于博玮 张亮亮
杭州奥蒂电控有限公司310000
摘要：随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。近些年来，温室气体的大量排放所导致的全球气候变化问题引发了人们的强烈关注，各国均在积极寻求低碳解决途径。电动汽车作为清洁、绿色、低污染排放的新型交通工具逐渐引起了人们的关注。电动汽车充电机为非线性负载，工作时由于大功率开关管的高频率通断会产生大量谐波电流与高频噪声，对电力系统的电能质量和电磁环境造成严重影响。由于电能计量装置是根据50Hz的标准正弦波设计出来的，因此谐波也会影响电能计费系统的正常运行。本文就基于复合控制的车载充电机谐波抑制策略展开探讨。
关键词：电动汽车；车载充电机；重复控制
引言
充电机向电动汽车电池充电，需要使用说非线性电力电子器件，在电力系统中作为非线性负载会带来相关的电能质量问题，其中谐波问题就是一个亟待解决的问题。
1车载充电机硬件电路及原理
硬件电路主要由控制电路和功率电路构成。其中功率电路为APFC+DC/DC的功率拓扑结构，前级为APFC功率因数校正电路，由交错并联Boost电路构成，后级为DC/DC转换电路，由全桥LLC谐振电路构成。该主拓扑结构满足对输入电流谐波和输入功率因数的要求，其控制电路分为APFC控制电路和全桥LLC控制电路，APFC控制电路是基于控制芯片UCC28070来构建完成，采用专用的控制芯片来完成APFC的控制，可以有效的提高系统的可靠性以及系统的响应速度。全桥LLC谐振的控制主要由基于Infineon公司Tricore系列32位单片机TC1724为平台进行构建。该控制电路为车载充电机的核心控制电路，除了对全桥LLC的控制算法外，还需要负责通信、温度采集，外部模拟量采集，数字量输入输出，故障判断与识别等功能。
2车载充电机的分类
（1）车载充电机按照连接方式的不同分为：传导式充电机和感应式充电机。（2）目前车载充电机按照电池类型分为车载铅酸和车载锂电充电机，其中低压平台以60V、72V为主，功率规格1.3kW、1.5kW、1.8kW为主，散热方式风冷，产品主应用低速铅酸和锂电车型；高压平台主要以96V、144V、288V、320V、346V、576V为主，功率规格以3.3kW、6.6kW两种功率为主，散热方式以液冷为主，产品应用于高速锂电汽车。（3）车载充电机按照集成程度不同分为单体式车载充电机和集成式多合一，目前市场集成式充电总成多以二合一（OBC&DC），三合一（OBC&DC&PDU）为主，优势是充电系统集成后可以共用控制电路和部分功率电路，节省成本，避免单体部件存在的布局困难、连接点繁多、EMI分散处理难度较大、CAN总线控制复杂等特点。
3充电站谐波产生原因分析
充电站一般由多台充电桩组成，目前市场上厂家提供的充电桩主要分为交流和直流两类。主流的交流充电桩采用单相交流供电，内部没有电能优化装置，直接输出到车载充电机向车辆动力电池充电。主流的直流充电桩采用3相交流供电，经过充电桩中的非车载充电机输出的电流为直流，直接向电动汽车的动力电池进行充电。市场上车载和非车载充电机均含有3大模块:不控整流模块、DC/DC功率变换模块、输出滤波模块，非车载充电还会加入功率因数矫正模块。充电站的谐波主要由整流模块产生，而其他模块也会对谐波特性造成影响。车载交流充电机采用单相交流供电，利用EMI滤波器抑制高频干扰信号，经过单相不控整流环节，有源功率因数矫正环节，得到幅值为300V的直流电，再经过逆变环节转换为高频脉冲电压，经隔离式全桥DC/DC变换电路，高频整流环节，最后滤波输出电压、电流可调的直流电。有源功率因数矫正环节采用BOOST型，控制方法采用平均电流控制。充电方式采用先恒流后恒压方式。将DC/DC输出电流Io和输出电压Uo作为控制量，通过电流反馈和电压反馈控制环控制。
根据上述控制模块，在PSCAD仿真软件上搭建了非车载充电模型进行仿真，分析交流侧的谐波畸变率，结果表明：总谐波含量为3．32%，满足国家标准。因此，目前市场上所建成的采用非车载充电机的充电站不需要解决谐波问题。
4车载充电机谐波抑制策略分析
4.1多台车载充电机谐波分析
当多台车载充电机同时工作时，由于各台车载充电机接入的时间有所不同，就会造成在同一时间点的输出功率也会不同。这些影响因素会使各阶次谐波电流的幅值与相位角发生变化，最终出现谐波相互抵消的现象，使得交流侧电流谐波含量减少。当5台车载充电机同时工作时，发生谐波相削现象，电流波形畸变有所改善，电流总畸变率下降了26．20%，但谐波阶次依旧集中于奇数项。当5台充电机都采用PWM整流技术，且仅有PI控制时，其电流总畸变率为3．19%。当采用PI控制与重复控制相结合的复合控制时，其电流总畸变率为1．97%。
4.2加入滤波器进行谐波抑制
加入滤波器集中治理充电站谐波问题的方式主要有两种:有源滤波方式和无源滤波方式。无源滤波方式通常采用电力电容器、电抗器和电阻器进行适当的串并联组成无源滤波器进行滤波。其一旦制成，性能参数难以改动，难以满足充电站动态谐波治理的要求。有源滤波器则是通过谐波电流检测算法和电流跟踪控制算法，利用由可控的功率半导体期器件组成的PWM变流器向电网注入与负载谐波电流幅值相等、方向相反的电流，从而达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，有源滤波器具有自适应功能，能够自动跟踪变化的谐波。根据对充电站谐波特性的研究，电动汽车充电过程中谐波含量变化较大，并且伴随着车辆的接入和离开，有源滤波器由于对谐波变化有更好的动态补偿特性，相较于无源滤波器谐波治理效果更好。
5车载充电机发展趋势
随着电动汽车技术的快速发展，对充电系统的要求也越来越高，未来车载充电机的发展方向主要集中在以下几点。（1）目前国内车载充电机功率基本在3.3kW和6.6kW，随着电动汽车续航里程的不断加大，当前充电机功率现状已经不能满足整车快速充电的需求，目前国外特斯拉配置了超过11kW的充电机，车载充电机未来必然要功率扩容。（2）目前碳化硅和IGBT的应用，可以有效提高充电机充电效率，对于V2G、V2L、V2V能量的双向传递增加了电动汽车收益优势。（3）目前电动汽车普及一个难点除了续航问题，再就是成本问题，车载充电机的高度集成化已成为未来发展趋势，目前将车载充电机、直流转换器、高压配电盒、电机控制器、中央控制器集成的五合一已经批量应用，未来电器件集成化更高，电器原理的通融和共用特性，可以实现电器件利用最大化。（4）未来考虑充电的便捷性和安全性，会直接省略充电操作，利用智能化和无线充电技术的结合，对接整车实施自动进行监控和无线充电，解决客户的里程焦虑。
结语
PWM整流充电机本身具有较强的谐波抑制能力，当多台充电机同时工作时，会出现谐波相互抵消的现象，使得交流侧电流谐波含量减少。
参考文献
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