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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
當前，電動汽車的發(fā)展已受到全球的普遍關注，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領域的研發(fā)成果:雙向逆變充放電技術。
這項技術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、車載充電器和驅動電機控制器的功能于一體，實現了將電網的交流電轉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)的占空比進行調節(jié)。再結合與升/降壓電路的匹配，可調節(jié)到合適的電壓對動力電池進行充電。同時，當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，實現對電網的回饋。
因此，基于雙向逆變充放電技術，電動汽車小僅能實現交流充電，還能將動力電池的直流電反向逆變?yōu)榻涣麟姡騿蜗?三相電網并網供電，實現削峰填谷，或對車外用電器和其他電動汽車供電。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的應用，使電動汽車可以直接接入電網，成為一臺用電設備。根據法規(guī)對直接接入電網的用電設備的要求，均需要進行諧波電流測試，以考核其對接入電網的其他用電設備的諧波干擾。此外，由于整流和逆變技術的應用，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電路占空比的調節(jié)。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
為了對接入電網的用電設備的諧波發(fā)射水平進行考核，國內外發(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生的諧波電流的限制》。
基于以上基礎標準，針對電動汽車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(guī)，分別從充電系統及整車的層面，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的使用過程中對電網注入諧波的限制。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)的設備類型;
c)諧波次數需測到40次，單相充電的限值依照A類和非平衡三相設備，三相充電的限值依照平衡三相設備。
可以看出，ECE R 10.04對電動汽車充電模式的諧波測試進行了明確要求，但對電網放電模式的測試并沒有提及。
2.3電動汽車向電網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，重點對分布式發(fā)電系統的發(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)電領域。
當電動汽車工作于向電網放電模式時，即相當于一臺小型的分布式發(fā)電系統，向低壓公共電網供電。在該模式下，其適用的電網機制，與小型光伏發(fā)電系統完全相同。因此，向電網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的研發(fā)過程中，對基于雙向逆變技術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備 (模擬電網)。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電動汽車充電和放電測試方法的實現
電動汽車與電網的交互，最主要的一點是電動汽車充電，即從電網獲取電能。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實施。
當電動汽車工作于向電網逆變放電的模式時，也需要對輸入電網的諧波電流進行限制，但電動汽車的相關標準和法規(guī)中并沒有明確。我們基于對IE C 61000-3-15的解讀，通過在測試系統中加入功率吸收裝置，實現了車輛向電網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)。
通過將數據與ECE R 10.04的限值對照，充電模式下的測試結果滿足ECE R 10.04法規(guī)的要求。放電模式的測試結果，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果，仍存在較大差異。根據雙向逆變充放電技術的原理，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，實現整流/逆變模塊直流端電壓的調節(jié)，達到動力電池充電或放電的切換。而占空比的調節(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諧波電流值。如果在產品設計中對諧波抑制不加以考慮，對電網質量將具威脅。特別是隨著光伏發(fā)電產業(yè)的發(fā)展，公共電網中將有越來越多的分布式發(fā)電系統的接入，對放電模式的諧波電流進行考核就顯得更加重要。
4結語
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，充電或放電電流’ 的大小，以及充電時車輛動力電池的當前電量，也會影響諧波電流的最終測試結果，后期的研發(fā)過程中需要進一步關注。
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