电池侧变换器之间在上述两节点上并接有滤波电容Cl。
[0007] 作为本发明的一种改进,电网侧控制器包括给定值输入部分,直流侧电压检测模块的输出值与给定值比较后送入PI调节器,PI调节器的输出值与锁相后的交流侧电压检测模块输出值相乘,再与交流侧电流检测模块输出值比较后送入I3R调节器,ra调节器的输出值与交流侧电压检测模块输出的反馈值相加后送入PWM信号产生器,PWM信号产生器的输出端连接电网侧变换器中VI、V2、V3、V4的栅极。
[0008] 作为本发明的一种改进,电池侧控制器为滞环比较器,其输出端连接电池侧变换器中V5、V6的栅极,输入端连接电池侧电压检测模块、电池侧电流检测模块以及直流侧电压检测模块的输出端。
[0009] 作为本发明的一种改进,一种基于V2G技术的车载充放电装置还包括放电保护电路,放电保护电路并接于滤波电容Cl的两端,并位于滤波电容Cl与电网侧变换器之间,放电保护电路可以限制直流母线电压泵升,用于母线电容过压放电或电路故障保护放电。
[0010] 作为本发明的一种改进,一种基于V2G技术的车载充放电装置,还包括电池故障断路器,其一端分别连接电池的正负极,另一端并接在滤波电容Cb两端,电池侧故障断路器用于消除电池短路的危险。
[0011] 作为本发明的一种改进,一种基于V2G技术的车载充放电装置,其所述放电保护电路包括电阻R和功率开关V7,电阻R的一端连接功率开关V7的发射极,另一端与功率开关V7的发射极并接于滤波电容Cl的两端。
[0012] 本发明的一种基于V2G技术的车载充放电装置在应用时,所述电网侧控制器的给定值输入模块中,在充电适配时给定值为所要求的母线电压;在并网逆变时给定值为所要求的并网电流值。
[0013] 本发明的有益效果为:在充电过程中,电网侧控制器采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式,控制电网侧变换器中功率管V1、V2、V3、V4的开关动作使电网侧变换器工作在适配状态,电池侧控制器采用滞环比较方式控制电池侧变换器中的功率管V5、V6开关动作使电池侧变换器工作在降压斩波状态;在并网回馈放电过程中,电网侧控制器中的电压外环不作用,电流内环作用结合H?调节器和PWM信号发生器控制电网侧变换器中功率管 VI、V2、V3、V4的开关动作工作在逆变状态,电池侧控制器控制电池侧变换器工作在升压斩波状态。本发明省去了变压器,实现V2G双向变流的电路共用,简化了结构、减小了成本,提高了效率;结构中采用了 PWM整流,可以提高输入功率因素,提高了电能传输效率,减小了电流谐波和无功污染;电网侧控制器中以I3R控制器取代传统的PI控制器,对交流量的零稳态误差消除效果更好,增强了指令信号跟踪能力;同时本发明还增加了放电保护电路和电池故障断路器,提高了装置的安全性和可靠性。
附图说明
[0014] 图1所示为本发明的结构流程图; 图2所示为本发明的装置结构示意图;
图3所示为本发明中电池侧控制器的控制信号波形图;图4所示为本发明中电网侧控制器的控制信号波形图。 具体实施方式
[0015] 为使本发明的内容更加明显易懂,以下结合附图和具体实施方式做进一步说明。
[0016] 结合图1所示为本发明的一种优选的具体实施方式的结构流程图,一种基于V2G 技术的车载充放电装置包括电源输入部分的电网,电池,电网侧控制器和电网侧变换器,电池侧控制器和电池侧变换器,以及输入端连接电源输入部分母线的交流侧电压测量模块、 交流侧电流测量模块,输入端连接电网侧变换器与电池侧变换器之间母线的直流侧电压测量模块,输入端连接电池的电池侧电压测量模块、电池侧电流测量模块,电网侧变换器与电池侧变换器相连,电网侧变换器的另一侧连接电源输入部分,电池侧变换器的另一侧连接电池;交流侧电压测量模块、交流侧电流测量模块将输出值送入电网侧控制器,电网侧控制器输出相关控制信号控制电网侧变换器完成适配或逆变;直流侧电压测量模块、电池侧电压测量模块、电池侧电流测量模块将输出值送入电池侧控制器,电池侧控制器输出相关控制信号控制电池侧变换器完成升压斩波或降压斩波。
[0017] 结合图2所示,电源输入部分包括在电源母线上依次连接的电源插头1、熔断器2 和闭合开关3 ;电网侧变换器4包括功率开关V1、V2、V3、V4,V1的发射极与V2的集电极相连并通过滤波电感Lg连接电源输入部分的火线,V3的发射极与V4的集电极相连并连接电源输入部分的零线,滤波电容Cg并接于电源输入部分的火线和零线之间;
电池侧变换6包括功率开关V5、V6,V5的发射极与V6的集电极相连并通过平波电感 Lb连接电池的正极,V6的发射极连接电池的负极;滤波电容Cb并接在电池正负两极之间; 电网侧变换器4中Vl与V3的集电极相连并连接电池侧变换器6中V5的集电极;电网侧变换器4中V2与V4的发射极相连并连接电池侧变换器6中V6的发射极;电网侧变换器 4与电池侧变换器6之间在上述两节点上并接有滤波电容Cl ;放电保护电路5并接于滤波电容Cl的两端,并位于滤波电容Cl与电网侧变换器之间,其包括电阻R和功率开关V7,电阻R的一端连接功率开关V7的集电极,另一端与功率开关V7的发射极分别连接滤波电容 Cl的两端;电池故障断路器7接在滤波电容Cb与电池之间;
电网侧控制器10包括给定值输入部分,直流侧电压检测模块13的输出值与给定值比较后送入PI调节器,PI调节器的输出值乘以交流侧电压检测模块11输出值的锁相结果, 再与交流侧电流检测模块12输出值比较后送入ra调节器,ra调节器的输出值与交流侧电压检测模块11输出的反馈值相加后送入PWM信号产生器,PWM信号产生器的输出端连接电网侧变换器4中VI、V2、V3、V4的栅极;电网侧控制器的给定值输入模块中,在充电适配时给定值为所要求的母线电压,其值应大于电网电压峰值311V,这是因为PWM整流和逆变都要求直流侧电压大于交流侧;在并网逆变时给定值为所要求的并网电流值,这由电力市场和电动汽车电池SOC决定。
[0018] 电池侧控制器为滞环比较器,其输出端连接电池侧变换器中V5、V6的栅极,输入端连接电池侧电压检测模块、电池侧电流检测模块以及直流侧电压检测模块的输出端。
[0019] 放电保护电路可以限制直流母线电压泵升,用于母线电容过压放电或电路故障保护放电;电池侧故障断路器用于消除电池短路的危险。
[0020] 本发明的一种基于V2G技术的车载充放电装置的控制方法及原理为,电池侧控制器9采用滞环比较控制方式,通过将实时检测的电压和电流量与给定值比较后滞环输出控制电池侧变换器6的占空比ug,相应的控制信号波形如图3所示,控制开关管V5、V6的通断,从而实现恒流、恒压充电时的Buck降压斩波和并网回馈时的Boost升压斩波变换。
[0021] 电网侧控制器10采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式,交流侧母线上的电网电压前馈用于抑制电网电压波动带来的影响。当工作在充电状态时,电网侧控制器的给定值为所要求的母线电压值,此时电压、电流环均起作用,将检测的直流母线电压与给定值比较后送入PI调节器,其输出为一直流电流指令信号,再乘以由锁相得到的电网电压相位和频率信号,得到交流指令电流,引入输入电流负反馈比较后得到误差电流,经过比例谐振调节器(PR)后与电网电压前馈值相加得到变换器4输入端电压给定值,再输入到PWM信号产生器,产生PWM信号从而控制变换器4工作;当工作在并网状态时,给定为所要求的并网电流值,此时电压外环不作用,只有电流内环作用,将给定的并网电流幅值与电网相位和频率信号相乘后作为指令电流,与并网电流检测值比较后通过I3R控制器,再加上交流输出电压补偿正反馈后输入到PWM产生器,生成PWM信号,相应的控制信号波形如图4所示,其中Ugl、Ug2、Ug3、Ug4控制V1、V2、V3、V4的通断,从而实现适配或逆变。
[0022] 电网侧控制器10中电流闭环采用了 ra控制器,对于交流控制量来说,它比PI控制器消除零稳态误差效果更好,从而增强了指令信号跟踪能力,另外对于低次谐波有很好的抑制能力,可以选择针对某一低次谐波产生谐振以补偿该次谐波。其结构表达式如下:
Figure CN102163856AD00071
其中,Kp决定系统的动态性能,Ki调整输出与参考信号之间的相移,ω。是剪切频率,ω0 是谐振频率,在本控制系统中映射为电网工频频率,h是谐波次数,Kih是所要补偿谐波的积分系数。
[0023] 本发明在应用时:将电源插头1插入单相电源,闭合开关3和电池侧故障断路器 7,当电动汽车需要充电时,电能先通过电容Cg滤波,后经由滤波电感Lg、电网侧变换器4和滤波电容Cl组成的PWM整流电路输出得到直流母线电压,再经由电池侧变换器6、平波电感 Lb和滤波电容Cb组成的Buck斩波电路得到所需电压或电流给电池8充电;当电动汽车需要将多余电能回馈给电网时,电能通过电容Cb滤波后经由平波电感U、电池侧变换器6和电容Cl组成的Boost斩波电路升压,后接由电网侧变换器4、滤波电感Lg和滤波电容Cg组成的PWM逆变电路输出工频交流电到电网。
[0024] 放电保护电路5仅工作在直流母线过压或故障保护需放电的情形,此时功率开关 V7开通,电流通过电阻R放电;而在电路正常工作时V7处于常开状态。电池侧故障断路器 7在电池8无故障时正常开关,当检测到电池短路情形会自动切断电路。
[0025] 本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已,并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰,都应作为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1. 一种基于V2G技术的车载充放电装置,包括连接电源火线和零线的电源输入部分以及电池,其特征是,还包括电网侧控制器和电网侧变换器,电池侧控制器和电池侧变换器, 电网侧变换器与电池侧变换器相连,电网侧变换器的另一侧连接电源输入部分,电池侧变换器的另一侧连接电池;输入端连接电源输入部分母线的交流侧电压测量模块、交流侧电流测量模块,输入端连接电网侧变换器与电池侧变换器之间母线的直流侧电压测量模块,输入端连接电池的电池侧电压测量模块、电池侧电流测量模块;交流侧电压测量模块、交流侧电流测量模块将输出值送入电网侧控制器,电网侧控制器输出相关控制信号控制电网侧变换器完成适配或逆变;直流侧电压测量模块、电池侧电压测量模块、电池侧电流测量模块将输出值送入电池侧控制器,电池侧控制器输出相关控制信号控制电池侧变换器完成升压斩波或降压斩波。
2.根据权利要求1所述的基于V2G技术的车载充放电装置,其特征是,所述电网侧变换器包括绝缘栅双极型晶体管VI、V2、V3、V4,Vl的发射极与V2的集电极相连并通过滤波电感Lg连接电源输入部分的火线,V3的发射极与V4的集电极相连并连接电源输入部分的零线;滤波电容Cg并接于电源输入部分的火线和零线之间。
3.根据权利要求2所述的基于V2G技术的车载充放电装置,其特征是,所述电池侧变换器包括绝缘栅双极型晶体管V5、V6, V5的发射极与V6的集电极相连并通过平波电感Lb 连接电池的正极,V6的发射极连接电池的负极;滤波电容Cb并接在电池正负两极之间;电网侧变换器中Vl与V3的集电极相连并连接电池侧变换器中V5的集电极;电网侧变换器中 V2与V4的发射极相连并连接电池侧变换器中V6的发射极;电网侧变换器与电池侧变换器之间在上述两节点上并接有滤波电容Cl。
4.根据权利要求1或2所述的基于V2G技术的车载充放电装置,其特征是,电网侧控制器包括给定值输入部分,直流侧电压检测模块的输出值与给定值比较后送入PI调节器, PI调节器的输出值与锁相后的交流侧电压检测模块输出值相乘,再与交流侧电流检测模块输出值比较后送入I3R调节器,ra调节器的输出值与交流侧电压检测模块输出的反馈值相加后送入PWM信号产生器,PWM信号产生器的输出端连接电网侧变换器中VI、V2、V3、V4的栅极。
5.根据权利要求3所述的基于V2G技术的车载充放电装置,其特征是,电池侧控制器为滞环比较器,其输出端连接电池侧变换器中V5、V6的栅极,输入端连接电池侧电压检测模块、电池侧电流检测模块以及直流侧电压检测模块的输出端。
6.根据权利要求1或2所述的基于V2G技术的车载充放电装置,其特征是,还包括放电保护电路,放电保护电路并接于滤波电容Cl的两端,并位于滤波电容Cl与电网侧变换器之间。
7.根据权利要求1或2所述的基于V2G技术的车载充放电装置,其特征是,还包括电池故障断路器,其串联在母线上,并连接在滤波电容Cb与电池之间。
8.根据权利要求6所述的基于V2G技术的车载充放电装置,其特征是,放电保护电路包括电阻R和绝缘栅双极型晶体管V7,电阻R的一端连接功率开关V7的集电极,另一端与 V7的发射极分别连接滤波电容Cl的两端。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的基于V2G技术的车载充放电装置的控制方法,其特征是,所述电网侧控制器的给定值输入模块中,在充电适配时给定值为所要求的母线电压;在并网逆变时给定值为所要求的并网电流值。
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