基于電動汽車V2G的雙向功率變換器電路拓撲分析

成紹桂 邵麟港 湯佩文 陳曦 黃祖朋 趙小羽

摘 要：電動汽車V2G技術能削峰填谷，平衡電網的能量需求。雙向功率變換器是智能電網與電動汽車能量交換的載體，是實現電動汽車V2G技術的關鍵性設備。本文基于V2G技術對電動車充電樁雙向功率變換器的電路拓撲進行了分析，總結了各拓撲適應的場景，得出了一種適合充電樁大功率雙向變換主電路拓撲，為后續雙向功率變換設計提供參考。

關鍵詞：電動汽車充電樁;電動汽車充電樁;V2G技術;雙向功率變換;電路拓撲

1 研究背景

埃默里·洛文斯在20世紀90年代提出了汽車和電網的關系的V2G模型。電動車在停止不使用時，可將電動車動力電池電能通過智能電網調度的方式將儲能回饋電網，可在用電需求過多時減少電網負載壓力;另外，在電網用電過剩需求時，電動車動力電池可通過智能電網獲得電能補充，實現電網的削峰填谷。V2G技術的實現，使得電動車動力電池儲能和電網可以相互交換，將在未來智能電網的發展中扮演至關重要的角色[1]。雙向功率變換器作為智能電網與電動汽車能量交換的載體，是影響V2G技術發展的重要因素。

2 充電樁的雙向功率變換的基本原理

電動車用充電樁是電動車和電網進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變換拓撲、雙向DC/DC變換拓撲以及控制電路等模塊串聯組成。充電方向從電網到電動車流動，由AC/DC，DC/DC進行變換，放電方向從電動車到電網，由DC/DC，DC/AC進行變換。電動車在充放電時通常在應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，分為電網側、雙向DC/AC變換器中、雙向DC/DC變化器中三種，根據結構和頻率特性選擇，一般放在雙向DC/DC變換器中[2]。

3 雙向AC/DC電路拓撲

圖2至圖4是常見的三種雙向AC/DC電路拓撲[3]，分別為三相四開關管式、三相電壓型逆變式（VSI）、三相三電平二極管鉗位式。

如圖2，三相四開關管式主要由兩個開關管橋臂和一對電容構成，其電路功率器件數量少，結構以及控制簡單，設計生產成本較低;但是開關器電流應力很大，開關損耗大。且因無功率因數校正（Power Factor Correction），應用該電路拓撲時，需要設計濾波電路，消除諧波的影響。

如圖3，三相電壓型逆變式（VSI）主要由三組開關橋臂構成，其組成比三相四開關管式多一組橋臂，同功率要求下，功率開關管電壓是其兩倍，所以通過開關管的電流是其一半，VSI型雙向AC/DC可以有效降低高頻工作下的損耗。同時，在充電狀態下，拓撲結構相當于無橋PFC，諧波影響小。因此，該拓撲大多適用于大功率應用場合。

如圖4，三相三電平二極管鉗位式與VSI型電路結構類似，在VSI型的基礎上在橋臂上多串聯一個開關管，并聯了二極管鉗位，減少了開關應力和損耗。交流側的電壓畸變率在三電平技術的作用下得到抑制，在放電場景下可提高波形質量。且該電路拓撲器件數量多，電路結構較為復雜。

綜合以上結果對比分析，各三相雙向AC/DC電路拓撲特點對比按表1。在中高功率使用、三相供電的應用場景，VSI型雙向AC/DC電路拓撲結構元器件數量適中，結構及控制較簡單，最適合做為雙向充電樁的電路拓撲。

4 雙向DC/DC電路拓撲

如圖5所示，全橋-推挽式主電路是由低壓側的電流型推挽變換電路和高壓側的全橋變換電路組成。充電狀態下，推挽變壓器初級側全橋電路將直流電轉換成雙極性交流電，次級側在同步整流狀態，將傳遞到次級的電壓整流成電動車電池所需的直流電壓。放電狀態下，次級側變為初級側，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電流型半橋變換電路組成[4]。充電狀態下，轉換原理同全橋-推挽式，但電路處于降壓全橋工作狀態。放電狀態下，電壓裝換類似全橋推挽式，但電路處于升壓半橋工作狀態。

如圖7所示，全橋-全橋式主電路對稱度高，變壓器兩側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逆變狀態和二極管全橋整流狀態交替，該拓撲具有前兩種結構的全部優點，帶軟開關功能，性能更優。

綜合以上分析，各種雙向DC/DC拓撲結構特點對比按表2。全橋-全橋式雙向DC/DC具有高效安全的特點，最符合電動車雙向充電樁的應用。

5 總結和展望

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電路拓撲作為充電樁雙向變換功率電路的主回路拓撲。如圖8所示。

充電樁作為電動車與電網進行能量交換的主要功率變換器，雙向功率電路拓撲的研究和如何選擇是實現高效率、高品質轉換的關鍵，本文針對現有的幾種電路拓撲結構進行了分析對比，總結出了各個拓撲在不同應用場合下的特點，為雙向變換功率變換的開發提供了參考。另外，本文并未對各個參數進行詳細計算和仿真，實際電路結構參數指標還有待試驗。隨著電動車的數量日益增加，電路設計的不斷進步，V2G技術將帶來帶來可觀的經濟效益。

基金項目：廣西科技計劃資助項目（桂科AC16380043）;

參考文獻：

[1]劉曉飛，張千帆，崔淑梅.電動汽車V2G技術綜述[J]. 電工技術學報，2012，27（2）：121-127.

[2]韓偉偉，黃紹倫，代清友，等.基于隔離雙向DC/DC變換器的電梯節能系統建模與仿真[J].電氣自動化，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變換器的拓撲研究[J]. 中國電機工程學報，2007，27（13）：81-86.