面向車網互動應用的電動汽車復用充電技術.pdf

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1、面向車網互動的電動汽車復用充電技術2024.9.27張千帆101研究背景研究內容總結CONTENTS目 錄02032Part.1研究背景31.背景41.背景5來源：歐陽明高，車網互動（V2G）技術潛力與實施可行性，2021車網互動的特點與優勢：從儲能角度看車網互動的特點與優勢：從儲能角度看 2040年，中國電動汽車保有量達到3億輛，每輛車平均電量大于65千瓦時，則車載儲能容量超過200億千瓦時，與中國每天消費總電量參本相當?？紤]出行需求，乘用車、重型卡車、物流車每日可參與電網調度的平均電量分別為104億干瓦時、4.3億干瓦時、0.8億干瓦時，日內可調度能量波動10%。乘用車停充補電采用15kW

2、雙向充電樁，根據日出行概率分布，新能源汽車對電網功率支撐的能力達到2935億千瓦，約為當年全國電網非化石裝機功率的一半。2040年，新能源汽車儲能容量和對電網的功率支撐能力歐陽明高，20241.背景1.背景7來源：歐陽明高，車網互動（V2G）技術潛力與實施可行性，2021固定式電站儲能 電動汽車儲能01 容量100%x%總量變量：樁網互動的車輛數量隨機個體變量：EV參與電網互動的能量隨機02時間定X不同日期的同一時間段車輛能夠參與電網互動概率不同03空間壹N輛車可在不同地域與樁網互動，產生的收益不同，同時規模級的車輛空間變化會帶來電網傳輸變化04固定成本增零設備：低土地：無05安全風險高低電池

3、數量少，事故概率低消防與滅火難度低1 研究背景2 研究內容3 總結1.研究背景Differential MotorInverter&DC-DC converterBatteryPlugCharger circuitK直流充電樁Differential MotorInverter&DC-DC converterBatteryPlugCharger circuit交流充電樁Differential Inverter&DC-DC converterBatteryPlugMotor復用充電1、無需額外OBC；2、大功率雙向充電；3、只需要連接工頻交流電源。需專門建設充電樁充電功率小8Part.2研究內

4、容910逆變器多管并聯（Prius，Tesla）多管并聯+多繞組（低壓大電流）集成（復用）雙向充電無切換接觸器，無脈動轉矩接三相交流電源接單相交流電源從第一性原理角度講沒有增加硬件（如果不增加BUCK）Q1Q2L0Bat.a1a2 a3 b1 b2b3 c1 c2 c3MotorN1N2N3On-board9-leg bidirectional Conv.DC/DC Conv.CCdcdcvgaigbi Grid source220 V50HzPlug&Socket1sai1sbiLi1aS1aS2aS3aS2aS3aS1bS2bS3bS1cS2cS3cS1bS2bS3bS1cS2cS3cSS

5、2S1vgQ1Q2L0Bat.vga vgbvgca1a2 a3 b1 b2b3 c1 c2 c3MotorN1N2N3On-board9-leg bidirectional Conv.DC/DC Conv.CCdcdcvgaigbi Grid source380 V50HzPlug&Socket1sai1sbiLi1aS1aS2aS3aS2aS3aS1bS2bS3bS1cS2cS3cS1bS2bS3bS1cS2cS3cSS2S11 研究背景2 研究內容3 總結111 研究背景2 研究內容3 總結研究內容基于3相9繞組電機的復用充電拓撲族充電性能（CC,CV,CP充電，電感特性，網側電能質量，

6、效率等）安全性 零電磁轉矩，轉矩脈動、轉子損耗、轉子定位 接觸電流符合安規121 研究背景2 研究內容3 總結131 研究背景2 研究內容3 總結2.1 拓撲族3P9W-IPMSM2a2c1a1b3a3b3cgavgbvgcvgaigbigci1c2bsR1aL1bLsRsR1cLsRsR2bL2cL2aLsRsRsRsR3aL3bL3cL*零序電流注入轉矩消除拓撲141 研究背景2 研究內容3 總結2.1 拓撲族1bLsRsR2bLsR3bLsR1cLsR2cLsR3cLsR1aL2aLsRsR3aL2a2c1b1c2b1agavgbvgcvgaigbigci*2a2c1b1c2b1agav

7、gbvgcvgaigbigci1bLsRsR2bLsR3bLsR1aL2aLsRsR3aL*sR2cLsR3cLsR1cLent Mot(a)(b)串聯繞組濾波器并聯繞組濾波器脈振磁場消除轉矩消除拓撲151 研究背景2 研究內容3 總結2.1 拓撲族旋轉磁場消除轉矩消除拓撲(a)(b)串聯繞組濾波器并聯繞組濾波器*2a2c1b1c2b1asR1aL2aLsRsR3aL*gavgbvgcvgaigbigcisR2bLsR3bLsR1cL*sR2cLsR3cL1bLsR*2a2c1b1c2b1a1bLsRsR1aL2aLsRsR3aL*sR2cLsR3cLsR1cLgavgbvgcvgaigbig

8、cisR3bLsR2bL161 研究背景2 研究內容3 總結2.1 拓撲族 基于零序電流注入轉矩消除的集成充電拓撲，繞組漏感作為電網諧波濾波器繞組漏感作為電網諧波濾波器 基于脈振磁場消除轉矩消除集成充電拓撲對漏電感繞組濾波器進行了串聯連接，同時保證了零轉矩 基于旋轉磁場消除轉矩消除的集成充電拓撲使用繞組的自感作為電網諧波濾波器，但是存在轉矩波動 提升濾波電感的代價是添加額外的切換接觸器171 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-零序注入 3相9繞組電機的理論電磁轉矩為零，而對稱和非對稱九相電機存在電磁轉矩波動，見圖(a)3相9繞組電機的電磁轉矩與充電功率大小無關，見圖(b)3相9繞組

9、電機的電磁轉矩與轉子位置無關，見圖(c)18電機轉矩 平均轉矩為零；轉矩脈動、噪聲和振動??；轉子損耗 轉子損耗小，無轉子散熱問題6.6kW充電模式下電機的電磁轉矩充電模式下電機的電磁轉矩40kW充電模式下電機的電磁轉矩充電模式下電機的電磁轉矩1 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-零序注入191 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-脈振磁場基于脈振磁場消除轉矩消除的集成充電拓撲原理：同相脈振磁動勢抵消優點：無需轉子定向操作，減輕電機振動和噪聲，延緩電機的機械老化缺點：需要額外的切換接觸器每相繞組的每相繞組的充電電流充電電流PMFCC充電電磁轉矩充電電磁轉矩201 研究背景2

10、 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-脈振磁場仿真驗證直流母線電壓800V母線電容600 F充電功率6.6kW三相電網380V/50Hz211 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-脈振磁場 0.3338 0.0104Torque:pk2pkavgElectromagnetic torque(Nm)3.002.001.000.00-1.00-2.00-3.00Time(ms)460.00470.00490.00480.00500.003.002.001.000.00-1.00-2.00-3.00Time(ms)460.00470.00490.00480.00500.00 1.2181 0

11、.0175Torque:pk2pkavgPMFCC 0PMFCC 22.5(a)(b)不同轉子位置，充電器的平均轉矩為零對于PMFCC，凈轉矩是峰值等于0.5Nm的齒槽轉矩充電模式下不同轉子位置的轉矩-仿真221 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-脈振磁場(a)(b)不同轉子位置，充電器的平均轉矩為零PMFCC轉矩波動的原因是齒槽轉矩的影響充電模式下不同轉子位置的轉矩-實測231 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-旋轉抵消基于旋轉磁場消除轉矩消除的集成充電拓撲原理：三相子系統產生的旋轉磁場相互抵消原理：三相子系統產生的旋轉磁場相互抵消優點：等效濾波電感較大優點：等效濾波

12、電感較大(含有繞組的自感含有繞組的自感)缺點：缺點：需要轉子定向操作需要轉子定向操作，否則出現轉矩波動與噪聲；，否則出現轉矩波動與噪聲；繞組濾波器不平衡，三相電流不對稱繞組濾波器不平衡，三相電流不對稱241 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-旋轉抵消每相繞組的充電電流每相繞組的充電電流充電電磁轉矩充電電磁轉矩RMFCC0.0350.030.02512100.0280.01560.0140.005203fmpI3fmpI3fmpI3fmpI9 _eRT一個電周期有兩個轉矩消除位置轉矩消除位置與電機的極對數有關電轉矩消除位置與繞組的角平分線對齊只有在計算出來的零轉矩位置才能實現轉矩消除

13、data1data2data3data4data5data6data7data80233fmpI2fmpI2fmpI3fmpI9 _eRTRMFCC在不同轉子位置的電磁轉矩在不同轉子位置的電磁轉矩251 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-旋轉抵消3.002.001.000.001.002.003.00Time(ms)460.00470.00490.00480.00500.00 4.9184 0.0238Torque:pk2pkavgRMFCC 22.50RMFCC的充電轉矩波動受到電磁轉矩脈動和齒槽轉矩的影響零轉矩位置處的轉矩波動主要是由于電流和空間諧波引起(a)(b)不同電角度下

14、的充電轉矩-仿真261 研究背景2 研究內容3 總結2.2 轉矩特性-旋轉抵消由于電磁轉矩波動和齒槽轉矩，RMFCC的充電轉矩隨位置而變化，證明了理論分析不同電角度下的充電轉矩不同電角度下的充電轉矩-實測實測(a)(b)271 研究背景2 研究內容3 總結2.3 電感特性PMFCCRMFCC每相繞組的合成磁鏈每相繞組的合成磁鏈每相充電等效電感每相充電等效電感三相等效電感三相等效電感PMFCCRMFCC281 研究背景2 研究內容3 總結2.3 電感特性eqA_RL11.52sLL+11.54sLL+11.56sLL+11.58sLL+()eqB_ReqC_RLL2_3(%)LeqP7 5充電期

15、間漏電感作為PMFCC的電網側濾波電感器RMFCC的充電等效電感與轉子角度有關RMFCC的等效電感大于PMFCCRMFCC的三相等效電感的變化周期為電周期的一半RMFCC在轉矩消除位置處的等效電感是最大的RMFCC的每相的等效電感是不相等的三相濾波器電感的不平衡三相濾波器電感的不平衡率率(不平衡率應小于不平衡率應小于40%)291 研究背景2 研究內容3 總結2.3 電感特性3P9W-PMSM自感和互感的自感和互感的實實測測結果結果:(a)自感自感(b)互感互感2.0self inductance mH3.04.01.00.0-2.0Rotor position deg07.51522.530

16、37.545-1.0-1.0mutual inductance mH0.01.0-2.0Rotor position degPhase b1,c1Phase a1,c1Phase a1,b1(a)(b)1&3P9W-PMSMoutusuinuini50V10 kHzt(40us/div)1(20V/div)sau1(5A/div)sai(a)漏感的測漏感的測試電路圖試電路圖(b)3P9W-PMSM漏漏感感的的實實測測結果結果(a)(b)2.0self inductance mH3.04.01.00.0-2.0Rotor position deg07.51522.53037.545-1.0-1.

17、0mutual inductance mH0.01.0-2.0Rotor position degPhase b1,c1Phase a1,c1Phase a1,b1理論三相理論三相等效電感等效電感301 研究背景2 研究內容3 總結2.3 電感特性電感驗證LeqA(LeqB+LeqC)/2gAe2gCgBee+gAigAegBegCegAi矢量(000)作用下的電路圖及其戴維寧等效電路,實際的三相等效電感實際的三相等效電感LeqA(LeqB+LeqC)/2gAe2gCgBee+gAigAegBegCegAiSVPWM中兩個中兩個開關周期中的紋開關周期中的紋波電流變化波電流變化311 研究背景2

18、 研究內容3 總結2.3 電感特性PMFCC等效電感的實等效電感的實測測與與計算計算結果的比較結果的比較00.40.81.21.6CalculationExperimentErrorLeqALeqBLeqCEquivalent Inductance(mH)-505101520253035404550036912valent Inductance(mH)Calculated LeqAMeasured LeqAC ll t d LB/LC Calculated LeqB/LeqCMeasured LeqBMeasured LeqCRMFCC等效電感的實等效電感的實測測與與計算計算結果的比較結果的比

19、較0.420.430.440.450.46LeqALeqBLeqCError(mH)RMFCC在一周期內相等效電感最大誤差的統計在一周期內相等效電感最大誤差的統計等效電感的等效電感的絕對誤差率小于絕對誤差率小于5%，證明了等效電感模型的準確性證明了等效電感模型的準確性321 研究背景2 研究內容3 總結2.4 網側電能質量零序電流注入充電功率為5.5kW的實驗波形(a)無諧波控制(b)和(c)帶有交錯控制(d)帶有諧振控制器+交錯控制需要控制算法抑制電流諧波，以滿足標準要求 三相電網電流是對稱的331 研究背景2 研究內容3 總結2.4 網側電能質量脈振磁場消除PMFCC的峰值電流紋波計算為3

20、ATVOC的THD為8.64%，不滿足充電標準提出的控制算法使電網電流THD降低了5.28%，并且滿足EN 61000-3標準Max.currentrippleLow-order harmonics comparison for PMFCC341 研究背景2 研究內容3 總結2.4 網側電能質量旋轉磁場消除RMFCC的三相電流存在明顯的幅值不平衡峰值電流紋波為1.3A45 1.1A22.5，均低于PMFCC三相電流的THD小于5%提出的控制算法使電網電流THD降低了1.24%，并且滿足EN61000-3標準，最大不平衡率降低了34.4%，使 得 電網電流滿足標準的要求352.5 充電電壓電流性

21、能sLsRsLsRsLsRsLsRsLsRsLsRsLsRsLsRsLsRgavgbvgcv1a1b1c2a2b2c3a3b3c,ga bi,ga bv*vdcCdcv*dcvboostSbuckS0LC.Batt-.battv+dcPIGdPIG0qPIG*dv*qvdvqv*gqigqigdigs2f L*gdigdvgqvgdigqiabcTgdvgqv1sawv2sawv3sawvbuckPIGboostPIG11+sawv%*Maxlimitv*minlimitv*ChargeP*V2GP.battv*Li+*Li13P4p2K*Li1p2pVdcPIG1K+*dcvdcv+buck

22、SboostSLi控制系統框圖諧波抑制策略:VPI 控制器;交錯 PWMs+11+sawv2K*Li*Li+*Li%1p2p1K.battv*Maxlimitv*minlimitv3P4p1*V2GP*ChargePbuckPIGboostPIG+*dcvboostSLiLibuckSdcvVdcPIGDC-DC 變換器控制+dcPIGdPIG0qPIG*dv*qvdvqv*gqigqigdigs2f L*gdigdvgqvgdigqidcv*dcv3G-VOC1 研究背景2 研究內容3 總結36接3相交流電源，800V輸出充電。CC,CV模式，輸出電壓紋波滿足指標Voltage(V)Time

23、(s)8Vv 充電電壓充電電壓(CC)Time(s)Current(THD5%)Voltage 網側相電流和相電壓(CC)Time(s)0.6Ai=充電電流(CV)8Vv 充電電壓(CV)Ti()PQ充電功率(CV)充電電流(CC)2.5 充電電壓電流性能1 研究背景2 研究內容3 總結37(a)(b)a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOC(a)(b)(a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOC(a)(b)CP模式CC模式CV模式接3相交流電源，430V電池充電。CC,CV，CP模式，輸出電壓紋波滿足指標2.5 充電電壓電流性能1 研究背景2 研究內容3 總

24、結3838(a)(b)(a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOC(a)(b)(a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOCCP模式(6.6kW)CC模式(8.25A）CV模式(800V)8Vv 8Vv(a)(b)(a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOC8Vv 接單相交流電源，800V電池充電。CC,CV，CP模式，輸出電壓紋波滿足指標要求2.5 充電電壓電流性能1 研究背景2 研究內容3 總結39(a)(b)(a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOC(a)(b)(a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOCCP

25、模式(6.6kW)CC模式(16A）CV模式(430V)(a)(b)(a)電感電流、充電電流和電池電壓(b)充電功率和電池SOC8Vv 8Vv 8Vv 接單相交流電源，430V電池充電。CC,CV，CP模式，輸出電壓紋波滿足指標要求2.5 充電電壓電流性能1 研究背景2 研究內容3 總結40充電時間約為51min2.6 充電性能1 研究背景2 研究內容3 總結450500550600650700750輸出電壓輸出電壓/V9092949698100效效率率/%3.5kW7kW(500V,93.687%)(600V,93.244%)(700V,98.135%)(500V,91.549%)(600V

26、,96.155%)(700V,92.560%)充電效率411 研究背景2 研究內容3 總結2.7 接觸電流及其抑制方法接觸電流及其抑制方法背景：(1)EV在充電樁充電時，PE斷線，當人體觸摸EV可觸及金屬導體時有很大風險觸電；(2)流過人體阻抗網絡的電流，稱為接觸電流；(3)非隔離IOBC接觸電流UL2202-20180.5mArmsEMI抑制策略改善傳導路徑(無源抑制)改善噪音源(主動抑制)加濾波器修正線路濾波器拓撲濾波器工藝接地走線屏蔽改善調制改進拓撲混沌調制等脈沖對消共模電壓恒定減小寄生參數影響改善開關過程有源驅動器件選型緩沖電路優化布線增加系統體積重量成本和復雜度較少的硬件代價實現良好

27、的EMI抑制效果，存在技術挑戰42接觸電流(Touch Current,TC)抑制如果PE連接故障，各種情況下接觸電流均超過限值，需要相應的應對措施對其進行抑制加入人體阻抗網絡的時域仿真拓撲1 研究背景2 研究內容3 總結2.7 接觸電流及其抑制方法431 研究背景2 研究內容3 總結2.7 接觸電流及其抑制方法TC衰減45.24%三通道120交錯控制下，共模噪聲幅值降低為1/6Vdc，頻率增加為3fs(30kHz)交錯控制從噪音源角度有效抑制EMI，但是交錯控制在電機內引入諧波損耗接觸電流抑制方法研究載波移相交錯控制Part.3總結443.總結未來EV作為分布式儲能接入電網，復用充電技術提供低成本車-網接口；零序電流注入拓撲特點：轉矩脈動、噪聲振動??；轉子損耗??；無需轉子定位；等效感量小 脈振磁場消除拓撲特點：等效感量為繞組漏感的串聯；轉矩脈動、噪聲振動??；無需轉子定位；額外切換接觸器旋轉磁場消除拓撲特點：等效感量為繞組自感的串聯；高效率；需轉子定位；額外切換接觸器 雙環浮動濾波+交錯減小接觸電流 0.5mA451 研究背景2 研究內容3 總結懇請各位專家批評指正46謝謝 謝！謝！