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电动汽车用车载逆变系统及其控制策略的研究

时间:2016-11-13 15:00:00 编辑:知网 阅读:

摘要

汽车产业的历史久远,知网论文查重经过许多人的不懈努力和创新,汽车技术逐渐成熟。但是随着其迅猛的发展,给人们交通带来便利的同时,使得环境污染问题尤为突出,能源危机日益加剧,因此对传统燃油汽车的改进——电动汽车应运而生。其具有效率高,噪声小,污染无或者污染小等优点。当下,电动汽车成为研究热点,因此本文对应运于电动汽车上的直流变换器和单相并网逆变器进行了初步的研究。

本文首先介绍了其里程碑式的发展史,并介绍电动汽车上关键技术的研究现状。通过比较和总结典型的DC/DC变换器的结构和优缺点,选取双向Buck/Boost拓扑作为前级直流变换器。其具有实现能量双向流动的功能,本文根据其特性分析了工作模态和工作原理。对双向Buck/Boost变换器采用电压、电流双闭环控制策略,电压外环控制直流母线电压,电流内环对电感电流进行控制。后级逆变器选择全桥作为逆变结构,为了减小电网电流谐波采用LCL滤波器,滤波后输出端进行并网。对单相并网逆变器采用入网电流单闭环的控制策略加电压前馈控制,电压前馈削弱电网本身谐波对入网电流的影响,采用入网电流闭环能提高电流控制的快速性,快速跟踪电压相位,达到电流和电压同频率同相位的目的。根据电动汽车各个模块的要求设计了两级式单相并网逆变的参数,并搭建相应的MATLAB仿真模型完成相关的仿真分析,并搭建控制策略的状态机模型生成代码进行实验验证。

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第一章  绪论

本章首先对电动汽车的研究背景和里程碑式的发展历史进行阐述,然后对电动汽车上车载逆变系统的研究现状进行归纳总结,最后概括整篇论文的研究内容。

1.1课题研究背景及意义

1.1.1 课题研究背景

当下,能源消耗越来越大,环境污染特别严重,汽车行业的尾气污染和能耗问题也急需解决,需要改善技术,提高利用率。虽然目前汽车大范围的使用,给人类带了诸多好处,但是也消耗了许多能源,使得不可再生能源日益减少,同时还造成很严重的环境污染等一系列的问题,例如当今困扰人们的温室效应的主要原因就是二氧化碳的过量排放;汽车尾气也会造成大气污染;同时汽车产生的噪声也对人体产生一定的危害。于是,更加绿色环保的电动汽车应运而生了。而后电动汽车作为一种能有效提高能源利用率和降低污染物排放的有效解决方案,获得了广泛的关注。

2009年初,“十城千辆”计划拟通过在10个城市进行大规模试点来促进电动汽车的发展,此后,该计划覆盖范围陆续扩大到25个城市。国务院正式印发《工业转型升级规划(2011-2015年)》,完善新能源汽车准入管理,健全汽车节能管理制度2011年11月10日,科技部公布新能源汽车示范推广的通知。2012年3月,十二五规划中要求大力发展电动汽车。2013年9月,国家公布优惠政策,买电动汽车会有一定的经济补偿。对于这一系列的支持政策,电动汽车技术必将成为发展的热点[1-3]

1.1.2 电动汽车的发展 

对于电动汽车的探索,最早可以追溯到1834年,托马斯发明了电动三轮车;1847年,法莫制造了由蓄电池驱动的无导轨电动车,这是美国第一辆电动车;在1873年,英国 Robert Davidsson制造了可以载货的实用的电动汽车,其后在19世纪成为重要的交通工具;1997年,日本丰田汽车公司推出了混合动力汽车Prius,然后在世界范围内进行大规模的生产及应用,揭开了电动汽车发展的新篇章,随后推出普锐斯一至四代[4]。2000年美国三大汽车公司陆续推出了各自的PNGV概念车,通用汽车为Precept概念车,福特为Prodigy概念车戴姆勒-克莱斯勒为ESX3概念车。2004年,美国通用汽车和戴姆勒汽车公司合作,进行电动汽车的研发。2011年10月,比亚迪公司研发的一款纯电动汽车E6上市,让中国电动汽车行业步入一个新的时代。2014年10月,特斯拉电动汽车公司推出双电机全驱动Model S的加强版,高性能版Model S标配全轮驱动双电机,后置电机及高效率的前置电机联动,使得Model S的牵引力、稳定性、操控性和安全性都有革命性的提升。2016年4月3日,特斯拉推出改进版本的Model 3系列,在蓄电池阳极方面做了改进,大大提高电池的能量密度,续航达346公里,价格更为便宜,充电效率高。

1.2 V2G技术的研究

1.2.1 V2G技术研究的意义 

V2G是Vehicle-to-grid的简称即电动汽车到电网,它的概念最早由美国人Willet kempton在1997年提出[5]。通常电动汽车与电网进行能量进行传输的方向是从电网将到汽车,但是随着电动汽车技术的成熟和新能源技术的发展,这些车载装置可以产生能量也可以储存能量。当汽车闲置时,可以将汽车剩余的能量传输到电网;当处于夜间用电量较少时,可以将电网能量给电动汽车充电;在用电高峰时,电网波动较大,可以利用电动汽车的蓄电池的能量向电网回馈,调节电网的功率因数,来保持电网的稳定性[6]。主要实现的功能有:调节电网的频率,做为应急电源,平波峰去波谷,作为分布式电源接入抑制扰动,调节电网的功率因数[7]

1.2.2 双向DC/DC技术的研究现状

双向DC/DC变换器应用场合非常多,主要有航空领域、蓄电池系统、电动汽车领域等[8]。在电动汽车上,它是核心技术。电力电子的发展使得DC/DC变换器得到更加深入的研究。当然,国内外高校和汽车公司对其研究也取得了巨大的突破,接下来进行研究现状的介绍。

双向DC/DC变换器的划分有很多种,一般分为隔离型和非隔离型,也可划分为三电平[9]、耦合三端口[10-11]和交错并联[12];还可以根据能量流动方向划分,在电动汽车上一般是双向的。文献[13]研究了隔离型双向全桥DC变换器,在需要电气隔离的场合使用。文献[14]和文献[15]针对大功率电动汽车设计了一款能够实现软开关的多相交错的双向大功率装置,同时并联了多个双向DC拓扑。目前,随着对电动汽车越来越深入的研究,多电平技术也被应用到功率变换拓扑中,田纳西大学的彭方正教授和Leon Tolbert教授对新的变换器的多电平拓扑做了许多突破性的工作。对于隔离型双向DC/DC变换器,彭方正教授人提出一种应用于汽车中新颖的变换器,变压器两侧均釆用半桥结构,可以实现软开关功能,高功率密度,在控制策略上也比较简单[16-17]。德国IISB学院主要致力于大功率的双向DC/DC变换器,目前完成了24kW、70kW及100kW功率等级的实验[18]。美国李泽元教授(F.C.Lee)致力于燃料电池汽车双向DC/DC变换器的研究,设计出1.6kW的模拟控制双全桥双向直流变换器[19]。国内对于双向DC/DC变换器的研究也取得巨大的发展,高校中主要为南京航空航天大学,香港理工大学和浙江大学。浙江大学徐德鸿和冯波主要研究的是软开关技术,南航的严仰光和张方华教授主要研究双向DC/DC的软开关技术和控制技术,南航的阮新波教授主要研究软开关技术[20-24]

1.2.3 单相并网逆变技术的研究现状

根据现有文献对应用于电动汽车上的单相逆变器的研究现状的进行调研,对其两个关键技术控制策略和LCL滤波器进行了比较和总结。

1、控制策略:文献[25]中提出在电动汽车中使用阻抗源逆变器[26],由于保持了逆变器的单级式的结构可以实现高效率,还可以实现汽车电机驱动与制动中的能量双向流动。控制策略采用检测电容电压和输入电压实现了直流母线电压的闭环控制。文献[27]提出将双向Z源逆变器应用于汽车上,用于改善电动汽车动力性能。提出了升压控制方法和直流母线电压控制策略。文献[28]对逆变器采用入网电流和电容电流双闭环控制,该控制策略能有效提高功率因数,并且能削弱谐振尖峰,改善了系统的动态和静态性能。文献[29]阐述为了尽量减少电网本身的谐波对系统的干扰,提出一种电网处电感电压和入网电流的双闭环控制方法,其内环为了阻尼谐振,将电容电流用电网侧电感电压代替。该控制策略可有效抑制电网本身谐波对入网电流的影响,减少了电容电流的检测环节。文献[30]提出一种电网电压完全前馈控制策略,采用LCL滤波器,采用逆变器输出电流闭环的控制,该策略能完全抑制电网电压对电网电流的干扰,在功率因数方面得到大大提升。

2、LCL滤波器:根据LCL滤波器尖峰特性,有无源阻尼法和有源阻尼法来解决。最早采用无源阻尼,虽然有一定的功率损耗,但是结构简单,实现简单,滤波性能一般[31-32]。文献[33]提出了一种分裂电容无源阻尼控制,该控制可在一定程度上降低系统损耗。有源阻尼实现起来相对较为复杂,主要在控制算法上做文章来增加阻尼效果,没有额外增加功率损耗,同时没有减小对高频信号的抑制能力。文献[34]采用电容电流的有源阻尼控制方式,利用对电容电流采样环节的延迟特性,通过延迟相角进行谐振尖峰的抑制;文献[35]通过电容电流反馈进行有源阻尼补偿,该方法控制简单,易于实现,且对谐振有很好的阻尼效果。

1.3课题主要研究内容

本论文以电动汽车为背景,探究了电动汽车上蓄电池到电网传输能量的并网逆变的技术,在电路拓扑上主要围绕双向DC/DC变换器电路拓扑和单相并网逆变器电路拓扑,选择合适的电路拓扑并对系统参数进行了设计,同时围绕着减小电网电流THD方面做了许多改进措施。

本论文各章节主要内容如下:

第一章   查找相关文献和资料,介绍了电动汽车的研究背景及电动汽车的发展历程,同时叙述V2G中双向DC/DC和单项并网逆变器的研究现状,最后阐述了本论文的主要内容。

第二章   分析和总结多种典型的直流变换器拓扑的性能,介绍了所选择的双向Buck/Boost电路拓扑,对其双向工作的模态进行分析,介绍其工作过程,控制策略方面采用采用电压电流双闭环,最后对电路参数进行了相关的设计。

第三章   对并网逆变器的基本内容进行介绍,重点在于如何减小入网电流THD,对三种调制方式进行比较分析,最终确定选用单极性倍频调制,对于谐波的减小方面则选择常用的LCL滤波结构,并且对其传递函数做了简要的分析,并且对LCL滤波器参数进行设计。基于以上的解决措施,对控制策略进行了探究。

第四章   基于前面三章的阐述,搭建相关的MATLAB仿真模型,并对两级式并网逆变进行了仿真研究,验证所采用控制策略的正确性。仿真完成后搭建相应的实验平台,进行相关的实验验证。

第五章   对本论文目前所做工作进行总结,同时提出后面将继续展开研究的内容。

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