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電動(dòng)汽車(chē)雙向逆變充放電模式下的諧波測試分析的論文
引言
當前，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展已受到全球的普遍關(guān)注，在我國尤其得到重視，已推出新能源汽車(chē)的具體發(fā)展規劃和扶持政策。要做好電動(dòng)汽車(chē)的普及，首先要解決好充電的問(wèn)題。
電動(dòng)汽車(chē)常用的充電方式有兩種:一種是采用車(chē)載充電器，可直接接入AC220 V市電進(jìn)行充電，使用便捷，但由于充電功率小、時(shí)問(wèn)過(guò)長(cháng)，小能完全滿(mǎn)足日常使用需要。另一種是建專(zhuān)業(yè)充電站，實(shí)現直流大功率快速充電，但是投資巨大且回收成本周期長(cháng)，很難進(jìn)行商業(yè)推廣。 目前，由于充電設施的嚴重小足，電動(dòng)汽車(chē)充電難的問(wèn)題隨之而來(lái)，這將嚴重制約電動(dòng)汽車(chē)的推廣。
1雙向逆變充放電技術(shù)介紹
為了擺脫了電動(dòng)汽車(chē)普及對充電站的依賴(lài)，比亞迪推出了新能源技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)成果:雙向逆變充放電技術(shù)。
這項技術(shù)綜合了交流充電便捷以及直流充電功率大的優(yōu)勢，集直流充電站、車(chē)載充電器和驅動(dòng)電機控制器的功能于一體，實(shí)現了將電網(wǎng)的交流電轉換為直流電對動(dòng)力電池充電，電動(dòng)汽車(chē)依賴(lài)專(zhuān)業(yè)充電站的問(wèn)題得到很好的解決，同時(shí)充電設施投資幾乎為零;而且充電標準簡(jiǎn)化，適用全球各地電工標準。
整流/逆變模塊的核心部件是絕緣柵雙板型晶體管(TGBT)，通過(guò)橋式整流可實(shí)現AC轉化為DCDC電壓的大小，可由改變PW M(脈沖寬度調制)的占空比進(jìn)行調節。再結合與升/降壓電路的匹配，可調節到合適的電壓對動(dòng)力電池進(jìn)行充電。同時(shí)，當施加到動(dòng)力電池兩端的直流電壓低于電池電壓時(shí)，動(dòng)力電池將處于放電狀態(tài)，由橋式整流電路的可逆原理，整流/逆變模塊即工作于逆變模式，實(shí)現對電網(wǎng)的回饋。
因此，基于雙向逆變充放電技術(shù)，電動(dòng)汽車(chē)小僅能實(shí)現交流充電，還能將動(dòng)力電池的直流電反向逆變?yōu)榻涣麟�，向單�?三相電網(wǎng)并網(wǎng)供電，實(shí)現削峰填谷，或對車(chē)外用電器和其他電動(dòng)汽車(chē)供電。那么，電動(dòng)汽車(chē)將不再僅僅是一臺駕乘工具，更是一臺小型的移動(dòng)發(fā)電站或救援工具。
2電動(dòng)汽車(chē)諧波電流的測試標準及法規要求
雙向逆變充放電技術(shù)的應用，使電動(dòng)汽車(chē)可以直接接入電網(wǎng)，成為一臺用電設備。根據法規對直接接入電網(wǎng)的用電設備的要求，均需要進(jìn)行諧波電流測試，以考核其對接入電網(wǎng)的其他用電設備的諧波干擾。此外，由于整流和逆變技術(shù)的應用，也使得在電動(dòng)汽車(chē)雙向逆變控制器的研發(fā)過(guò)程中，諧波抑制是必須解決的一大課題。
那么，對于電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的兩種典型模式:充電和放電，其諧波電流發(fā)射水平是否存在差異?從以上所述的原理來(lái)分析，充電模式和放電模式的切換，主要在于PW M電路占空比的調節。由傅里葉變換原理可知，即使調制頻率相同，小同的占空比，其對諧波成分是有很大影響的。因此，兩種模式的諧波電流均需要考核。
2.1諧波電流測試的標準要求
為了對接入電網(wǎng)的用電設備的諧波發(fā)射水平進(jìn)行考核，國內外發(fā)布了一系列的標準。如國際電工委員會(huì )制定了一系列諧波電流的基礎測試標準，主要有IEC 61000-3-2《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設備每相輸入電流毛16A)》、IE C 61000-3-4《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設備每相輸入電流>16A)》和IE C 61000-3-12《電磁兼容限值每相輸入電流大于16A且小大于75 A的連接到低壓供電系統的設備產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射限值》，相應的國家標準為GB 17625.1《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設備每相輸入電流毛16A)》和GB/7. 17625.6《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設備在低壓供電系統中產(chǎn)生的諧波電流的限制》。
基于以上基礎標準，針對電動(dòng)汽車(chē)充電系統諧波電流限制的要求，國際國內相繼發(fā)布了一系列的標準和法規，分別從充電系統及整車(chē)的層面，對此進(jìn)行定義，如IEC 61851, ECE R 10, GB18487等，作為測試和評價(jià)電動(dòng)汽車(chē)在接入電網(wǎng)的使用過(guò)程中對電網(wǎng)注入諧波的限制。針對電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的諧波電流的考核，目前主要的依據是ECE R 10.040。
2.2 E C E R 10.04對電動(dòng)汽車(chē)充電模式的諧波電流測試要求
2011年10月，歐盟經(jīng)濟委員會(huì )發(fā)布了最新的ECER 10.04法規，與2008年發(fā)布的03版相比，增加了6項充電系統試驗和2項充電模式下車(chē)輛發(fā)射和抗擾試驗，足見(jiàn)對電動(dòng)汽車(chē)充電模式EM C性能的重視。
ECE R 10.04新增的附件11，提出了車(chē)輛充電模式下通過(guò)AC電源線(xiàn)向電網(wǎng)注入諧波電流的限制，具體要求為:
a)用以測試車(chē)輛充電過(guò)程中，通過(guò)AC電源線(xiàn)注入到電網(wǎng)中的諧波，以確保與居住環(huán)境、商業(yè)環(huán)境及輕工業(yè)環(huán)境相適合;
b)試驗方法參考標準為IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-12，分為單相充電、三相充電;
c)判定方法參考標準為IE C61000-3-2、IEC 61000-3-12，分為平衡三相設備、非平衡三相設備和特殊條件平衡設備。
在具體測試方法中明確:
a)車(chē)輛需在額定功率下充電，充電電流至少達到80%的額定電流;
b)測試觀(guān)察周期需按照IE C 61000-3-2定義的準穩態(tài)的設備類(lèi)型;
c)諧波次數需測到40次，單相充電的限值依照A類(lèi)和非平衡三相設備，三相充電的限值依照平衡三相設備。
可以看出，ECE R 10.04對電動(dòng)汽車(chē)充電模式的諧波測試進(jìn)行了明確要求，但對電網(wǎng)放電模式的測試并沒(méi)有提及。
2.3電動(dòng)汽車(chē)向電網(wǎng)放電模式的諧波電流測試的參考依據
2011年IEC 61000-3-15第一版發(fā)布，用于評估每相電流小大于75 A的連接到低壓公共電網(wǎng)的分布式發(fā)電系統，在低頻電磁抗擾性和電磁發(fā)射方面的要求，重點(diǎn)對分布式發(fā)電系統的發(fā)射(包括諧波電流發(fā)射)進(jìn)行了限制。由于是第一版標準，該標準意在嘗試對分布式發(fā)電系統的EM C要求及其試驗條件進(jìn)行定義，作為今后深入研究的出發(fā)點(diǎn)和鋪墊。目前，該項標準主要適用于光伏發(fā)電領(lǐng)域。
當電動(dòng)汽車(chē)工作于向電網(wǎng)放電模式時(shí)，即相當于一臺小型的分布式發(fā)電系統，向低壓公共電網(wǎng)供電。在該模式下，其適用的電網(wǎng)機制，與小型光伏發(fā)電系統完全相同。因此，向電網(wǎng)放電模式的諧波電流測試，是可以借鑒該標準的。
3基于雙向逆變充放電技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)諧波電流測試
基于以上分析，我們在電動(dòng)汽車(chē)及其充電系統的研發(fā)過(guò)程中，對基于雙向逆變技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)分別進(jìn)行了充電和放電模式下的諧波電流測試。測試針對某款純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行，車(chē)輛通過(guò)三相充電盒直接接入測試設備 (模擬電網(wǎng))。測試前，由研發(fā)人員分別設置工作模式(充電或放電)和工作電流。諧波電流發(fā)射的測試標準，分別對毛16A每相、>16A且毛75 A每相進(jìn)行了定義，本次測試中的工作電流，對應于測試標準分別設置了小電流、大電流兩檔。
3.1電動(dòng)汽車(chē)充電和放電測試方法的實(shí)現
電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的交互，最主要的一點(diǎn)是電動(dòng)汽車(chē)充電，即從電網(wǎng)獲取電能。這一使用模式下的諧波電流測試，在ECE R 10.04中已有明確要求，具體方法依據IEC 61000-3-2和IEC 61000-3-12實(shí)施。
當電動(dòng)汽車(chē)工作于向電網(wǎng)逆變放電的模式時(shí)，也需要對輸入電網(wǎng)的諧波電流進(jìn)行限制，但電動(dòng)汽車(chē)的相關(guān)標準和法規中并沒(méi)有明確。我們基于對IE C 61000-3-15的解讀，通過(guò)在測試系統中加入功率吸收裝置，實(shí)現了車(chē)輛向電網(wǎng)放電過(guò)程中電能的回饋。
3.2充電模式和放電模式的測試結果分析
小同電流條件下測得的諧波電流值(為便于進(jìn)行橫向比較，諧波測試值均以百分比形式體現)。
通過(guò)將數據與ECE R 10.04的限值對照，充電模式下的測試結果滿(mǎn)足ECE R 10.04法規的要求。放電模式的測試結果，如果按照ECE R 10.04的限值來(lái)判斷，也是滿(mǎn)足法規要求的。
另外，即使充電電流與放電電流基本接近，分別在充電模式和放電模式下的諧波測試結果，仍存在較大差異。根據雙向逆變充放電技術(shù)的原理，充電和放電兩種工作模式的差異，主要在于通過(guò)改變PW M電路占空比的大小，實(shí)現整流/逆變模塊直流端電壓的調節，達到動(dòng)力電池充電或放電的切換。而占空比的調節將改變諧波成分的大小，正好對此作了很好的驗證。因此，分別對充電和放電兩種模式進(jìn)行諧波電流發(fā)射水平的測試和評價(jià)，是很有必要的。
需要注意的是，發(fā)電模式的3次、9次、11次諧波電流雖然大大低于ECE R 10.04的限值，但高于充電模式的對應諧波電流值。如果在產(chǎn)品設計中對諧波抑制不加以考慮，對電網(wǎng)質(zhì)量將具威脅。特別是隨著(zhù)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，公共電網(wǎng)中將有越來(lái)越多的分布式發(fā)電系統的接入，對放電模式的諧波電流進(jìn)行考核就顯得更加重要。
4結語(yǔ)
由于電動(dòng)車(chē)雙向逆變充放電模式的特殊性，本文在綜合研究常規用電設備和光伏發(fā)電設備的諧波電流測試標準的基礎上，提出了對電動(dòng)汽車(chē)諧波電流發(fā)射水平進(jìn)行充分驗證的測試方法，并在建立測試手段的基礎上，驗證了兩種模式分別進(jìn)行測試的必要性。
電動(dòng)汽車(chē)的諧波電流測試，目前還是一個(gè)相對較新的領(lǐng)域，仍有很多測試方法和工作模式的細節需要研究和探索。如我們最近在試驗中發(fā)現，充電或放電電流’ 的大小，以及充電時(shí)車(chē)輛動(dòng)力電池的當前電量，也會(huì )影響諧波電流的最終測試結果，后期的研發(fā)過(guò)程中需要進(jìn)一步關(guān)注。
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