康偉 張翮 陳興 詹廣興 王鈺 張麗霞

(1.中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東東營(yíng) 257061;2.河南省電力公司南陽(yáng)供電公司，河南南陽(yáng) 473000)

0 引言

目前動(dòng)力汽車充電器主要是相控方式和PWM方式的整流器［3］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)力蓄電池組是等容性的特殊負(fù)載，其內(nèi)阻極小，本身具有反電動(dòng)勢(shì)。即使充電器輸出電壓紋波較小，充電電流也會(huì)有較大的紋波。假設(shè)充電器輸出的電壓為Uo，電池組反電動(dòng)勢(shì)為Eo，內(nèi)阻為ro(ro?1Ω)，則電池組的充電電流Io=(Uo－Eo)/ro。因此即使整流器輸出電壓紋波合格，電流也可能存在較大的紋波，因而必須在直流側(cè)設(shè)置濾波器，以減少充電電流的諧波含量，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。

圖1 電動(dòng)汽車充電器結(jié)構(gòu)

針對(duì)以上問(wèn)題，論文基于電流紋波抑制，快速響應(yīng)性的提高以及濾波器匹配型設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)動(dòng)力汽車充電器濾波器的設(shè)計(jì)展開討論，并通過(guò)方針和試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的合理性和可行性。

1 低紋波濾波器的設(shè)計(jì)

1.1 濾波器的算法

電池組充電首要問(wèn)題是減小充電電流的紋波。但是電池組的反電勢(shì)和小內(nèi)阻為濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。此外，因?yàn)檎髌鬏敵龅碾妷杭y波和電流紋波都是6次及以上高次諧波［4］，通帶(直流)和阻帶(6次諧波)間隔較近，要盡量提高過(guò)渡帶衰減的增長(zhǎng)速度，以達(dá)到合適的濾波效果。根據(jù)低通濾波器不同的衰減特性，形成的濾波器主要有以下幾種［5］:最平響應(yīng)濾波器，切比雪夫?yàn)V波器，考爾參數(shù)濾波器和一般參數(shù)濾波器。

巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)有較為平坦的濾波特性，阻帶內(nèi)的衰減隨頻率單調(diào)增大;切比雪夫?yàn)V波器在通帶內(nèi)呈現(xiàn)等起伏特性，而阻帶內(nèi)的衰減具有更快的增長(zhǎng)速率;考爾參數(shù)濾波器在通帶和阻帶內(nèi)衰減都呈現(xiàn)等起伏特性;一般參數(shù)濾波器在通帶內(nèi)作等起伏變化，在阻帶內(nèi)可以按照設(shè)定的規(guī)律變化。切比雪夫?yàn)V波器在通帶內(nèi)有等起伏特性且阻帶內(nèi)的衰減有較高的增長(zhǎng)速率，并且較易于實(shí)現(xiàn)，其衰減特性，十分符合動(dòng)力蓄電池組測(cè)試系統(tǒng)直流側(cè)濾波器設(shè)計(jì)的需要。因此，論文設(shè)計(jì)了基于切比雪夫?yàn)V波器的直流濾波器。

按照傳統(tǒng)理論，切比雪夫?yàn)V波器的階數(shù)n應(yīng)該滿足公式(1)

其多項(xiàng)式的一般形式為

1.2 濾波器匹配特性的討論

設(shè)計(jì)濾波器必須考慮其匹配特性。當(dāng)假定濾波器兩端所接阻抗相等時(shí)，稱之為匹配的;如假定不相等，稱之為非匹配的。通常討論的濾波器設(shè)計(jì)都是基于匹配型濾波器的設(shè)計(jì)。但是對(duì)于動(dòng)力汽車充電用的直流濾波器來(lái)說(shuō)，其一側(cè)接的是電網(wǎng)，另一側(cè)為蓄電池組。因?yàn)殡妱?dòng)汽車用電池組是由多節(jié)電池串并聯(lián)組成，而電池組的內(nèi)阻不是一個(gè)固定的數(shù)值。不同材質(zhì)的電池內(nèi)阻不同［5］，一般來(lái)說(shuō)，鉛酸電池的內(nèi)阻要大于鋰離子電池和金屬氫化物(MH-Ni)電池。(MH-Ni電池內(nèi)阻為0.23mΩ左右)，超級(jí)電容器更小;而同一材質(zhì)的電池，容量越大，內(nèi)阻越小;同一節(jié)電池，內(nèi)阻會(huì)隨著使用的次數(shù)的增加略呈增大的趨勢(shì)。

因?yàn)槲覈?guó)配電網(wǎng)的特殊性，系統(tǒng)阻抗遠(yuǎn)大于電池組的阻抗，所以動(dòng)力汽車充電器的直流濾波器要按照非匹配型設(shè)計(jì)［6］。如果濾波器為非匹配型(即濾波器兩端系統(tǒng)等校內(nèi)組不相等)，會(huì)為濾波器的傳輸特性在匹配型上增加平坦衰減［7］;如果非匹配型的濾波器按照匹配型的設(shè)計(jì)，會(huì)大大影響其濾波效果［7］。

隧道排煙設(shè)計(jì)，考慮排煙區(qū)段較長(zhǎng)，隧道設(shè)排煙豎井一座，設(shè)置在樁號(hào)K104+439與K104+430左右線中間處，豎井井口標(biāo)高926 m，井深88 m，成井直徑5.20 m，最大開挖直徑6.52 m(包含5 cm預(yù)留變形量)，距離右線出口761 m。兩隧道均設(shè)置排煙橫洞與之連接。豎井正常情況下不啟用，僅在火災(zāi)情況下視火災(zāi)發(fā)生的不同部位結(jié)合防災(zāi)預(yù)案正確開啟來(lái)排煙，排煙區(qū)段分4 900 m和800 m兩個(gè)區(qū)段排煙。

因?yàn)槠ヅ湫秃头瞧ヅ湫蜑V波器只是參數(shù)不同而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，所以二者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一如圖2所示。

圖2 五階切比雪夫?yàn)V波器結(jié)構(gòu)

參照文獻(xiàn)［6］，論文選取濾波器的階數(shù)為5階。因?yàn)榍斜妊┓驗(yàn)V波器的衰減特性為通帶內(nèi)有小量起伏，設(shè)計(jì)濾波器時(shí)將通帶內(nèi)衰減設(shè)大，可以在某種程度上抑制低于6次的諧波［9］。按照切比雪夫多項(xiàng)式，當(dāng) Ap=8，ω=200π，內(nèi)阻為0.2 Ω 設(shè)計(jì)匹配型和非匹配型切比雪夫?yàn)V波器參數(shù)分別如表1和表2所示。

1.3 匹配型濾波器和非匹配型濾波器仿真比較

因?yàn)橄嗫胤绞降恼髌鬏敵鲋C波含量遠(yuǎn)大于PWM方式，因此論文僅選取相控方式的整流器進(jìn)行比較分析。根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)分別搭建充電系統(tǒng)，將匹配型濾波器和非匹配型濾波器，分別接入系統(tǒng)進(jìn)行濾波，整流橋?yàn)V波前、經(jīng)匹配型濾波器濾波和非匹配型濾波器濾波的電流波形如圖3(1)～3(3)所示。仿真系統(tǒng)參數(shù)如下:三相峰值電壓50V，電池組內(nèi)阻0.2Ω，反電動(dòng)勢(shì)38V，觸發(fā)角 α=40°，濾波器參數(shù)參考表1，表2。

表1 匹配型切比雪夫?yàn)V波器參數(shù)

表2 非匹配型切比雪夫?yàn)V波器參數(shù)

由仿真結(jié)果可以看出，非匹配型濾波器考慮了負(fù)載的大小差異，因此濾波效果要優(yōu)于匹配型濾波器的濾波效果。但是其響應(yīng)速度仍然比較慢，因此應(yīng)采取措施提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2 提高濾波器響應(yīng)特性方法

針對(duì)論文設(shè)計(jì)的切比雪夫?yàn)V波器，目前有三種方法可以用來(lái)提高濾波器的響應(yīng)速度，因?yàn)閷?duì)他們沒(méi)有統(tǒng)一的稱呼，論文在此簡(jiǎn)稱為諧振法、阻尼控制法和極點(diǎn)分析法，將他們的原理應(yīng)用于論文設(shè)計(jì)的濾波器，并比較如下。

圖3 匹配型和非匹配型濾波器濾波比較

2.1 諧振法

諧振法改進(jìn)的濾波器是通過(guò)在濾波器并臂(即并聯(lián)電容的臂)串入電阻，讓該臂的并聯(lián)諧振頻率等于需要濾除的諧波，因?yàn)閷?duì)濾波器的傳輸特性影響較大，所以電阻應(yīng)串入濾波電流相應(yīng)較小的臂［10］。由仿真可知，流過(guò)電容C2的電流遠(yuǎn)小于C1的電流(限于篇幅本文不給出波形)，因此電阻應(yīng)與C2串聯(lián)。根據(jù)諧振法的原理，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 諧振法修正的濾波器結(jié)構(gòu)

修正后的濾波器參 數(shù) 為 L1= 0.0012H， L2= 0.0015H，L3=0.0012 H，C1= C2=5900μF，R=0.28Ω。

2.2 阻尼控制法

阻尼控制法［11］的原理是將多階濾波器分解成若干簡(jiǎn)單Γ型濾波器級(jí)聯(lián)的形式，然后通過(guò)分別控制他們相應(yīng)的阻尼比達(dá)到提高響應(yīng)速度的目的。修正后的濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 阻尼控制法修正的濾波器結(jié)構(gòu)

濾波器被分為兩級(jí)，L1，R1和 C1組成的初級(jí)和 L2，C2組成的次級(jí)諧振電路，F(xiàn)0是整流器輸出諧波頻率，兩級(jí)電路的截止頻率分別為F1，F(xiàn)2。根據(jù)阻尼控制原理，針對(duì)公式

為了限制 F2的諧振峰值，應(yīng)，20lgpP2＜0，L2/L1＜1，通常L2/L1=0.25H ～0.6H，C2/C1應(yīng)該盡量小，通常 C2/C1=0.05 ～0.1，修正后的濾波器參數(shù)為 L1=0.0012H，L2=0.0006H，L3=0.0012H，C1=5900μF，C2=3000μF，Rd=1Ω。

2.3 極點(diǎn)分析法

極點(diǎn)分析法［12］修正后濾波器結(jié)構(gòu)同圖5，根據(jù)文獻(xiàn)［7］，修正前的切比雪夫?yàn)V波器的極點(diǎn)分布于一橢圓上。并臂加入電阻后，濾波器的極點(diǎn)位置發(fā)生了變化，但是為了盡量維持濾波器的傳輸特性，新的極點(diǎn)應(yīng)盡可能接近原來(lái)的位置。5階濾波器在C1處串聯(lián)電阻Rd后系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納YT(s)為

提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度即提高YT(s)的曲線的響應(yīng)速度。

修正后的濾波器參數(shù)為 L1=0.0012H，L2=0.0015H，L3=0.0012 H，C1=C2=5900μF，Rd=0.6Ω。

2.4 仿真驗(yàn)證

基于MATLAB搭建圖1所示的三組電池組充電系統(tǒng)，分別取三種方法修正濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。選取控制角α=40°，此時(shí)對(duì)應(yīng)整流橋輸出電壓諧波較嚴(yán)重的情況(輸出電壓諧波含量達(dá)到60%)。相控整流橋輸出電流經(jīng)濾波后波形如圖7(a)～7(c)所示。當(dāng)濾波器都進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，取0.4s～0.42s的電流進(jìn)行FFT分析，則圖7中(a)，(b)，(c)對(duì)應(yīng)的諧波含量分別為0.2%，2%和0.4%。從響應(yīng)速度分析，7(a)、7(b)、7(c)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間分別是 0.12s，0.04s，0.06s.

圖6 三種快速響應(yīng)算法仿真比較

由仿真結(jié)果可以看出，阻尼控制法能夠迅速提高濾波器的響應(yīng)速度(響應(yīng)時(shí)間為其它方法的一半)，但是因?yàn)閷?duì)元件參數(shù)修正過(guò)多，因此濾波效果明顯受到影響，因此輸出電流紋波過(guò)大，因而這種方法適合對(duì)響應(yīng)速度嚴(yán)格要求而對(duì)輸出電壓或電流紋波要求較寬松的場(chǎng)合(如不具備反電動(dòng)勢(shì)的負(fù)載等)。而諧振法和極點(diǎn)分析法的濾波效果明顯要好的多。如果改變控制角α，則諧振法在充電電流較大(即α較小時(shí))，與極點(diǎn)分析法相比，系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間(限于篇幅，文中未給出比較波形)，因此，使用極點(diǎn)分析法修正切比雪夫?yàn)V波器，應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電器的濾波器設(shè)計(jì)，具有較佳的綜合輸出特性。

2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

論文如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下建立了簡(jiǎn)單的電池充電系統(tǒng)。電源電壓經(jīng)9kW調(diào)壓器降壓后由相控整流橋轉(zhuǎn)換為直流，經(jīng)濾波器濾波后給三節(jié)串聯(lián)的電池充電。每節(jié)電池端電壓為12V，內(nèi)阻約為0.2Ω。調(diào)壓器輸出電壓為55V.當(dāng) α=40°時(shí)充電電流如圖7所示。

圖7 三種濾波器輸出電流

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的結(jié)論。阻尼控制法暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間最短，但是穩(wěn)態(tài)濾波效果可調(diào)范圍較窄;而極點(diǎn)分析法雖然響應(yīng)速度略慢，但是有較寬的輸出可調(diào)范圍。因此更適用于電池這樣內(nèi)阻小，具有反電動(dòng)勢(shì)的等容性負(fù)載。

3 結(jié)論

論文針對(duì)動(dòng)力蓄電池組對(duì)充電器的特殊要求和電池組自身的特殊性，討論了電動(dòng)汽車充電器直流濾波器的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)濾波器匹配型和傳輸特性的比較，確定了減少電流紋波的非匹配型切比雪夫?yàn)V波器的算法;通過(guò)對(duì)諧振法、阻尼控制法和極點(diǎn)分析法的綜合比較，確定了提高快速響應(yīng)的修正方法。并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的合理性和可行性。

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