高性能户用电动汽车直流充电桩关键技术研究

High quality grid-connected current, security and stability, high efficiency on energy conversion and bidirectional energy exchanging are all of importance when designing a household DC charging pile for electric vehicles. This project proposed a topology and control strategy for a novel isolated DC-DC power battery interface converter, which can implement soft switching in the whole load and voltage ranges and bidirectional energy exchanging, as battery voltage and load changes in a wide range. By comparative study on the performance of soft-switching voltage source PWM rectifier using a L filter and one-cycle control voltage source PWM rectifier with a LCL filter, the topology and control strategy of the voltage source PWM rectifier combined high quality of the grid current, stability, high conversion efficiency and easy to control are obtained. Moreover, this project deduced the new stability criterion of the current source - voltage source cascade system, researched the dynamic mathematical model and characteristics of the power battery, studied the influence of power battery inner impedance and equivalent grid impedance to interface stability of DC charging pile, and then formed a new means of stability analysis, control strategy and design guidelines. The international advanced high-performance household DC charging pile for electric vehicles can be designed by technological breakthroughs achieved in this project.

高进网电流质量、安全稳定、高变换效率和能量双向可控是户用电动汽车直流充电桩的关键技术要求。本项目针对动力电池电压和负载宽范围变化的特点，提出一种软开关范围宽、能量可自由双向流动的DC-DC隔离型动力电池接口变换器拓扑及其控制技术；研究并比较L滤波软开关电压型PWM整流器和单周期控制LCL滤波电压型PWM整流器的系统性能，提出高进网电流质量、高稳定性、高转换效率、便于控制的电压型PWM整流器拓扑及其控制技术；提出电流源-电压源级联系统稳定性判据，分析动力电池的动态数学模型和动态特性，并从动态系统级联的视角研究动力电池的内阻抗、电网阻抗对直流充电桩系统接口稳定性的影响，从而形成一套全新的稳定性分析手段、控制策略和设计准则。通过上述技术的突破可实现具有国际先进水平的高性能户用电动汽车直流充电桩及系统。

本项目的研究内容和目标是：针对配置额定电压320V，额定容量50Ah以上动力电池的电动汽车直流慢充系统开展研究，最终得到最大效率高于95%、网侧电流质量满足IEEE 929-2000，且可保证系统稳定性的户用直流充电桩技术。为了进一步发挥电动汽车的绿色环保特点，有必要不断减少其对传统化石燃料火力发电厂的电力依赖。为此，本项目提出了结合新能源发电的电动汽车直流充电系统架构。.本项目的关键技术点在于：1、具有高效率、长寿命、低成本等特点的DC-DC充电电路的拓扑、工作原理、设计与实现；2、兼具并网发电和功率因数校正功能的光伏并网逆变器的拓扑、工作原理、设计与实现；3、随着电动汽车在电网中的渗透率逐渐提高，直流充电桩的充电方案对电网的影响。目前取得的理论成果有:.(1)低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器拓扑，其具有功率管电应力低、成本低、系统效率高（98%）、输入电流谐波小等优点。.(2)分析和评估直流充电桩输出侧的低频纹波分量抑制策略的新方法：基于转移导纳YiLv(s)=iL(s)/uin(s)。.(3)兼具系统鲁棒稳定性和输出侧低频纹波分量抑制的直流充电桩PI控制器参数设计准则。.(4)基于SDC网络的三电平变换器简易构造法。.(5)直接电流控制结合倍频载波移相的多模块并联APF控制参数设计方法。.(6)光伏接口变换器输出稳压模式下光伏电池的稳定工作区。.(7)光伏储能系统恒流充电模式下光伏电池的稳定工作区。.(8)光伏接口变换器输入电压鲁棒PI控制参数的简化设计准则。.(9)分析和评估MPPT变换器输入电压低频电压纹波抑制策略的正确方法：基于音频敏感系数Au(s)=uin(s)/uo(s)来分析问题，将各种不同控制策略的抑制效果统一用Au(s)进行评估。.(10)电动汽车最优充电模型及其近似求解方法。.(11)Buck-Boost集成式升压逆变器拓扑，其具有结构简单、增益较高、控制方便、成本较低等优点。.结合该项目的研究，已培养硕士1名，正培养硕士5名，已在学术期刊和会议上发表论文11篇，其中SCI收录1篇，EI收录9篇，已申请国家发明专利3项。