俞哲人，聶 亮，呂浩華，張 弛，黃 帥，江道灼

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電動汽車服務(wù)分公司，浙江杭州310007；2.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）

0 引言

為了應(yīng)對全球能源危機和氣候變化，近年來世界各國紛紛加速推進汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，以電動汽車（包括燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車、純電動汽車）為代表的新能源汽車成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點。全球主要的汽車制造商均積極進行電動汽車的研發(fā)與生產(chǎn)，文獻［1］預測在2015年全球?qū)⒂锌倲?shù)達到170 萬輛的插入式混合式電動汽車行駛于公路上。發(fā)展電動汽車，勢必涉及電動汽車接入電網(wǎng)并與的互動影響問題：一方面，規(guī)?；妱悠嚱尤腚娋W(wǎng)（充放電），將對電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟運行帶來重大挑戰(zhàn)；另一方面，基于前沿信息技術(shù)和電動汽車接入電網(wǎng)（vehicle to grid，V2G）技術(shù)，可以利用規(guī)?；妱悠嚇?gòu)成分布式儲能系統(tǒng)，以實現(xiàn)改善電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、負荷削峰填谷及間歇性新能源并網(wǎng)發(fā)電等運行性能，達到提高系統(tǒng)能源綜合利用效率的目的。上述電動汽車與電網(wǎng)互動技術(shù)問題，也是目前我國正在開展的智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的重要組成內(nèi)容之一。

結(jié)合目前直流配電技術(shù)的發(fā)展，本研究針對電動汽車充電站接入電網(wǎng)的直流微網(wǎng)技術(shù)進行一定程度的綜述分析，并在此基礎(chǔ)上提出結(jié)合直流配網(wǎng)的電動汽車充電站接入方式。之后對直流接入關(guān)鍵技術(shù)、雙向DC/DC 變換器結(jié)合國內(nèi)外文獻進行綜述與比較分析，分別對雙向非隔離式DC/DC 變換器，雙向隔離式DC/DC變換器進行詳細的綜述與比較。

1 電動汽車充電站直流接入技術(shù)

現(xiàn)有的文獻針對直流微網(wǎng)已進行了一定的討論和研究，通過將大量電動汽車接入直流配電微網(wǎng)中，將電動汽車電池作為儲能原件以及分布式能源進行利用，與清潔可再生分布式能源配合，解決可再生能源的波動性與不確定性對電網(wǎng)的產(chǎn)生的影響，利于實現(xiàn)清潔能源的并網(wǎng)接入。以電動汽車作為儲能系統(tǒng)的構(gòu)建單元不僅可以降低對可再生能源接入所需配備的儲能系統(tǒng)的構(gòu)建成本，而且可為電動汽車所有者帶來收益。針對V2G 運營模式的電動汽車微網(wǎng)構(gòu)建目前國內(nèi)外已有一定研究。文獻［2］提出了一種電動汽車充電站內(nèi)的直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該微網(wǎng)中的直流部分僅僅為充電站中采用的直流母線部分，利用直流母線可將多臺充電設(shè)備（采用雙向DC/DC變換器）連接為一個整體。而風機、光伏發(fā)電設(shè)備與燃料電池堆等仍然為接入交流母線之中。

圖1 電動汽車充電站直流微網(wǎng)部分

文獻［3］提出一種進一步考慮電動汽車直流接入的V2G形式直流微網(wǎng)。文獻指出，電動汽車充電站也可建立其配套的光伏發(fā)電系統(tǒng)，風機系統(tǒng)或燃料電池堆形成具體的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，文獻［4］中給出了一個具體的兩級直流連接系統(tǒng)，考慮混合型燃料電動汽車與光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲建構(gòu)與控制問題。結(jié)合直流配網(wǎng)的發(fā)展趨勢，一種可行的電動汽車充電站入網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。文獻中提供的結(jié)構(gòu)僅為一個電動汽車充電站的結(jié)構(gòu)拓撲，考慮通過750 V 的直流母線將站內(nèi)分布式能源發(fā)電設(shè)備如風機、光伏太陽能電池或是燃料電池堆以及電動汽車雙向DC/DC充電裝置、超級電容連為一體，并通過高功率雙向AC/DC變換器接入電網(wǎng)。

圖2 一種可行的電動汽車充電站直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)拓撲

在直流微網(wǎng)的基礎(chǔ)上結(jié)合直流配電網(wǎng)的發(fā)展，一種可以考慮將電動汽車充電站直接接入直流配網(wǎng)中，電動汽車充電站的發(fā)展趨勢將與未來直流配電網(wǎng)的發(fā)展相輔相成，以直流方式通過雙向DC/DC變換器直接將直流汽車充電站接入直流配電網(wǎng)中。直流配網(wǎng)可以非常容易地容納電動汽車充電站、光伏發(fā)電設(shè)備、風電、超級電容等。光伏發(fā)電設(shè)備發(fā)出的是一種隨機波動的直流電，需要DC/AC 變換器，并配置適當?shù)膬δ苎b置和復雜的控制系統(tǒng)等才能實現(xiàn)交流并網(wǎng)；風電等則是一種隨機波動的交流電，同樣需要AC/DC/AC 變換器，并配置適當?shù)膬δ苎b置和復雜的控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)交流并網(wǎng)，而在直流配電網(wǎng)情況下，實現(xiàn)分布式新能源并網(wǎng)發(fā)電及儲能等的接口設(shè)備與控制技術(shù)相對要簡單得多。電動汽車的充電設(shè)備本來就是在直流情況下工作的，考慮采用直流配網(wǎng)，則電動汽車充電站的配網(wǎng)接入將變得十分方便，采用雙向DC/DC 變換器即可接入電網(wǎng)。當電動汽車形成規(guī)模之后，利用電動汽車的電池作為能量儲存設(shè)備，在V2G運行模式下可以很好地解決各種分布式能源：風機、光伏發(fā)電設(shè)備的間歇性問題，同時可對電網(wǎng)削峰填谷起到很好的作用。以直流環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)的配網(wǎng)為例，電動汽車充電站接入的直流配網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動汽車充電站接入的直流配網(wǎng)結(jié)構(gòu)

對于電動汽車接入出電站直流系統(tǒng)以及電動汽車充電站接入直流配網(wǎng)的接入而言，雙向DC/DC變換器最為其接口起了至關(guān)重要的作用，其能否高效、可靠運行對充電站而言至關(guān)重要。本研究將針對雙向DC/DC變換器進行綜述。

目前文獻中針對電動汽車接口的雙向DC/DC 變換器的研究主要可以分為兩大類，即為隔離式雙向DC/DC 變換器與非隔離式雙向DC/DC 變換器。下面筆者針對兩種類型的變換器進行各種拓撲結(jié)構(gòu)的綜述與分析。

2 非隔離式雙向DC/DC 變換器

非隔離式雙向DC/DC 變換器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且具有很高的可靠性與轉(zhuǎn)換效率。用于電動汽車接入的主要的幾種拓撲方式主要有：半橋非隔離變換器，CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器和雙向三電平變換器等，它們的部分拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由以上基礎(chǔ)拓撲結(jié)構(gòu)衍生出的擴展結(jié)構(gòu)有級聯(lián)式半橋變換器、交錯式半橋變換器等。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 幾種非隔離式DC/DC基本變換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖5 幾種擴展型非隔離式DC/DC基本變換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖

半橋式變換器的拓撲結(jié)構(gòu)是非隔離式DC/DC 變換器中應(yīng)用最為廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可分別運行于Buck 及Boost 模式，實現(xiàn)能量的雙向交換。CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器則通過兩個動態(tài)開關(guān)的切換實現(xiàn)能量的雙向交換。由于拓展型非隔離式DC/DC 基本變換器的拓撲結(jié)構(gòu)可以看做是半橋變換器的衍生，其分析也可基于基本半橋變換器。從拓撲結(jié)構(gòu)而言，半橋變換器相比于CuK 變換器，SEPIC/Luo變換器少用一個電感L2以及一個電容Ct。針對3 個電路中的電感電流以及晶體管中電流的分析比較可知：在兩端電壓等級與傳輸能量相同時，3個變換中電感L1的電流強度相當，而CuK變換器，SEPIC/Luo變換器中電感L2將帶來的額外能量損失；且CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器中的晶體管中電流強度及二極管中的電流強度均比半橋變換器中的要大。因此，半橋變換器相比于CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器具有更高的轉(zhuǎn)換效率。

但當考慮到低壓一側(cè)的電壓變化時，半橋變換器的效率會發(fā)生改變。以實際電動汽車充電時為例，其電池一側(cè)的電壓變化范圍考慮為：180 V~360 V。當電池一側(cè)電壓較高時板橋變換器中的電容電流以及晶體管中電流均較低，但當電池一側(cè)電壓處于低壓水平時，如為180 V 時，此時變換器中電流將明顯增大，帶來轉(zhuǎn)換效率的顯著降低。針對此種情況，可采用變頻脈寬調(diào)制的控制策略代替原來的普通脈寬調(diào)制進行控制。在低電電池電壓水平下不論是Buck 還是Boost 模式采用變頻脈寬調(diào)制均將使效率提高1%~2.5%。在此種控制策略下晶體管開關(guān)頻率將隨著低壓一側(cè)的電壓大小而變化，將使得變換器在低壓側(cè)低電壓水平時轉(zhuǎn)換效率得以提高。不過，在變頻脈寬調(diào)制的控制下相比原脈寬調(diào)制電感中的電流波動水平會稍有增大，但考慮到電容C1的濾波作用，這一紋波電流不會對低壓一側(cè)產(chǎn)生明顯影響［4］。

三電平變換器可分為中性點鉗位（Neutral Point Clamped）型，二極管鉗位（Diode Clamped）型，靈敏電容（Flying Capacitor）型等。圖4 中的拓撲結(jié)構(gòu)為中性點鉗位（Neutral Point Clamped）型的三電平變換器，相比于半橋變換器更具有明顯的優(yōu)勢。在同等電壓水平下，三電平變換器的管壓降僅為半橋變換器的管壓降的一半，因此可選擇輕型號的晶體管，而且三電平變換器使用的儲能元件數(shù)明顯減少，且所需電感規(guī)格大小僅為半橋中的三分之一。因此，三電平變換器相比半橋變換器具有更高的轉(zhuǎn)換效率且更低的成本。文獻［5-8］中提供的三電平變換器與半橋變換器的效率比較結(jié)果表明，三電平變換器相比變頻脈寬調(diào)制的半橋變換器效率提高2%~3%。因此，在非隔離的雙向DC/DC 變換器中，三電平變換器更適于電動汽車及其充電站的接口實際應(yīng)用。

3 隔離式雙向DC/DC 變換器

雖然非隔離式雙向DC/DC 變換器成本較低且結(jié)構(gòu)簡單，但出于安全性與可靠性的需要，在實際應(yīng)用中，往往還需要考慮實現(xiàn)兩端直流隔離，因此需要采用具有變壓器隔離的雙向開關(guān)變換器。隔離式雙向DC/DC 變換器在V2G 模式中的應(yīng)用將具有提高能量密度，減少交換功率，提高運行安全可靠性，限制故障電流的作用［9-10］。

隔離式雙向DC/DC 變換器的基本拓撲結(jié)構(gòu)可歸納為由電壓型（voltage-fed）拓撲結(jié)構(gòu)和電流型（cur?rent-fed）拓撲結(jié)構(gòu)，兩種基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 由電壓型及電流型組成輸入輸出端的隔離式雙向DC/DC變換器基本拓撲結(jié)構(gòu)

其組成的基本拓撲結(jié)構(gòu)的原件為高頻電感，高頻變壓器以及高頻的變換器子電路。而基本的高頻變換器子電路拓撲結(jié)構(gòu)包括：全橋（full-bridge）變換器，半橋（half-bridge）變換器，推挽（push-pull）變換器，中心抽頭（center-taped）變換器，L 型半橋（L-type halfbridge）變換器和電流倍增（current-doubler）變換器。

文獻［11］對目前主要研究與運用與實際的幾種典型雙向隔離式DC/DC 變換器進行了綜述研究與比較分析。

一種被廣泛運用的拓撲結(jié)構(gòu)為：一側(cè)為電壓源型，另一側(cè)為電壓源型的變換器及其衍生結(jié)構(gòu)。其中比較分析后最具代表性的一個拓撲結(jié)構(gòu)為電壓源-電流源有源鉗位（VCFFB）雙向隔離式DC/DC變換器，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電壓源-電流源有源鉗位（VCFFB）雙向隔離式DC/DC變換器結(jié)構(gòu)拓撲

這一拓撲結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：電流源一側(cè)所有開關(guān)管均能實現(xiàn)零電壓切換，而在電壓源一側(cè)則可實現(xiàn)零電壓或零電流切換；由于不存在線路中的環(huán)流電流，其相比于普通的相控全橋變換器效率大大提高。而其主要缺點為電流電流源一側(cè)開關(guān)管的沖擊電壓值將比該側(cè)的電壓源Vds電壓值高。因此，該拓撲結(jié)構(gòu)適宜用于Vds為較低電壓的電壓源的情況下。這一拓撲結(jié)構(gòu)也存在不少衍生結(jié)構(gòu)，如將兩側(cè)全橋電路用半橋電路替代等。

另一種典型拓撲結(jié)構(gòu)為雙重有源橋電路（DAFB—dual active full-bridge bridges），其組成為兩側(cè)均使用電壓源型的全橋電路，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示，該變換器拓撲結(jié)構(gòu)廣泛運用于能量儲存系統(tǒng)與發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)中［12-14］。

圖8 兩側(cè)電壓源型的雙向DC/DC變換器

該變換器控制簡單，兩側(cè)開關(guān)均可實現(xiàn)零電壓切換，而且與VCFFB 結(jié)果相比使用的開關(guān)管數(shù)也要少，由于開關(guān)管的電壓沖擊值較小，該拓撲結(jié)構(gòu)的效率較高。該拓撲結(jié)構(gòu)主要缺點為在輕載時功率因數(shù)較小，變換器效率較低。另一個缺點為實現(xiàn)最優(yōu)運行時其電壓范圍較為狹窄。

其中，文獻［15］還提及一種重要的拓撲結(jié)構(gòu)為帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器（The bi-direction?al series resonant DC-DC converter with clamped ca?pacitor voltage，簡稱為Resonant），結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器

相比DAFB 變換器實驗分析表明，帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器在輕載時沖擊電流大大減小，其輕載時的環(huán)流電流大小也比DAFB 變換器小，因此在輕載時其效率相對于DAFB變換器明顯提高。文獻［11］中提供了DAFB變換器與帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器（Resonant）在35 kW滿載時的雙向?qū)嶒炐时容^結(jié)果，實驗表明Resonant 變換器相比DAFB變換器在輸出電壓較高時效率提高2%左右，而在輸出電壓較低時DAFB變換器較Resonant變換器效率高出約1%左右。

綜合比較3個電路拓撲結(jié)構(gòu)如表1所示。本研究從原件個數(shù)、沖擊電壓與沖擊電流大小、輕載環(huán)流情況、軟開關(guān)切換范圍、輸出錯誤容許度、控制復雜性等各方面進行了優(yōu)、劣勢比較。

表1 3個DC/DC變換器的綜合比較

4 結(jié)束語

本研究針對電動汽車及電動汽車充電站以直流方式接入電網(wǎng)的技術(shù)進行了綜述。首先，結(jié)合現(xiàn)有文獻與研究中對電動汽車充電站直流微網(wǎng)的有關(guān)研究進行了綜述與比較，在此基礎(chǔ)上結(jié)合直流配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提出了基于直流配電網(wǎng)技術(shù)的電動汽車充電站接入方式。其次，針對電動汽車及電動汽車充電站直流接入的主要技術(shù)：雙向DC/DC變換器進行了綜述分析。分別針對雙向隔離式DC/DC 變換器與雙向非隔離式DC/DC變換器的各種拓撲結(jié)構(gòu)進行了綜述，結(jié)合相關(guān)文獻以及相關(guān)研究結(jié)果對各種拓撲結(jié)構(gòu)進行了比較分析。在雙向非隔離式DC/DC 變換器的綜述中，最后得出結(jié)論：雙向三電平變換器以其高效，拓撲結(jié)構(gòu)接單可靠等諸多優(yōu)點最適于應(yīng)用與接口技術(shù)中。而針對雙向隔離式DC/DC變換器的綜述，分別對各有利弊的3 種主要拓撲方式：VCFFB 變換器，DAFB變換器，Resonant變換器進行了拓撲比較與效率分析。

目前，關(guān)于電動汽車的各種技術(shù)研究仍處于不是十分完善的階段，大量有關(guān)電動汽車充電站的直流接口技術(shù)的研究與工作仍待進一步開展。

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