新能源汽車動力電池雙向充電器研究

邱志卓　楊陽　鄧方　江傳玉

摘 要：近年來，許多研究表明，由于綠色環保、節能、易于實施等特點，電動汽車技術比傳統能源技術具有更多的優勢。而本文對新能源汽車動力電池雙向充電器進行了深入的分析和探究。

關鍵詞：新能源汽車 動力電池 雙向充電器

Research on Two-way Charger for Power Battery of New Energy Vehicle

Qiu Zhizhuo，Yang Yang，Deng Fang，Jiang Chuanyu

Abstract：In recent years， many studies have shown that electric vehicle technology has more advantages than traditional energy technologies due to the characteristics of environmental protection， energy saving， and ease of implementation. And this article has conducted an in-depth analysis and exploration of the two-way charger for the power battery of new energy vehicles.

Key words：new energy vehicles， power batteries， two-way chargers

1 新能源汽車概述

近年來，交通、工業和電力部門燃燒礦物燃料資源造成的空氣污染正在成為對全球環境的重大挑戰。氣候變化、能源增量成本和對化石燃料的依賴是當今世界的重大問題。所有這些具有挑戰性的問題都與上述3個主要部門直接相關，這些部門大量使用礦物燃料。世界各地，不僅研究人員，而且各國政府都十分重視減少對化石燃料的依賴，并用清潔的解決方案取而代之。因此，就給予了新能源汽車極大的發展空間與發展前景，而目前生產銷售比較普遍的是油電混合動力汽車和純電動汽車，燃料電池與太陽能汽車由于相關技術難題還尚未攻克，因此還處于研發階段。為了控制污染和減輕對石化資源的依賴，我國近年來出臺了多項政策，對新能源的生產者與消費者進行補貼，同時在很多城市，掛綠色新能源汽車牌照的汽車不受限行約束，這極大的刺激與推動了我國新能源汽車產業的發展，涌現出如比亞迪、威能等一系列國產新能源汽車品牌。

2 動力電池雙向充電器研究背景

大多數非商用輕型車輛，包括電動車，只有大約5% 的時間用于主要的運輸目的。這樣，汽車就可以在95%的時間內提供第二功能。在全世界擁有超過200萬輛電動汽車的情況下，整個電動汽車隊擁有巨大的電力容量，但是利用率和每臺原動機的投資成本都非常低。汽車到電網（V2G）的概念引入了第二種功率流模式，其中電力可以從電動汽車電池流向電網。因此，最先進的 V2G 技術不再把電動汽車僅僅看作是電網上的負載，而是將電動汽車的電池用作并網儲能系統。這樣，一輛閑置或停用的電動車就完成了一項額外的功能，即電池可以臨時充電以滿足電網的需要。這增加了總發電能力，同時提高了電網的穩定性、可靠性和效率。電動汽車電池也可以用來儲存太陽能和風能等可再生能源產生的間歇性電力。電網接收來自可再生能源和不可再生能源的電力。空閑或停放的電動車被連接到電網，以下列模式之一運作——G2V、V2G或待機。支持V2G功能的電動汽車幫助公用事業運營商解決與穩壓、無功補償、有功功率調節、負載平衡、備用容量要求、調峰和電流諧波過濾有關的嚴重問題。

電動汽車的蓄電池充電器分為車載和車外充電系統，可以提供單向和雙向電力流動。具有單向潮流能力的充電系統具有硬件最少、簡化互聯復雜度、降低電池退化等優點。另一種具有雙向功率流的充電系統具有功率穩定、車間并網（V2G）技術以及充分、可控的功率轉換等特點。重量、空間問題和成本限制是限制典型車載充電器動力的主要原因。與電力驅動系統的集成可以幫助避免這些重大問題。電感耦合或導電耦合可以通過車載充電系統實現。設計車外收費系統可以獲得更高的收費率。

3 V2G系統的雙向轉換器探究

雙向變換器電路的第一級是雙向交直流變換器（BADC），這是功率因數校正（PFC）以及促進雙向交直流變流技術所必需的。第二級是雙向直流-直流轉換器（BDC），它提供電動汽車電池和直流母線之間的電壓匹配。雙向變換器通常采用兩種電流控制方式。間接電流控制方法采用交流側 PWM 控制產生正弦脈寬調制，其相位和幅值可以控制。雖然由于沒有閉環電流控制環路，實現起來很簡單，但是由于交流側存在直流分量，暫態性能低下。直流電流控制方法由兩個閉環控制系統組成，一個外部電壓回路用于穩定直流電壓，一個內部電流回路用于控制電感電流。直接電流控制方法也改善了系統的靜態和動態性能。

BADC作為整流器在G2V模式下將交流電源轉換為直流電源，在V2G模式下作為逆變器將直流電源轉換為交流電源。作為一個要求，BADC還必須照顧功率因數校正（PFC）和諧波注入和充電網，在G2V模式下，BADC需要注意的一個重要方面是準確地檢測公用電網的零電壓交叉點，如果零電壓交叉點失效，可能會通過電網變換器導致相對中性點短路，并使輸入電壓和電流波形失真。失真主要是由于正向電壓降在開關和二極管在過零點。理想情況下，V2G模式下的供電電壓必須在電壓水平、相位和頻率方面與電網電壓同步。在V2G模式下，希望輸出電流的總諧波失真小于5% 。

雙向直流-直流轉換器（Bidirectional dc-dc converters，BDC）是一種電力電子轉換器，允許兩個電平之間的直流電壓進行雙向轉換，在接收到適當的控制命令后，能夠逆轉電流的方向[33]。兩個電壓等級中的一個比另一個有更高的值。在V2G互連系統中，BDC的兩個重要功能可以精確地表述為：（1）在G2V或充電模式下，將直流母線電壓轉換為電池的適當充電電壓;（2）在V2G或放電模式下，將電動汽車電池電壓轉換為直流母線電壓。人們總是建議并期望BDC在兩個充電階段之后對電動汽車電池進行充電——恒流階段接著恒壓階段。BDC總是在高開關頻率工作，以提高其功率密度能力。因此，高頻噪聲是由于器件的快速開通和關斷而產生的，它會在電網中引起電磁干擾，惡化其它并網設備的性能。因此，在設計BDC時必須考慮有效的電磁干擾抑制和控制技術。

3.1 雙向交直流變換器拓撲結構

由于其電路布局和控制靈活性，全橋是最常用的BADC拓撲結構。除了G2V和V2G，該轉換器有別于第三種工作模式—— V2H，其中電動汽車電池可作為一個受控電壓源，在停電時供應家庭負荷。在G2V模式下，BADC作為有源整流器工作。在V2G模式下，BADC作為一個穩定的電流源，以單位功率因數向電網供電。采用αβ坐標系下的鎖相環算法，使V2G供電電壓和相位與電網同步。比例積分（PI）控制器用于調節直流母線電壓。L1和C1共同作為輸入端的低通LC濾波器，而L2和C2共同作為輸出端的低通LC濾波器。C1被分成兩個相等的電容，以平滑LC 濾波器在截止頻率下的增益響應。與C1串聯使用的RDUMP是一種阻尼電阻器。公共汽車作為一個瞬時的能量儲存元件，并確保一個穩定的直流電壓通過它。使用IGBT作為開關器件不允許零電壓關斷，由于尾電流導致反向恢復問題，因此使用反并聯二極管變得非常重要。由于沒有電隔離，萬一發生內部故障，安全性仍然受到影響。在實際的應用過程中，全橋BADC由于其結構簡單和控制靈活，是最常見的拓撲結構。單位功率因數操作，易于實現。然而，電流波形的諧波失真可能是一個主要關注的問題，并且需要找到替代的控制方法來解決這個問題。此外，文獻中發現的大多數全橋電容器都要求大型電解總線電容器作為中間儲能元件，這增加了系統的成本和占用空間，降低了系統的可靠性和功率密度能力。電動汽車電池的正弦充電，如下文所述，可以有效地消除這個問題，但代價是電池老化。包括矩陣變換器在內的單級變換拓撲取消了電解直流母線電容器作為中間儲能元件的要求，但需要額外的穩定電路來保持單位功率因數的運行，同時確保最小THD。雖然多級BADC拓撲是可擴展的，并且在不使用濾波器的情況下提供較低的THD，但是與全橋拓撲相比，它需要更多的開關設備，因此必須只考慮非常大功率的充電器/放電器系統。文獻中發現的八開關拓撲是大功率充電/放電系統的理想選擇，但需要的開關數量是全橋拓撲的兩倍，因此可靠性較低，成本較高。

3.2 雙向直流-直流轉換器拓撲結構選擇

在V2G等寬電壓范圍應用中，最流行的隔離型BDC拓撲是電壓饋電的DAB拓撲。這種傳統的轉換器包括兩個全橋，每個包含四個開關，這是由一個高頻變壓器隔離。潮流控制主要采用移相調制技術。DAB拓撲結構的顯著優勢在于電隔離、控制靈活性、軟開關能力、低電壓應力、高效率、高功率密度能力、模塊化、可擴展和對稱結構以及優越的雙向功率流能力。然而，作為一個電壓型變換器，它的電壓轉換范圍很窄，通過器件和磁件的環流很大，并且增加了系統的無功注入。另一種電流饋電模型：DAB BDC具有高電壓增益、低輸入電流、可忽略的二極管振鈴、低變壓器匝數比、無占空比損耗、寬輸入電壓范圍和更容易的電流控制能力。然而，減少電流饋電變換器的關斷損耗需要使用緩沖器或主動夾具來吸收電壓尖峰，這增加了系統的成本。將緩沖電容放置在隔離相移BDCs的開關裝置上是非常常見的。它有助于解決限制開關瞬態，電流和電壓尖峰，EMI 和二極管反向恢復問題。然而，為了優化這類變換器的循環能量，提高其軟開關范圍，需要對電感進行適當的設計。

參考文獻：

[1]張盈曦.一種隔離型三端口雙向DC/DC變換器[D].浙江大學，2020.

[2]蔡蔚.新能源汽車動力電池雙向充電器研究[J].科學技術創新，2019，（36）：39-40.