基于電動(dòng)汽車V2G的雙向功率變換器電路拓?fù)浞治?/h1>
2020-09-06 14:08:32成紹桂邵麟港湯佩文陳曦黃祖朋趙小羽
時(shí)代汽車 2020年12期
成紹桂 邵麟港 湯佩文 陳曦 黃祖朋 趙小羽
摘 要：電動(dòng)汽車V2G技術(shù)能削峰填谷，平衡電網(wǎng)的能量需求。雙向功率變換器是智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車能量交換的載體，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車V2G技術(shù)的關(guān)鍵性設(shè)備。本文基于V2G技術(shù)對(duì)電動(dòng)車充電樁雙向功率變換器的電路拓?fù)溥M(jìn)行了分析，總結(jié)了各拓?fù)溥m應(yīng)的場(chǎng)景，得出了一種適合充電樁大功率雙向變換主電路拓?fù)?，為后續(xù)雙向功率變換設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車充電樁;電動(dòng)汽車充電樁;V2G技術(shù);雙向功率變換;電路拓?fù)?/p>
1 研究背景
埃默里·洛文斯在20世紀(jì)90年代提出了汽車和電網(wǎng)的關(guān)系的V2G模型。電動(dòng)車在停止不使用時(shí)，可將電動(dòng)車動(dòng)力電池電能通過智能電網(wǎng)調(diào)度的方式將儲(chǔ)能回饋電網(wǎng)，可在用電需求過多時(shí)減少電網(wǎng)負(fù)載壓力;另外，在電網(wǎng)用電過剩需求時(shí)，電動(dòng)車動(dòng)力電池可通過智能電網(wǎng)獲得電能補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷。V2G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使得電動(dòng)車動(dòng)力電池儲(chǔ)能和電網(wǎng)可以相互交換，將在未來智能電網(wǎng)的發(fā)展中扮演至關(guān)重要的角色[1]。雙向功率變換器作為智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車能量交換的載體，是影響V2G技術(shù)發(fā)展的重要因素。
2 充電樁的雙向功率變換的基本原理
電動(dòng)車用充電樁是電動(dòng)車和電網(wǎng)進(jìn)行電能交換的主要功率裝置。一般雙向功率變換基本原理如圖1所示，主要由濾波器、雙向AC/DC變換拓?fù)?、雙向DC/DC變換拓?fù)湟约翱刂齐娐返饶K串聯(lián)組成。充電方向從電網(wǎng)到電動(dòng)車流動(dòng)，由AC/DC，DC/DC進(jìn)行變換，放電方向從電動(dòng)車到電網(wǎng)，由DC/DC，DC/AC進(jìn)行變換。電動(dòng)車在充放電時(shí)通常在應(yīng)用中采用雙向變壓器來保證電氣隔離，按雙向變壓器的不同位置，分為電網(wǎng)側(cè)、雙向DC/AC變換器中、雙向DC/DC變化器中三種，根據(jù)結(jié)構(gòu)和頻率特性選擇，一般放在雙向DC/DC變換器中[2]。
3 雙向AC/DC電路拓?fù)?/p>
圖2至圖4是常見的三種雙向AC/DC電路拓?fù)鋄3]，分別為三相四開關(guān)管式、三相電壓型逆變式（VSI）、三相三電平二極管鉗位式。
如圖2，三相四開關(guān)管式主要由兩個(gè)開關(guān)管橋臂和一對(duì)電容構(gòu)成，其電路功率器件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)以及控制簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本較低;但是開關(guān)器電流應(yīng)力很大，開關(guān)損耗大。且因無功率因數(shù)校正（Power Factor Correction），應(yīng)用該電路拓?fù)鋾r(shí)，需要設(shè)計(jì)濾波電路，消除諧波的影響。
如圖3，三相電壓型逆變式（VSI）主要由三組開關(guān)橋臂構(gòu)成，其組成比三相四開關(guān)管式多一組橋臂，同功率要求下，功率開關(guān)管電壓是其兩倍，所以通過開關(guān)管的電流是其一半，VSI型雙向AC/DC可以有效降低高頻工作下的損耗。同時(shí)，在充電狀態(tài)下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相當(dāng)于無橋PFC，諧波影響小。因此，該拓?fù)浯蠖噙m用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。
如圖4，三相三電平二極管鉗位式與VSI型電路結(jié)構(gòu)類似，在VSI型的基礎(chǔ)上在橋臂上多串聯(lián)一個(gè)開關(guān)管，并聯(lián)了二極管鉗位，減少了開關(guān)應(yīng)力和損耗。交流側(cè)的電壓畸變率在三電平技術(shù)的作用下得到抑制，在放電場(chǎng)景下可提高波形質(zhì)量。且該電路拓?fù)淦骷?shù)量多，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
綜合以上結(jié)果對(duì)比分析，各三相雙向AC/DC電路拓?fù)涮攸c(diǎn)對(duì)比按表1。在中高功率使用、三相供電的應(yīng)用場(chǎng)景，VSI型雙向AC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)元器件數(shù)量適中，結(jié)構(gòu)及控制較簡(jiǎn)單，最適合做為雙向充電樁的電路拓?fù)洹?/p>
4 雙向DC/DC電路拓?fù)?/p>
如圖5所示，全橋-推挽式主電路是由低壓側(cè)的電流型推挽變換電路和高壓側(cè)的全橋變換電路組成。充電狀態(tài)下，推挽變壓器初級(jí)側(cè)全橋電路將直流電轉(zhuǎn)換成雙極性交流電，次級(jí)側(cè)在同步整流狀態(tài)，將傳遞到次級(jí)的電壓整流成電動(dòng)車電池所需的直流電壓。放電狀態(tài)下，次級(jí)側(cè)變?yōu)槌跫?jí)側(cè)，全橋變換電路中的體二極管組成橋式全波整流電路，輸出直流。
如圖6所示，全橋-半橋式主電路是由高壓端電壓型全橋變換和低壓側(cè)電流型半橋變換電路組成[4]。充電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換原理同全橋-推挽式，但電路處于降壓全橋工作狀態(tài)。放電狀態(tài)下，電壓裝換類似全橋推挽式，但電路處于升壓半橋工作狀態(tài)。
如圖7所示，全橋-全橋式主電路對(duì)稱度高，變壓器兩側(cè)由完全相同的全橋電路組成。該電路在充電或放電模式工作原理一致，高頻變壓器分別在零電壓開關(guān)逆變狀態(tài)和二極管全橋整流狀態(tài)交替，該拓?fù)渚哂星皟煞N結(jié)構(gòu)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，帶軟開關(guān)功能，性能更優(yōu)。
綜合以上分析，各種雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比按表2。全橋-全橋式雙向DC/DC具有高效安全的特點(diǎn)，最符合電動(dòng)車雙向充電樁的應(yīng)用。
5 總結(jié)和展望
由第3章與第4章的綜合分析可得確定了主要由入濾波器、VSI式雙向AC/DC變換電路和全橋-全橋式雙向隔離DC/DC電路拓?fù)渥鳛槌潆姌峨p向變換功率電路的主回路拓?fù)?。如圖8所示。
充電樁作為電動(dòng)車與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的主要功率變換器，雙向功率電路拓?fù)涞难芯亢腿绾芜x擇是實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，本文針對(duì)現(xiàn)有的幾種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析對(duì)比，總結(jié)出了各個(gè)拓?fù)湓诓煌瑧?yīng)用場(chǎng)合下的特點(diǎn)，為雙向變換功率變換的開發(fā)提供了參考。另外，本文并未對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和仿真，實(shí)際電路結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)還有待試驗(yàn)。隨著電動(dòng)車的數(shù)量日益增加，電路設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，V2G技術(shù)將帶來帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
基金項(xiàng)目：廣西科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（桂科AC16380043）;
參考文獻(xiàn)：
[1]劉曉飛，張千帆，崔淑梅.電動(dòng)汽車V2G技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：121-127.
[2]韓偉偉，黃紹倫，代清友，等.基于隔離雙向DC/DC變換器的電梯節(jié)能系統(tǒng)建模與仿真[J].電氣自動(dòng)化，2015，37（4）：7-9.
[3]Khan M A. Bi-directional DC-DC and DC-AC Convers Systems for Vehicle-to-Grid and Grid-to-Vehicle Power Transfer in plug-in-Electric Vehicle[D]. Ann Arbor：North Carolina State University，2015.
[4]童亦斌，吳崓，金新民，等.雙向DC/DC變換器的拓?fù)溲芯縖J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（13）：81-86.
成紹桂 邵麟港 湯佩文 陳曦 黃祖朋 趙小羽
摘 要：電動(dòng)汽車V2G技術(shù)能削峰填谷，平衡電網(wǎng)的能量需求。雙向功率變換器是智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車能量交換的載體，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車V2G技術(shù)的關(guān)鍵性設(shè)備。本文基于V2G技術(shù)對(duì)電動(dòng)車充電樁雙向功率變換器的電路拓?fù)溥M(jìn)行了分析，總結(jié)了各拓?fù)溥m應(yīng)的場(chǎng)景，得出了一種適合充電樁大功率雙向變換主電路拓?fù)?，為后續(xù)雙向功率變換設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車充電樁;電動(dòng)汽車充電樁;V2G技術(shù);雙向功率變換;電路拓?fù)?/p>
1 研究背景
埃默里·洛文斯在20世紀(jì)90年代提出了汽車和電網(wǎng)的關(guān)系的V2G模型。電動(dòng)車在停止不使用時(shí)，可將電動(dòng)車動(dòng)力電池電能通過智能電網(wǎng)調(diào)度的方式將儲(chǔ)能回饋電網(wǎng)，可在用電需求過多時(shí)減少電網(wǎng)負(fù)載壓力;另外，在電網(wǎng)用電過剩需求時(shí)，電動(dòng)車動(dòng)力電池可通過智能電網(wǎng)獲得電能補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷。V2G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使得電動(dòng)車動(dòng)力電池儲(chǔ)能和電網(wǎng)可以相互交換，將在未來智能電網(wǎng)的發(fā)展中扮演至關(guān)重要的角色[1]。雙向功率變換器作為智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車能量交換的載體，是影響V2G技術(shù)發(fā)展的重要因素。
2 充電樁的雙向功率變換的基本原理
電動(dòng)車用充電樁是電動(dòng)車和電網(wǎng)進(jìn)行電能交換的主要功率裝置。一般雙向功率變換基本原理如圖1所示，主要由濾波器、雙向AC/DC變換拓?fù)?、雙向DC/DC變換拓?fù)湟约翱刂齐娐返饶K串聯(lián)組成。充電方向從電網(wǎng)到電動(dòng)車流動(dòng)，由AC/DC，DC/DC進(jìn)行變換，放電方向從電動(dòng)車到電網(wǎng)，由DC/DC，DC/AC進(jìn)行變換。電動(dòng)車在充放電時(shí)通常在應(yīng)用中采用雙向變壓器來保證電氣隔離，按雙向變壓器的不同位置，分為電網(wǎng)側(cè)、雙向DC/AC變換器中、雙向DC/DC變化器中三種，根據(jù)結(jié)構(gòu)和頻率特性選擇，一般放在雙向DC/DC變換器中[2]。
3 雙向AC/DC電路拓?fù)?/p>
圖2至圖4是常見的三種雙向AC/DC電路拓?fù)鋄3]，分別為三相四開關(guān)管式、三相電壓型逆變式（VSI）、三相三電平二極管鉗位式。
如圖2，三相四開關(guān)管式主要由兩個(gè)開關(guān)管橋臂和一對(duì)電容構(gòu)成，其電路功率器件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)以及控制簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本較低;但是開關(guān)器電流應(yīng)力很大，開關(guān)損耗大。且因無功率因數(shù)校正（Power Factor Correction），應(yīng)用該電路拓?fù)鋾r(shí)，需要設(shè)計(jì)濾波電路，消除諧波的影響。
如圖3，三相電壓型逆變式（VSI）主要由三組開關(guān)橋臂構(gòu)成，其組成比三相四開關(guān)管式多一組橋臂，同功率要求下，功率開關(guān)管電壓是其兩倍，所以通過開關(guān)管的電流是其一半，VSI型雙向AC/DC可以有效降低高頻工作下的損耗。同時(shí)，在充電狀態(tài)下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相當(dāng)于無橋PFC，諧波影響小。因此，該拓?fù)浯蠖噙m用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。
如圖4，三相三電平二極管鉗位式與VSI型電路結(jié)構(gòu)類似，在VSI型的基礎(chǔ)上在橋臂上多串聯(lián)一個(gè)開關(guān)管，并聯(lián)了二極管鉗位，減少了開關(guān)應(yīng)力和損耗。交流側(cè)的電壓畸變率在三電平技術(shù)的作用下得到抑制，在放電場(chǎng)景下可提高波形質(zhì)量。且該電路拓?fù)淦骷?shù)量多，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
綜合以上結(jié)果對(duì)比分析，各三相雙向AC/DC電路拓?fù)涮攸c(diǎn)對(duì)比按表1。在中高功率使用、三相供電的應(yīng)用場(chǎng)景，VSI型雙向AC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)元器件數(shù)量適中，結(jié)構(gòu)及控制較簡(jiǎn)單，最適合做為雙向充電樁的電路拓?fù)洹?/p>
4 雙向DC/DC電路拓?fù)?/p>
如圖5所示，全橋-推挽式主電路是由低壓側(cè)的電流型推挽變換電路和高壓側(cè)的全橋變換電路組成。充電狀態(tài)下，推挽變壓器初級(jí)側(cè)全橋電路將直流電轉(zhuǎn)換成雙極性交流電，次級(jí)側(cè)在同步整流狀態(tài)，將傳遞到次級(jí)的電壓整流成電動(dòng)車電池所需的直流電壓。放電狀態(tài)下，次級(jí)側(cè)變?yōu)槌跫?jí)側(cè)，全橋變換電路中的體二極管組成橋式全波整流電路，輸出直流。
如圖6所示，全橋-半橋式主電路是由高壓端電壓型全橋變換和低壓側(cè)電流型半橋變換電路組成[4]。充電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換原理同全橋-推挽式，但電路處于降壓全橋工作狀態(tài)。放電狀態(tài)下，電壓裝換類似全橋推挽式，但電路處于升壓半橋工作狀態(tài)。
如圖7所示，全橋-全橋式主電路對(duì)稱度高，變壓器兩側(cè)由完全相同的全橋電路組成。該電路在充電或放電模式工作原理一致，高頻變壓器分別在零電壓開關(guān)逆變狀態(tài)和二極管全橋整流狀態(tài)交替，該拓?fù)渚哂星皟煞N結(jié)構(gòu)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，帶軟開關(guān)功能，性能更優(yōu)。
綜合以上分析，各種雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比按表2。全橋-全橋式雙向DC/DC具有高效安全的特點(diǎn)，最符合電動(dòng)車雙向充電樁的應(yīng)用。
5 總結(jié)和展望
由第3章與第4章的綜合分析可得確定了主要由入濾波器、VSI式雙向AC/DC變換電路和全橋-全橋式雙向隔離DC/DC電路拓?fù)渥鳛槌潆姌峨p向變換功率電路的主回路拓?fù)?。如圖8所示。
充電樁作為電動(dòng)車與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的主要功率變換器，雙向功率電路拓?fù)涞难芯亢腿绾芜x擇是實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，本文針對(duì)現(xiàn)有的幾種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析對(duì)比，總結(jié)出了各個(gè)拓?fù)湓诓煌瑧?yīng)用場(chǎng)合下的特點(diǎn)，為雙向變換功率變換的開發(fā)提供了參考。另外，本文并未對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和仿真，實(shí)際電路結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)還有待試驗(yàn)。隨著電動(dòng)車的數(shù)量日益增加，電路設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，V2G技術(shù)將帶來帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
基金項(xiàng)目：廣西科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（桂科AC16380043）;
參考文獻(xiàn)：
[1]劉曉飛，張千帆，崔淑梅.電動(dòng)汽車V2G技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：121-127.
[2]韓偉偉，黃紹倫，代清友，等.基于隔離雙向DC/DC變換器的電梯節(jié)能系統(tǒng)建模與仿真[J].電氣自動(dòng)化，2015，37（4）：7-9.
[3]Khan M A. Bi-directional DC-DC and DC-AC Convers Systems for Vehicle-to-Grid and Grid-to-Vehicle Power Transfer in plug-in-Electric Vehicle[D]. Ann Arbor：North Carolina State University，2015.
[4]童亦斌，吳崓，金新民，等.雙向DC/DC變換器的拓?fù)溲芯縖J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（13）：81-86.
