俞哲人，聶 亮，呂浩華，張 弛，黃 帥，江道灼

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電動(dòng)汽車(chē)服務(wù)分公司，浙江杭州310007；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027）

0 引言

為了應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)和氣候變化，近年來(lái)世界各國(guó)紛紛加速推進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以電動(dòng)汽車(chē)（包括燃料電池電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)）為代表的新能源汽車(chē)成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。全球主要的汽車(chē)制造商均積極進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與生產(chǎn)，文獻(xiàn)［1］預(yù)測(cè)在2015年全球?qū)⒂锌倲?shù)達(dá)到170 萬(wàn)輛的插入式混合式電動(dòng)汽車(chē)行駛于公路上。發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)，勢(shì)必涉及電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)并與的互動(dòng)影響問(wèn)題：一方面，規(guī)?；妱?dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)（充放電），將對(duì)電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)重大挑戰(zhàn)；另一方面，基于前沿信息技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)（vehicle to grid，V2G）技術(shù)，可以利用規(guī)?；妱?dòng)汽車(chē)構(gòu)成分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)改善電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、負(fù)荷削峰填谷及間歇性新能源并網(wǎng)發(fā)電等運(yùn)行性能，達(dá)到提高系統(tǒng)能源綜合利用效率的目的。上述電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)問(wèn)題，也是目前我國(guó)正在開(kāi)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(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站接入電網(wǎng)的直流微網(wǎng)技術(shù)進(jìn)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(dòng)汽車(chē)充電站接入方式。之后對(duì)直流接入關(guān)鍵技術(shù)、雙向DC/DC 變換器結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行綜述與比較分析，分別對(duì)雙向非隔離式DC/DC 變換器，雙向隔離式DC/DC變換器進(jìn)行詳細(xì)的綜述與比較。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電站直流接入技術(shù)

現(xiàn)有的文獻(xiàn)針對(duì)直流微網(wǎng)已進(jìn)行了一定的討論和研究，通過(guò)將大量電動(dòng)汽車(chē)接入直流配電微網(wǎng)中，將電動(dòng)汽車(chē)電池作為儲(chǔ)能原件以及分布式能源進(jìn)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(dòng)性與不確定性對(duì)電網(wǎng)的產(chǎn)生的影響，利于實(shí)現(xiàn)清潔能源的并網(wǎng)接入。以電動(dòng)汽車(chē)作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建單元不僅可以降低對(duì)可再生能源接入所需配備的儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建成本，而且可為電動(dòng)汽車(chē)所有者帶來(lái)收益。針對(duì)V2G 運(yùn)營(yíng)模式的電動(dòng)汽車(chē)微網(wǎng)構(gòu)建目前國(guó)內(nèi)外已有一定研究。文獻(xiàn)［2］提出了一種電動(dòng)汽車(chē)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(xiàn)部分，利用直流母線(xiàn)可將多臺(tái)充電設(shè)備（采用雙向DC/DC變換器）連接為一個(gè)整體。而風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電設(shè)備與燃料電池堆等仍然為接入交流母線(xiàn)之中。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)充電站直流微網(wǎng)部分

文獻(xiàn)［3］提出一種進(jìn)一步考慮電動(dòng)汽車(chē)直流接入的V2G形式直流微網(wǎng)。文獻(xiàn)指出，電動(dòng)汽車(chē)充電站也可建立其配套的光伏發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)或燃料電池堆形成具體的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，文獻(xiàn)［4］中給出了一個(gè)具體的兩級(jí)直流連接系統(tǒng)，考慮混合型燃料電動(dòng)汽車(chē)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣?gòu)與控制問(wèn)題。結(jié)合直流配網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，一種可行的電動(dòng)汽車(chē)充電站入網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。文獻(xiàn)中提供的結(jié)構(gòu)僅為一個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站的結(jié)構(gòu)拓?fù)洌紤]通過(guò)750 V 的直流母線(xiàn)將站內(nèi)分布式能源發(fā)電設(shè)備如風(fēng)機(jī)、光伏太陽(yáng)能電池或是燃料電池堆以及電動(dòng)汽車(chē)雙向DC/DC充電裝置、超級(jí)電容連為一體，并通過(guò)高功率雙向AC/DC變換器接入電網(wǎng)。

圖2 一種可行的電動(dòng)汽車(chē)充電站直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

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(dòng)汽車(chē)充電站直接接入直流配網(wǎng)中，電動(dòng)汽車(chē)充電站的發(fā)展趨勢(shì)將與未來(lái)直流配電網(wǎng)的發(fā)展相輔相成，以直流方式通過(guò)雙向DC/DC變換器直接將直流汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)充電站、光伏發(fā)電設(shè)備、風(fēng)電、超級(jí)電容等。光伏發(fā)電設(shè)備發(fā)出的是一種隨機(jī)波動(dòng)的直流電，需要DC/AC 變換器，并配置適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能裝置和復(fù)雜的控制系統(tǒng)等才能實(shí)現(xiàn)交流并網(wǎng)；風(fēng)電等則是一種隨機(jī)波動(dòng)的交流電，同樣需要AC/DC/AC 變換器，并配置適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能裝置和復(fù)雜的控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)交流并網(wǎng)，而在直流配電網(wǎng)情況下，實(shí)現(xiàn)分布式新能源并網(wǎng)發(fā)電及儲(chǔ)能等的接口設(shè)備與控制技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單得多。電動(dòng)汽車(chē)的充電設(shè)備本來(lái)就是在直流情況下工作的，考慮采用直流配網(wǎng)，則電動(dòng)汽車(chē)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(dāng)電動(dòng)汽車(chē)形成規(guī)模之后，利用電動(dòng)汽車(chē)的電池作為能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，在V2G運(yùn)行模式下可以很好地解決各種分布式能源：風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電設(shè)備的間歇性問(wèn)題，同時(shí)可對(duì)電網(wǎng)削峰填谷起到很好的作用。以直流環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的配網(wǎng)為例，電動(dòng)汽車(chē)充電站接入的直流配網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動(dòng)汽車(chē)充電站接入的直流配網(wǎng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)接入出電站直流系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車(chē)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(yùn)行對(duì)充電站而言至關(guān)重要。本研究將針對(duì)雙向DC/DC變換器進(jìn)行綜述。

目前文獻(xiàn)中針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)接口的雙向DC/DC 變換器的研究主要可以分為兩大類(lèi)，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(duì)兩種類(lèi)型的變換器進(jìn)行各種拓?fù)浣Y(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(jiǎn)單，成本低，且具有很高的可靠性與轉(zhuǎn)換效率。用于電動(dòng)汽車(chē)接入的主要的幾種拓?fù)浞绞街饕校喊霕蚍歉綦x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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

由以上基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)衍生出的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)有級(jí)聯(lián)式半橋變換器、交錯(cuò)式半橋變換器等。其拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5 幾種擴(kuò)展型非隔離式DC/DC基本變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

半橋式變換器的拓?fù)浣Y(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(yùn)行于Buck 及Boost 模式，實(shí)現(xiàn)能量的雙向交換。CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器則通過(guò)兩個(gè)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)的切換實(shí)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(gè)電感L2以及一個(gè)電容Ct。針對(duì)3 個(gè)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(jí)與傳輸能量相同時(shí)，3個(gè)變換中電感L1的電流強(qiáng)度相當(dāng)，而CuK變換器，SEPIC/Luo變換器中電感L2將帶來(lái)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(qiáng)度及二極管中的電流強(qiáng)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(dāng)考慮到低壓一側(cè)的電壓變化時(shí)，半橋變換器的效率會(huì)發(fā)生改變。以實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)為例，其電池一側(cè)的電壓變化范圍考慮為：180 V~360 V。當(dāng)電池一側(cè)電壓較高時(shí)板橋變換器中的電容電流以及晶體管中電流均較低，但當(dāng)電池一側(cè)電壓處于低壓水平時(shí)，如為180 V 時(shí)，此時(shí)變換器中電流將明顯增大，帶來(lái)轉(zhuǎn)換效率的顯著降低。針對(duì)此種情況，可采用變頻脈寬調(diào)制的控制策略代替原來(lái)的普通脈寬調(diào)制進(jìn)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(kāi)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(shí)轉(zhuǎn)換效率得以提高。不過(guò)，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(dòng)水平會(huì)稍有增大，但考慮到電容C1的濾波作用，這一紋波電流不會(huì)對(duì)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(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)為中性點(diǎn)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(shì)。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(hào)的晶體管，而且三電平變換器使用的儲(chǔ)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(xiàn)［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(dòng)汽車(chē)及其充電站的接口實(shí)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(jiǎn)單，但出于安全性與可靠性的需要，在實(shí)際應(yīng)用中，往往還需要考慮實(shí)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(kāi)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(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)可歸納為由電壓型（voltage-fed）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電流型（cur?rent-fed）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩種基本拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其組成的基本拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(xiàn)［11］對(duì)目前主要研究與運(yùn)用與實(shí)際的幾種典型雙向隔離式DC/DC 變換器進(jìn)行了綜述研究與比較分析。

一種被廣泛運(yùn)用的拓?fù)浣Y(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(gè)拓?fù)浣Y(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?fù)?/p>

這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：電流源一側(cè)所有開(kāi)關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)零電壓切換，而在電壓源一側(cè)則可實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流切換；由于不存在線(xiàn)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(diǎn)為電流電流源一側(cè)開(kāi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)適宜用于Vds為較低電壓的電壓源的情況下。這一拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示，該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛運(yùn)用于能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單，兩側(cè)開(kāi)關(guān)均可實(shí)現(xiàn)零電壓切換，而且與VCFFB 結(jié)果相比使用的開(kāi)關(guān)管數(shù)也要少，由于開(kāi)關(guān)管的電壓沖擊值較小，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率較高。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要缺點(diǎn)為在輕載時(shí)功率因數(shù)較小，變換器效率較低。另一個(gè)缺點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行時(shí)其電壓范圍較為狹窄。

其中，文獻(xiàn)［15］還提及一種重要的拓?fù)浣Y(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(jiǎn)稱(chēng)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(shí)驗(yàn)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(shí)沖擊電流大大減小，其輕載時(shí)的環(huán)流電流大小也比DAFB 變換器小，因此在輕載時(shí)其效率相對(duì)于DAFB變換器明顯提高。文獻(xiàn)［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(mǎn)載時(shí)的雙向?qū)嶒?yàn)效率比較結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明Resonant 變換器相比DAFB變換器在輸出電壓較高時(shí)效率提高2%左右，而在輸出電壓較低時(shí)DAFB變換器較Resonant變換器效率高出約1%左右。

綜合比較3個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如表1所示。本研究從原件個(gè)數(shù)、沖擊電壓與沖擊電流大小、輕載環(huán)流情況、軟開(kāi)關(guān)切換范圍、輸出錯(cuò)誤容許度、控制復(fù)雜性等各方面進(jìn)行了優(yōu)、劣勢(shì)比較。

表1 3個(gè)DC/DC變換器的綜合比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)充電站以直流方式接入電網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)行了綜述。首先，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)與研究中對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站直流微網(wǎng)的有關(guān)研究進(jìn)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(dòng)汽車(chē)充電站接入方式。其次，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)充電站直流接入的主要技術(shù)：雙向DC/DC變換器進(jìn)行了綜述分析。分別針對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜述，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)以及相關(guān)研究結(jié)果對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)接單可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)最適于應(yīng)用與接口技術(shù)中。而針對(duì)雙向隔離式DC/DC變換器的綜述，分別對(duì)各有利弊的3 種主要拓?fù)浞绞剑篤CFFB 變換器，DAFB變換器，Resonant變換器進(jìn)行了拓?fù)浔容^與效率分析。

目前，關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)充電站的直流接口技術(shù)的研究與工作仍待進(jìn)一步開(kāi)展。

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