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电动汽车双向逆变充放电模式下的谐波测试分析的论文
引言
当前，电动汽车的发展已受到全球的普遍关注，在我国尤其得到重视，已推出新能源汽车的具体发展规划和扶持政策。要做好电动汽车的普及，首先要解决好充电的问题。
电动汽车常用的充电方式有两种:一种是采用车载充电器，可直接接入AC220 V市电进行充电，使用便捷，但由于充电功率小、时问过长，小能完全满足日常使用需要。另一种是建专业充电站，实现直流大功率快速充电，但是投资巨大且回收成本周期长，很难进行商业推广。 目前，由于充电设施的严重小足，电动汽车充电难的问题随之而来，这将严重制约电动汽车的推广。
1双向逆变充放电技术介绍
为了摆脱了电动汽车普及对充电站的依赖，比亚迪推出了新能源技术领域的研发成果:双向逆变充放电技术。
这项技术综合了交流充电便捷以及直流充电功率大的优势，集直流充电站、车载充电器和驱动电机控制器的功能于一体，实现了将电网的交流电转换为直流电对动力电池充电，电动汽车依赖专业充电站的问题得到很好的解决，同时充电设施投资几乎为零;而且充电标准简化，适用全球各地电工标准。
整流/逆变模块的核心部件是绝缘栅双板型晶体管(TGBT)，通过桥式整流可实现AC转化为DCDC电压的大小，可由改变PW M(脉冲宽度调制)的占空比进行调节。再结合与升/降压电路的匹配，可调节到合适的电压对动力电池进行充电。同时，当施加到动力电池两端的直流电压低于电池电压时，动力电池将处于放电状态，由桥式整流电路的可逆原理，整流/逆变模块即工作于逆变模式，实现对电网的回馈。
因此，基于双向逆变充放电技术，电动汽车小仅能实现交流充电，还能将动力电池的直流电反向逆变为交流电，向单相/三相电网并网供电，实现削峰填谷，或对车外用电器和其他电动汽车供电。那么，电动汽车将不再仅仅是一台驾乘工具，更是一台小型的移动发电站或救援工具。
2电动汽车谐波电流的测试标准及法规要求
双向逆变充放电技术的应用，使电动汽车可以直接接入电网，成为一台用电设备。根据法规对直接接入电网的用电设备的要求，均需要进行谐波电流测试，以考核其对接入电网的其他用电设备的谐波干扰。此外，由于整流和逆变技术的应用，也使得在电动汽车双向逆变控制器的研发过程中，谐波抑制是必须解决的一大课题。
那么，对于电动汽车接入电网的两种典型模式:充电和放电，其谐波电流发射水平是否存在差异?从以上所述的原理来分析，充电模式和放电模式的切换，主要在于PW M电路占空比的调节。由傅里叶变换原理可知，即使调制频率相同，小同的占空比，其对谐波成分是有很大影响的。因此，两种模式的谐波电流均需要考核。
2.1谐波电流测试的标准要求
为了对接入电网的用电设备的谐波发射水平进行考核，国内外发布了一系列的标准。如国际电工委员会制定了一系列谐波电流的基础测试标准，主要有IEC 61000-3-2《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流毛16A)》、IE C 61000-3-4《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流>16A)》和IE C 61000-3-12《电磁兼容限值每相输入电流大于16A且小大于75 A的连接到低压供电系统的设备产生的谐波电流发射限值》，相应的国家标准为GB 17625.1《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流毛16A)》和GB/7. 17625.6《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》。
基于以上基础标准，针对电动汽车充电系统谐波电流限制的要求，国际国内相继发布了一系列的标准和法规，分别从充电系统及整车的层面，对此进行定义，如IEC 61851, ECE R 10, GB18487等，作为测试和评价电动汽车在接入电网的使用过程中对电网注入谐波的限制。针对电动汽车整车的谐波电流的考核，目前主要的依据是ECE R 10.040。
2.2 E C E R 10.04对电动汽车充电模式的谐波电流测试要求
2011年10月，欧盟经济委员会发布了最新的ECER 10.04法规，与2008年发布的03版相比，增加了6项充电系统试验和2项充电模式下车辆发射和抗扰试验，足见对电动汽车充电模式EM C性能的重视。
ECE R 10.04新增的附件11，提出了车辆充电模式下通过AC电源线向电网注入谐波电流的限制，具体要求为:
a)用以测试车辆充电过程中，通过AC电源线注入到电网中的谐波，以确保与居住环境、商业环境及轻工业环境相适合;
b)试验方法参考标准为IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-12，分为单相充电、三相充电;
c)判定方法参考标准为IE C61000-3-2、IEC 61000-3-12，分为平衡三相设备、非平衡三相设备和特殊条件平衡设备。
在具体测试方法中明确:
a)车辆需在额定功率下充电，充电电流至少达到80%的额定电流;
b)测试观察周期需按照IE C 61000-3-2定义的准稳态的设备类型;
c)谐波次数需测到40次，单相充电的限值依照A类和非平衡三相设备，三相充电的限值依照平衡三相设备。
可以看出，ECE R 10.04对电动汽车充电模式的谐波测试进行了明确要求，但对电网放电模式的测试并没有提及。
2.3电动汽车向电网放电模式的谐波电流测试的参考依据
2011年IEC 61000-3-15第一版发布，用于评估每相电流小大于75 A的连接到低压公共电网的分布式发电系统，在低频电磁抗扰性和电磁发射方面的要求，重点对分布式发电系统的发射(包括谐波电流发射)进行了限制。由于是第一版标准，该标准意在尝试对分布式发电系统的EM C要求及其试验条件进行定义，作为今后深入研究的出发点和铺垫。目前，该项标准主要适用于光伏发电领域。
当电动汽车工作于向电网放电模式时，即相当于一台小型的分布式发电系统，向低压公共电网供电。在该模式下，其适用的电网机制，与小型光伏发电系统完全相同。因此，向电网放电模式的谐波电流测试，是可以借鉴该标准的。
3基于双向逆变充放电技术的电动汽车谐波电流测试
基于以上分析，我们在电动汽车及其充电系统的研发过程中，对基于双向逆变技术的电动汽车分别进行了充电和放电模式下的谐波电流测试。测试针对某款纯电动汽车进行，车辆通过三相充电盒直接接入测试设备 (模拟电网)。测试前，由研发人员分别设置工作模式(充电或放电)和工作电流。谐波电流发射的测试标准，分别对毛16A每相、>16A且毛75 A每相进行了定义，本次测试中的工作电流，对应于测试标准分别设置了小电流、大电流两档。
3.1电动汽车充电和放电测试方法的实现
电动汽车与电网的交互，最主要的一点是电动汽车充电，即从电网获取电能。这一使用模式下的谐波电流测试，在ECE R 10.04中已有明确要求，具体方法依据IEC 61000-3-2和IEC 61000-3-12实施。
当电动汽车工作于向电网逆变放电的模式时，也需要对输入电网的谐波电流进行限制，但电动汽车的相关标准和法规中并没有明确。我们基于对IE C 61000-3-15的解读，通过在测试系统中加入功率吸收装置，实现了车辆向电网放电过程中电能的回馈。
3.2充电模式和放电模式的测试结果分析
小同电流条件下测得的谐波电流值(为便于进行横向比较，谐波测试值均以百分比形式体现)。
通过将数据与ECE R 10.04的限值对照，充电模式下的测试结果满足ECE R 10.04法规的要求。放电模式的测试结果，如果按照ECE R 10.04的限值来判断，也是满足法规要求的。
另外，即使充电电流与放电电流基本接近，分别在充电模式和放电模式下的谐波测试结果，仍存在较大差异。根据双向逆变充放电技术的原理，充电和放电两种工作模式的差异，主要在于通过改变PW M电路占空比的大小，实现整流/逆变模块直流端电压的调节，达到动力电池充电或放电的切换。而占空比的调节将改变谐波成分的大小，正好对此作了很好的验证。因此，分别对充电和放电两种模式进行谐波电流发射水平的测试和评价，是很有必要的。
需要注意的是，发电模式的3次、9次、11次谐波电流虽然大大低于ECE R 10.04的限值，但高于充电模式的对应谐波电流值。如果在产品设计中对谐波抑制不加以考虑，对电网质量将具威胁。特别是随着光伏发电产业的发展，公共电网中将有越来越多的分布式发电系统的接入，对放电模式的谐波电流进行考核就显得更加重要。
4结语
由于电动车双向逆变充放电模式的特殊性，本文在综合研究常规用电设备和光伏发电设备的谐波电流测试标准的基础上，提出了对电动汽车谐波电流发射水平进行充分验证的测试方法，并在建立测试手段的基础上，验证了两种模式分别进行测试的必要性。
电动汽车的谐波电流测试，目前还是一个相对较新的领域，仍有很多测试方法和工作模式的细节需要研究和探索。如我们最近在试验中发现，充电或放电电流’ 的大小，以及充电时车辆动力电池的当前电量，也会影响谐波电流的最终测试结果，后期的研发过程中需要进一步关注。
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