全生明 蘇 舒 趙 楠 李 馳 鄭澤東

(1. 國(guó)網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司 北京 100052； 2. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 北京 100084)

1 引言

隨著世界能源消耗加劇，溫室氣體排放量加劇，全球環(huán)境逐漸惡化，世界各國(guó)面臨節(jié)能減排、減少碳排放的重要挑戰(zhàn)。2020年9月，我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)首次提出“國(guó)家的兩個(gè)階段碳減排奮斗目標(biāo)”，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。新能源電動(dòng)車采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)高效清潔的能源儲(chǔ)存和使用，有望代替燃油車進(jìn)而大大降低碳排放量，是未來(lái)交通領(lǐng)域重點(diǎn)的發(fā)展方向之一[2]。目前電動(dòng)車主要以單方向充電為主[3-4]，隨著分布式儲(chǔ)能概念的提出，有可能在用戶側(cè)產(chǎn)生新的能源供應(yīng)方式。在未來(lái)發(fā)展中，電動(dòng)車很有可能以一種新的分布式儲(chǔ)能方式(V2G模式)接入電網(wǎng)，夜晚到家后用充電樁充電，白天通過(guò)單位的充電樁接入電網(wǎng)，參與負(fù)荷平抑、峰谷調(diào)節(jié)等作用，不但位置靈活，而且大規(guī)模的應(yīng)用可以增加電網(wǎng)穩(wěn)定性，同時(shí)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

新能源電動(dòng)車的充電依賴于充電樁，而充電樁中的核心部件是電力電子充電功率模塊。目前的充電功率模塊由AC/DC變換器加隔離型DC/DC變換器構(gòu)成，通常只是單方向給電動(dòng)車充電，因此變換器中的DC/DC單元常采用副邊為二極管的LLC變換器或者移相全橋變換器[7-9]。為了實(shí)現(xiàn)V2G功能，需要考慮修改現(xiàn)有充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使變換器工作在雙向模式下。雙有源橋式變換器具有良好的軟開關(guān)性能、可靠的功率控制能力、優(yōu)秀的電氣隔離特性[10-12]，可以適用于V2G的工作場(chǎng)景下，因此得到了廣泛的研究。

然而，目前雙有源橋變換器更傾向于應(yīng)用在電力電子變壓器等場(chǎng)合，輸入輸出電壓波動(dòng)小，雙有源橋變換器的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單[13-16]。電動(dòng)車電池的電壓制式相差較大，輸出電壓范圍寬且需要保證全負(fù)載情況下的滿負(fù)荷充放電，因此設(shè)計(jì)變得極其復(fù)雜。雙有源橋變換器的方案設(shè)計(jì)涉及了頻率、電壓、磁性器件參數(shù)、電容、器件選型等多項(xiàng)內(nèi)容，且各內(nèi)容之間相互耦合制約，難以獲得一個(gè)綜合的優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化。目前現(xiàn)有關(guān)于雙有源橋變換器優(yōu)化的研究，主要集中在雙有源橋的控制優(yōu)化算法[17-19]，并沒(méi)有針對(duì)V2G場(chǎng)合的雙有源橋變換器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)V2G場(chǎng)合下的充電功率單元中的雙有源橋變換器，提出了一種參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，該方法建立在現(xiàn)有的充電制式、車載電池類型的基礎(chǔ)上，以雙有源橋變換器最優(yōu)效率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合頻率、器件、功率、磁性器件、控制方法、輸出電壓范圍、輸入輸出電壓匹配關(guān)系等優(yōu)化參數(shù)，建立其參數(shù)間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)詳細(xì)的計(jì)算流程，最終得到效率最優(yōu)的雙有源橋變換器參數(shù)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該參數(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性。

2 雙有源橋變換器指標(biāo)設(shè)計(jì)

2.1 頂層指標(biāo)梳理

寬范圍雙向V2G充放電單元面向未來(lái)充電樁場(chǎng)景，在這種情況下，充電單元需要考慮兼容現(xiàn)有的單相充電樁的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。考慮到車載電池的電壓制式分為低壓和高壓兩種，因此雙有源橋變換器的輸出電壓至少需要滿足DC100～900 V，其中DC200～800 V范圍內(nèi)需要實(shí)現(xiàn)恒功率20 kW的充電與放電需求。輸入連接在充電單元中的AC/DC之后，電壓變化范圍在DC650～900 V。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)梳理

雙有源橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中T1～T8為雙有源橋變換器的MOSFET開關(guān)器件，L1為雙有源橋變換器的電感，變壓器變比為n∶1，C1、C2分別為雙有源橋變換器的輸入電容與輸出電容。iP為原邊電流，iS為副邊電流，iO為變換器輸出電流。

圖1 雙有源橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙有源橋變換器的設(shè)計(jì)原則如圖2所示。其中，輸出電壓、功率、紋波要求是設(shè)計(jì)的頂層指標(biāo)，需要滿足，優(yōu)化變量包括輸入電壓(隨輸出電壓變化而變化)、開關(guān)頻率、雙有源橋電感、變壓器變比、開關(guān)器件、輸出電容等。最終需要通過(guò)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)效率、體積、成本的綜合選擇。本文的設(shè)計(jì)要求是在不考慮成本的要求下，體積滿足規(guī)范的前提下，盡可能提高效率。由于各參數(shù)之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，因此需要合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化思路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙有源橋變換器的全局優(yōu)化。

圖2 雙有源橋式變換器的設(shè)計(jì)原則

3 雙有源橋變換器參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 控制方法

目前研究認(rèn)為，雙有源橋變換器具有三個(gè)自由度，包括原副邊移相角δ0、原邊移相角δ1以及副邊移相角δ2，三個(gè)控制變量可以獨(dú)立進(jìn)行組合，使雙有源變換器工作在不同的模態(tài)下。通常對(duì)于一個(gè)相同的工作點(diǎn)(電壓、功率均相同)，雙有源橋變換器可能存在多種工作模態(tài)，即不同的δ0、δ1與δ2，對(duì)應(yīng)著相同的工作點(diǎn)。在相同工作點(diǎn)、不同的工作模態(tài)下，雖然雙有源橋變換器的外特性相同，但是內(nèi)特性如電感電流有效率、電流峰值、軟開關(guān)情況、功率回流情況等是不同的，從而造成效率的巨大差異。因此，在對(duì)雙有源橋變換器優(yōu)化之前，需要先確定雙有源橋變換器的控制方法，不同的控制方法之間存在優(yōu)劣的差別，需要先選擇最優(yōu)效率的控制方法，然后在該控制算法的基礎(chǔ)上，建立變換器損耗模型，實(shí)現(xiàn)變換器的損耗分析[20]。

本文采用雙有源橋效率最優(yōu)化控制方法。在變換器參數(shù)均確定的情況下，雙有源橋變換器的損耗可以表示為

式中，Rds(on)是MOSFET器件的導(dǎo)通電阻；irms是電感L1上的有效電流值；fs是雙有源橋變換器的開關(guān)頻率；Eoff是器件的關(guān)斷損耗，可以由器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)得到。結(jié)合損耗方程，最優(yōu)調(diào)制方法的目標(biāo)是

針對(duì)相同工作點(diǎn)下的一組確定的δ0、δ1、δ2，可以獲得雙有源橋變換器的工作模態(tài)，進(jìn)而獲得電感電流信息irms，同時(shí)結(jié)合關(guān)斷電壓、電流，可以獲得器件的關(guān)斷損耗Eoff，在參數(shù)均確定的情況下，可以得到該組控制參數(shù)對(duì)應(yīng)雙有源橋變換器的損耗情況。通過(guò)遍歷算法對(duì)δ0、δ1、δ2進(jìn)行搜索，可以得到該工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)效率，同時(shí)將實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效率的δ0、δ1、δ2作為該工作點(diǎn)下的控制參數(shù)。按照相同的方式對(duì)其余工作點(diǎn)進(jìn)行遍歷，可以獲得一張二維的由功率和輸出電壓對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù)表，利用此表可以搭建雙有源橋變換器的控制模型，如圖3所示。

圖3 雙有源橋變換器控制優(yōu)化方法

3.2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

雙有源橋變換器的參數(shù)優(yōu)化流程如圖4所示，首選依據(jù)模塊要求選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常為多個(gè)雙有源橋單元串并聯(lián)結(jié)構(gòu)；其次選擇合適的控制算法，即第2.1節(jié)中的控制算法；依據(jù)器件運(yùn)行期間的電壓、電流情況與成本情況，選擇合適的功率器件；在給定的特定頻率fs下，依據(jù)變換器運(yùn)行最大占空比情況對(duì)電感L1進(jìn)行粗選；設(shè)置變壓器變比n，遍歷輸出電壓Uo，尋找與每個(gè)輸出電壓匹配的最優(yōu)輸入電壓Uin，同時(shí)繪制變壓器變比n下的最優(yōu)效率曲線；遍歷不同的變壓器變比n，得到多個(gè)變比下的效率曲線，選擇最優(yōu)的變壓器變比n；然后對(duì)電感L1進(jìn)行精細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確定的n下選擇最優(yōu)的電感L1；返回來(lái)重新選擇開關(guān)頻率fs，重復(fù)操作上述過(guò)程，對(duì)比不同開關(guān)頻率fs下的效率情況，在合理的效率情況下選擇最高的開關(guān)頻率fs，完成雙有源橋變換器的參數(shù)優(yōu)化流程。

圖4 雙有源橋變換器參數(shù)優(yōu)化流程

3.3 具體參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程

DC/DC變換器采用多個(gè)雙有源橋變換器串并聯(lián)設(shè)計(jì)方式主要為了解決三個(gè)問(wèn)題：① 開關(guān)器件可以選用650 V耐壓器件，減小器件電流應(yīng)力與電壓應(yīng)力，可以選擇650 V開關(guān)器件；② 磁性器件雖然增多，但是高度下降，能夠分布在半個(gè)模塊中，且散熱更加均勻；③ 輸出電壓范圍過(guò)大，如果采用單個(gè)雙有源橋，則在輸出電壓不匹配的情況下效率很低，通過(guò)多個(gè)單元可以實(shí)現(xiàn)輸出的串并聯(lián)組合，減少輸出調(diào)壓范圍。

因此，考慮采用4個(gè)雙有源橋單元進(jìn)行組合，每個(gè)單元5 kW，雙有源橋的輸入分別兩兩并聯(lián)，再進(jìn)行串聯(lián)承擔(dān)中間級(jí)650～900 V電壓；輸出通過(guò)開關(guān)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)切換，單個(gè)模塊輸出為200～400 V，在串聯(lián)時(shí)可以輸出400～800 V電壓，如圖5所示。控制算法采用第2.1節(jié)中提到的效率最優(yōu)化控制方法。

圖5 20 kW充電單元中雙有源橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

四個(gè)單元兩兩并聯(lián)，考慮輸出電壓最低情況下，輸出電流為100 A，單個(gè)模塊輸出電流平均值為25 A，耐壓選擇650 V，綜合考慮成本與損耗，選擇導(dǎo)通電阻25 mΩ的SiC MOSFET(C3M0025065D)作為雙有源橋的開關(guān)器件。計(jì)算損耗時(shí)，為了保守估計(jì)損耗，選擇125 ℃下的器件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

由于開關(guān)頻率對(duì)變換器的損耗基本保持線性關(guān)系，和其他參數(shù)間的耦合關(guān)系最小，因此以頻率為基礎(chǔ)劃分不同工作點(diǎn)。因此，首選選擇一個(gè)基準(zhǔn)開關(guān)頻率，在該開關(guān)頻率下確定一套最優(yōu)的變換器參數(shù)。初步選擇開關(guān)頻率為50 kHz，依據(jù)雙有源橋變換器控制要求中，外移相占空比最大為0.1～0.2的原則，對(duì)電感進(jìn)行粗選，參考公式為

選擇電感為L(zhǎng)1=20 μH，在此條件下，設(shè)定不同的變壓器變比n，并分析輸入電壓與輸出電壓的匹配關(guān)系。對(duì)輸入電壓與輸出電壓進(jìn)行遍歷，針對(duì)每一個(gè)輸入電壓與輸出電壓，采用最優(yōu)效率控制方法進(jìn)行控制與損耗計(jì)算，得到不同變比下輸入電壓-輸出電壓-效率關(guān)系圖，如圖6所示。

不同圖片代表不同的變壓器變比，x坐標(biāo)與y表示不同的輸入電壓與輸出電壓，通過(guò)最優(yōu)效率控制方法計(jì)算效率η。在實(shí)際工作中，當(dāng)檢測(cè)到確定的輸出電壓(電動(dòng)車電池電壓)后，通過(guò)前級(jí)AC/DC變換器調(diào)節(jié)得到雙有源橋的輸入電壓，這個(gè)電壓應(yīng)與輸出電壓匹配，保證效率最優(yōu)。因此在圖6中，針對(duì)每一個(gè)輸出電壓，可以找唯一一個(gè)輸入電壓與之對(duì)應(yīng)，保證變換器效率最優(yōu)。各個(gè)最優(yōu)點(diǎn)連接起來(lái)，就得到了一條輸入輸出最優(yōu)匹配曲線，沿著這條曲線對(duì)電池進(jìn)行充電，可以保證效率是最優(yōu)的。

圖6 不同變比下輸入電壓-輸出電壓-效率關(guān)系圖

為了選擇合適的變壓器變比n，將曲線投影到右半平面，僅保留輸出電壓與效率對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將幾條曲線合成到一張圖中，得到如圖7所示的輸出電壓與效率的對(duì)應(yīng)曲線?？梢钥吹?，原邊的電壓調(diào)節(jié)范圍(325～425 V)并沒(méi)有副邊的調(diào)節(jié)范圍寬(200～400 V)，因此在輸出電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中，總會(huì)出現(xiàn)原邊的限制。在此情況后，隨著輸出電壓的增加或者減小，效率會(huì)大幅下降?？紤]充電樁在各電壓段的使用基本是平均分布的，因此選擇全負(fù)載范圍內(nèi)平均效率最優(yōu)的變比n，即選擇n=1.4作為變壓器變比。

圖7 不同變比下輸出電壓-效率關(guān)系圖

在變壓器變比n=1.4的基礎(chǔ)上，重新對(duì)雙有源橋變換器的電感進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。確定變比的情況下，重新在L1=20 μH的附近進(jìn)行遍歷，圖8為n=1.4情況下不同電感L1的輸出電壓與效率的對(duì)應(yīng)曲線。同樣，充分考慮全負(fù)載范圍內(nèi)平均效率最優(yōu)，同時(shí)考慮該電感值盡量小一些，方便作為變壓器漏感集成進(jìn)變壓器中，選擇電感L1=18 μH。

綜上，得到頻率為50 kHz情況下的雙有源橋變換器的優(yōu)化結(jié)果，此時(shí)變壓器變比n=1.4，頻率fs=50 kHz，電感L1=18 μH。圖9a為滿載情況下輸出電壓與效率的關(guān)系，圖9b為每個(gè)輸出電壓下，輸入電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 變比n=1.4，不同DAB電感下輸出電壓-效率關(guān)系圖

圖9 頻率50 kHz下輸出電壓-效率關(guān)系圖和輸出電壓-輸入電壓匹配關(guān)系

按照上述方法，重復(fù)選擇頻率fs為40～120 kHz，并在每個(gè)頻率下按照上述方法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖10所示。隨著頻率的升高，效率在逐漸降低。效率最高點(diǎn)總是在中間，在兩端電壓匹配度低的地方，效率隨之減小，整個(gè)電壓范圍內(nèi)效率較為平均?？紤]為變壓器預(yù)留1%的損耗，整個(gè)DC/DC單元最高效率98%，最低效率97%，選取fs=100 kHz作為雙有源變換器的開關(guān)頻率。

圖10 不同頻率下，輸出電壓-效率關(guān)系圖與輸出電壓-輸入電壓匹配關(guān)系

4 仿真分析

采用PLECS對(duì)優(yōu)化后的雙有源橋變換器運(yùn)行工況與效率進(jìn)行仿真，按照?qǐng)D1所示主電路在PLECS中搭建仿真模型。選擇相同的開關(guān)器件C3M0025065D，分別在輸出為200 V、300 V、400 V的情況下進(jìn)行仿真，并和理論進(jìn)行對(duì)比。

不同輸出電壓情況下，雙有源橋變換器的外移相與內(nèi)移相關(guān)系如圖11所示。按照理論控制參數(shù)，輸出電壓在400 V、300V、200V時(shí)波形結(jié)果分別如圖12、圖13和圖14所示，效率為輸出功率(C2端口功率)與輸入功率(C1端口)的比值。在輸出電壓400 V時(shí)，輸入電壓450 V，輸出電流12.48 A，效率為98.04%，基本與圖10的理論結(jié)果保持一致。在輸出電壓為300 V與200 V時(shí)，效率分別為98.95%與98.21%，同樣與理論一致。仿真結(jié)果說(shuō)明，本文提出的雙有源橋變換器參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是正確并有效的。

圖11 不同輸出電壓與DAB外移相、內(nèi)移相關(guān)系

圖12 輸出電壓400 V，變壓器原副邊電流、輸出電流平均值與效率

圖13 輸出電壓300 V，變壓器原副邊電流、輸出電流平值與效率

圖14 輸出電壓200 V，變壓器原副邊電流、輸出電流平均值與效率

5 結(jié)論

本文提出了一種適用于V2G充電樁寬輸出電壓范圍、雙向工作場(chǎng)合的雙有源橋變換器參數(shù)設(shè)計(jì)方法。本文首先對(duì)適用于V2G充電樁的雙有源橋變換器的頂層指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了梳理，確定了設(shè)計(jì)參數(shù)的相互關(guān)系與重要變量。然后以最優(yōu)效率控制方法為基礎(chǔ)，提出了以最優(yōu)效率為目標(biāo)的雙有橋變換器設(shè)計(jì)流程。本文提出的方法具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1) 該方法能夠綜合輸入電壓匹配、開關(guān)頻率、雙有源橋電感、變壓器變比、開關(guān)器件等多因素，以最優(yōu)效率為目標(biāo)對(duì)雙有源橋變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到雙有源橋變換器的優(yōu)化參數(shù)。

(2) 該方法能夠匹配現(xiàn)有車型的多種工作

(3) 該方法不僅適用于車載充電樁場(chǎng)合，還可以適配如電力電子變壓器、能量路由器中的雙有源橋變換器，具有一定的可推廣性。