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電動汽車雙向逆變充放電模式下的諧波測試分析的論文
引言
當(dāng)前，電動汽車的發(fā)展已受到全球的普遍關(guān)注，在我國尤其得到重視，已推出新能源汽車的具體發(fā)展規(guī)劃和扶持政策。要做好電動汽車的普及，首先要解決好充電的問題。
電動汽車常用的充電方式有兩種:一種是采用車載充電器，可直接接入AC220 V市電進行充電，使用便捷，但由于充電功率小、時問過長，小能完全滿足日常使用需要。另一種是建專業(yè)充電站，實現(xiàn)直流大功率快速充電，但是投資巨大且回收成本周期長，很難進行商業(yè)推廣。 目前，由于充電設(shè)施的嚴重小足，電動汽車充電難的問題隨之而來，這將嚴重制約電動汽車的推廣。
1雙向逆變充放電技術(shù)介紹
為了擺脫了電動汽車普及對充電站的依賴，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、車載充電器和驅(qū)動電機控制器的功能于一體，實現(xiàn)了將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對動力電池充電，電動汽車依賴專業(yè)充電站的問題得到很好的解決，同時充電設(shè)施投資幾乎為零;而且充電標準簡化，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)，通過橋式整流可實現(xiàn)AC轉(zhuǎn)化為DCDC電壓的大小，可由改變PW M(脈沖寬度調(diào)制)的占空比進行調(diào)節(jié)。再結(jié)合與升/降壓電路的匹配，可調(diào)節(jié)到合適的電壓對動力電池進行充電。同時，當(dāng)施加到動力電池兩端的直流電壓低于電池電壓時，動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，實現(xiàn)對電網(wǎng)的回饋。
因此，基于雙向逆變充放電技術(shù)，電動汽車小僅能實現(xiàn)交流充電，還能將動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，實現(xiàn)削峰填谷，或?qū)囃庥秒娖骱推渌妱悠嚬╇�。那么，電動汽車將不再僅僅是一臺駕乘工具，更是一臺小型的移動發(fā)電站或救援工具。
2電動汽車諧波電流的測試標準及法規(guī)要求
雙向逆變充放電技術(shù)的應(yīng)用，使電動汽車可以直接接入電網(wǎng)，成為一臺用電設(shè)備。根據(jù)法規(guī)對直接接入電網(wǎng)的用電設(shè)備的要求，均需要進行諧波電流測試，以考核其對接入電網(wǎng)的其他用電設(shè)備的諧波干擾。此外，由于整流和逆變技術(shù)的應(yīng)用，也使得在電動汽車雙向逆變控制器的研發(fā)過程中，諧波抑制是必須解決的一大課題。
那么，對于電動汽車接入電網(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(diào)節(jié)。由傅里葉變換原理可知，即使調(diào)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(shè)備的諧波發(fā)射水平進行考核，國內(nèi)外發(fā)布了一系列的標準。如國際電工委員會制定了一系列諧波電流的基礎(chǔ)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(shè)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(shè)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(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射限值》，相應(yīng)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(shè)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(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》。
基于以上基礎(chǔ)標準，針對電動汽車充電系統(tǒng)諧波電流限制的要求，國際國內(nèi)相繼發(fā)布了一系列的標準和法規(guī)，分別從充電系統(tǒng)及整車的層面，對此進行定義，如IEC 61851, ECE R 10, GB18487等，作為測試和評價電動汽車在接入電網(wǎng)的使用過程中對電網(wǎng)注入諧波的限制。針對電動汽車整車的諧波電流的考核，目前主要的依據(jù)是ECE R 10.040。
2.2 E C E R 10.04對電動汽車充電模式的諧波電流測試要求
2011年10月，歐盟經(jīng)濟委員會發(fā)布了最新的ECER 10.04法規(guī)，與2008年發(fā)布的03版相比，增加了6項充電系統(tǒng)試驗和2項充電模式下車輛發(fā)射和抗擾試驗，足見對電動汽車充電模式EM C性能的重視。
ECE R 10.04新增的附件11，提出了車輛充電模式下通過AC電源線向電網(wǎng)注入諧波電流的限制，具體要求為:
a)用以測試車輛充電過程中，通過AC電源線注入到電網(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(shè)備、非平衡三相設(shè)備和特殊條件平衡設(shè)備。
在具體測試方法中明確:
a)車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)測試觀察周期需按照IE C 61000-3-2定義的準穩(wěn)態(tài)的設(shè)備類型;
c)諧波次數(shù)需測到40次，單相充電的限值依照A類和非平衡三相設(shè)備，三相充電的限值依照平衡三相設(shè)備。
可以看出，ECE R 10.04對電動汽車充電模式的諧波測試進行了明確要求，但對電網(wǎng)放電模式的測試并沒有提及。
2.3電動汽車向電網(wǎng)放電模式的諧波電流測試的參考依據(jù)
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(tǒng)，在低頻電磁抗擾性和電磁發(fā)射方面的要求，重點對分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)射(包括諧波電流發(fā)射)進行了限制。由于是第一版標準，該標準意在嘗試對分布式發(fā)電系統(tǒng)的EM C要求及其試驗條件進行定義，作為今后深入研究的出發(fā)點和鋪墊。目前，該項標準主要適用于光伏發(fā)電領(lǐng)域。
當(dāng)電動汽車工作于向電網(wǎng)放電模式時，即相當(dāng)于一臺小型的分布式發(fā)電系統(tǒng)，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(tǒng)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)的電動汽車諧波電流測試
基于以上分析，我們在電動汽車及其充電系統(tǒng)的研發(fā)過程中，對基于雙向逆變技術(shù)的電動汽車分別進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汽車進行，車輛通過三相充電盒直接接入測試設(shè)備 (模擬電網(wǎng))。測試前，由研發(fā)人員分別設(shè)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每相進行了定義，本次測試中的工作電流，對應(yīng)于測試標準分別設(shè)置了小電流、大電流兩檔。
3.1電動汽車充電和放電測試方法的實現(xiàn)
電動汽車與電網(wǎng)的交互，最主要的一點是電動汽車充電，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(jù)IEC 61000-3-2和IEC 61000-3-12實施。
當(dāng)電動汽車工作于向電網(wǎng)逆變放電的模式時，也需要對輸入電網(wǎng)的諧波電流進行限制，但電動汽車的相關(guān)標準和法規(guī)中并沒有明確。我們基于對IE C 61000-3-15的解讀，通過在測試系統(tǒng)中加入功率吸收裝置，實現(xiàn)了車輛向電網(wǎng)放電過程中電能的回饋。
3.2充電模式和放電模式的測試結(jié)果分析
小同電流條件下測得的諧波電流值(為便于進行橫向比較，諧波測試值均以百分比形式體現(xiàn))。
通過將數(shù)據(jù)與ECE R 10.04的限值對照，充電模式下的測試結(jié)果滿足ECE R 10.04法規(guī)的要求。放電模式的測試結(jié)果，如果按照ECE R 10.04的限值來判斷，也是滿足法規(guī)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(jié)果，仍存在較大差異。根據(jù)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，主要在于通過改變PW M電路占空比的大小，實現(xiàn)整流/逆變模塊直流端電壓的調(diào)節(jié)，達到動力電池充電或放電的切換。而占空比的調(diào)節(jié)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行諧波電流發(fā)射水平的測試和評價，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(yīng)諧波電流值。如果在產(chǎn)品設(shè)計中對諧波抑制不加以考慮，對電網(wǎng)質(zhì)量將具威脅。特別是隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，公共電網(wǎng)中將有越來越多的分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入，對放電模式的諧波電流進行考核就顯得更加重要。
4結(jié)語
由于電動車雙向逆變充放電模式的特殊性，本文在綜合研究常規(guī)用電設(shè)備和光伏發(fā)電設(shè)備的諧波電流測試標準的基礎(chǔ)上，提出了對電動汽車諧波電流發(fā)射水平進行充分驗證的測試方法，并在建立測試手段的基礎(chǔ)上，驗證了兩種模式分別進行測試的必要性。
電動汽車的諧波電流測試，目前還是一個相對較新的領(lǐng)域，仍有很多測試方法和工作模式的細節(jié)需要研究和探索。如我們最近在試驗中發(fā)現(xiàn)，充電或放電電流’ 的大小，以及充電時車輛動力電池的當(dāng)前電量，也會影響諧波電流的最終測試結(jié)果，后期的研發(fā)過程中需要進一步關(guān)注。
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