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新能源汽车用动力电芯充放电测试系统研究

发布日期:2020-01-14   来源:《变频器世界》19-10期   作者:戴罡   浏览次数:3550
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【摘   要】:为解决新能源汽车行业对动力电芯充放电测试系统越来越复杂的需求,设计了一种能量回馈型动力电芯充放电测试系统。研究了测试系统能量回馈技术和多通道并联技术,实现了动力电芯能量高质量回馈到电网,多通道可靠地并联运行。

 

 关键词动力电芯;充放电测试系统;能量回馈;多通道并联


1  引言

在新能源汽车用动力电芯充放电测试系统领域,如何实现能量高功率因数、高效回馈到电网,如何提高系统功率输出是需要解决的技术问题。因此,测试系统采用能量回馈技术和多通道并联技术成为了必然的选择趋势、

目前已有的基于电力电子技术的放电装置主要包括:电阻耗能式、能量再利用式、有源逆变式。文献[1]阐述了放电电阻的优化设计方案,提出了一种以改进型Boost电路为主电路,应用PI调节和PWM控制技术实现恒流放电的方法。文献[2]采用DC/DC变换电路和PWM整流逆变电路,研制出一种新型的蓄电池单相有源逆变回馈放电装置,实现蓄电池恒流放电,并将蓄电池组释放的能量回馈给电网。传统单重拓扑的DC/DC变换器输出功率通常较小,文献[3]对多重化双向DC-DC变换器电流纹波分析,得出多重化双向DC-DC变换器与单个DC-DC变换器相比,电流纹波及其谐波明显减小的结论。

本文基于以上研究理论,提出一种能量回馈型动力电芯充放电系统方案,通过变换器技术实现能量回馈电网,基于多通道并联控制技术实现测试系统功率扩展,最终为新能源汽车用动力电芯提供更节能、稳定、精准的测试。

2  测试系统能量回馈技术

如图1所示为动力电芯充放电测试系统框图,系统主要由动力电芯、系统主电路、管理控制器、上位机、380V交流电源组成。

用户通过上位机对整个测试系统进行查询、分析、操作和管理。管理控制器对上位机所发送的命令进行分析和处理,并给系统主电路发送命令。系统主电路根据管理控制器所发送的命令对动力电芯进行充放电测试。上位机接口和管理控制器接口采用以太网通讯,保证远距离数据采集的稳定性和实时性。


1  动力电芯充放电测试系统框图

 

2.1  系统主电路

高精度的双向DC/DC变换器和高功率因数的双向DC/AC变换器构成动力电芯充放电测试系统主电路,从而实现系统的能量回馈,并为电池进行高精度充放电测试。双向DC/DC变换器通过脉宽调制技术,实现恒压恒流等多种充放电控制。双向DC/AC变换器通过空间矢量控制技术,实现直流电和交流电的互相转换,将动力电池所释放的能量回馈入电网,并提供稳定直流电压。DC/DC和DC/AC变换器协调工作,实现能量双向流动。

2.1.1  双向DC/DC变换器

DC/DC变换器主电路如图2所示,可工作在Buck和Boost两种工作模式:

Buck模式由电源电压UDC、功率开关管VT1、电感L、电池、续流二极管D2组成;当开关管VT1导通时,电源电压经开关管VT1、电感L给电池侧充电,电感L的电流逐渐升高;当开关管VT1关断时,储存在电感L内的能量经过电池、二极管D2 后释放,电感L的电流逐渐下降;控制VT1的占空比即可实现降压充电的功能。

Boost模式由电源电压UDC、功率开关管VT2、电感L、电池、续流二极管D1组成;当开关管VT2导通时,电池的能量经电感L、开关管VT2后在电感L内储存,电感L的电流逐渐升高;当开关管VT2关断时,电池电压经电感L、二极管D1向电源侧放电,电感L的电流逐渐下降;控制VT2的占空比即可实现升压放电的功能。

2  DC/DC变换器主电路

 

2.1.2  双向DC/AC变换器

DC/AC变换器主电路如图3所示,通过矢量控制策略可工作在整流和逆变两种工作模式:

当工作在整流模式时,DC/AC变换器为降压电路提供纹波小的直流电压。

当工作在逆变模式时,DC/AC变换器将升压电路输出的直流电逆变后并入电网。

DC/AC变换器的高频谐波可通过LC滤波电路抑制;DC/AC变换器不平衡造成的谐波污染,可通过基于复矢量控制的5、7、11、13次谐波抑制方法抑制。

                                                                                                               

3  DC/AC变换器主电路

 

3  测试系统多通道并联技术

如图4所示为动力电芯充放电测试系统多通道并联技术系统框图,每个并联通道的DC/AC变换器保持各自直流母线稳定,功率流向由DC/DC变换器控制。如图5所示为DC/DC变换器并联控制技术示意图,DC/DC变换器并联控制实现电芯测试系统的多通道并联运行,引入占空比分配器实现均流控制,从而提高变换器的运行效率和利用率。

4 动力电芯测试系统多通道并联技术框图

 

5 DC/DC变换器并联控制技术示意图

电压外环电流内环控制方法将多通道DC/DC变换器作为一个整体进行控制,反馈的信号为整体DC/DC变换器的输出电压和电流信号。电压外环电流内环控制方法将电压和电流信号进行闭环,最终得到一个驱动脉冲的占空比输出量,能够实现输出电压或电流的稳定控制。

在电压外环电流内环控制的基础上,采用占空比分配控制器对PWM脉冲占空比进行二次比分配。在输出电压的稳定控制时,要保证总输出电流变化值不变。因此,为实现多通道均流而重新分配占空比时,需将电流较大通道减小的占空比按照一定的比例分配到其他通道上。如果分配的比例合理使得总电流变化值不变,系统即可保持三个通道的电流一致,同时不影响电压外环电流内环的控制效果,维持输出电压的稳定。

4  结论

本文针对新能源汽车动力电芯,提出一种能量回馈型动力电芯充放电系统。通过理论分析,可以得到以下结论:

1)利用基于双向DC/AC变换器和双向DC/DC变换器的主电路拓扑结构,可以实现动力电芯能量高质量回馈到电网,达到节能减排的目的。

2)通过电压外环电流内环控制策略结合占空比分配器,可以实现多通道并联运行,提高测试系统的适用性。

 

 
    

 
 
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