張宇探

V2G充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述

張宇探1,2

(1.國創(chuàng)新能源汽車智慧能源裝備創(chuàng)新中心(江蘇)有限公司, 江蘇 常州 213000；2.萬幫數(shù)字能源股份有限公司，江蘇 常州 213000)

通過應(yīng)用車輛到電網(wǎng)(V2G)技術(shù)，電動(dòng)汽車可以作為電網(wǎng)的負(fù)載，也可以作為分布式儲(chǔ)能單元。雙向充電機(jī)是電動(dòng)汽車與電網(wǎng)間V2G的接口。綜述了適用于V2G的雙向充電機(jī)的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)變換器級(jí)數(shù)可以被劃分為兩部分：單級(jí)式雙向充電機(jī)和多級(jí)式雙向充電機(jī)。前者僅包含交流/直流變換級(jí)，近年來受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。后者是目前常用的結(jié)構(gòu)，主要包含交流/直流變換級(jí)和直流/直流變換級(jí)，也可以根據(jù)需求增加其他級(jí)。最后總結(jié)V2G充電機(jī)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)。

電動(dòng)汽車；電力電子；車輛到電網(wǎng)；雙向充電機(jī)；交流/直流變換器；直流/直流變換器

0 引言

電動(dòng)汽車近年來得到了大力推動(dòng)和發(fā)展。相對(duì)燃油汽車，電動(dòng)汽車有如下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：首先，電動(dòng)汽車使用電能作為能量來源，因此動(dòng)力結(jié)構(gòu)相對(duì)燃油機(jī)更加簡單，需要的保養(yǎng)更少，能量轉(zhuǎn)換效率更高。并且，剎車時(shí)的能量可以被電動(dòng)汽車的動(dòng)力結(jié)構(gòu)回收，提高了能量利用率。其次，電能是最便于生產(chǎn)、遠(yuǎn)距離傳輸、利用的能源，因此作為水能、風(fēng)能、太陽能等環(huán)保能源生產(chǎn)利用的中間能源介質(zhì)。燃油車只能使用化石燃料作為能量來源，因此無法通過電能來利用新能源。同時(shí)會(huì)排放出尾氣污染環(huán)境。而電動(dòng)汽車使用電能作為能量來源，可以充分利用這些環(huán)保能源。從國家安全考慮，很多國家對(duì)進(jìn)口化石能源有很大的依賴性，并且相當(dāng)一部分用于燃油汽車。電動(dòng)汽車的發(fā)展可以減少化石能源的使用，進(jìn)而大幅提高國家能源安全[1-2]。出于以上原因，很多國家出臺(tái)了各種政策來推行電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及[3-4]。

盡管電動(dòng)汽車有很多優(yōu)點(diǎn)，但是普及電動(dòng)汽車仍面臨諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)可以劃分為兩個(gè)方面：電動(dòng)汽車內(nèi)部和電動(dòng)汽車外部[5-7]。

從電動(dòng)汽車內(nèi)部考慮，用于提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行能量的儲(chǔ)能電池的重量、體積、價(jià)格都較高，并且有充電循環(huán)壽命的問題[8]。充電速度過快，會(huì)加快電池壽命的衰減。一般在短里程或非緊急情況時(shí)，車主會(huì)使用小功率充電機(jī)在空閑時(shí)進(jìn)行長時(shí)間充電，減小電池壽命的損耗。但是在長里程或緊急情況下，電動(dòng)汽車需要快速充電。如果采用小功率充電樁，電動(dòng)汽車充電補(bǔ)能的速度較慢，會(huì)引發(fā)車主的里程焦慮。因此在這種情況下，電池需要快充充電機(jī)來進(jìn)行充電，從而減少等待時(shí)間。充電速度更快的充電機(jī)意味著更大的充電功率，會(huì)產(chǎn)生更大的功率耗散引發(fā)溫升，對(duì)充電機(jī)散熱提出嚴(yán)苛的要求。車身內(nèi)部的散熱空間和散熱條件都較為有限，因此快充充電機(jī)更適合放在車體外部，采用直流充電的方式直接接入車載電池進(jìn)行充電。

從電動(dòng)汽車外部考慮，電動(dòng)汽車充電會(huì)給電網(wǎng)帶來巨大的負(fù)荷[9]。即使僅考慮慢充，如果有大量的電動(dòng)汽車集中在同一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行充電，電網(wǎng)的峰值負(fù)荷、電壓穩(wěn)定性等都會(huì)受到巨大影響。通過升級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)可以明顯改善這些問題，但是成本會(huì)非常高。為了盡可能避免或減少升級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)的成本，很多論文提出了各種方法[10-12]。通過電動(dòng)汽車按時(shí)間順序有序充電，來平衡用電負(fù)荷，可以減緩電網(wǎng)運(yùn)行壓力。在電網(wǎng)負(fù)荷處于峰值時(shí)，車載電池通過充電機(jī)放電饋網(wǎng)；在電網(wǎng)負(fù)荷處于谷值時(shí)，電網(wǎng)通過充電機(jī)給車載電池充電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的效果。因此，如果需要實(shí)現(xiàn)V2G，充電機(jī)需要具備饋網(wǎng)和充電兩種功能，即可以雙向運(yùn)行。

雙向充電機(jī)需要高功率密度、高可靠性、低成本等特性。從安全角度考慮，雙向充電機(jī)需要具備隔離特性，因此本文中僅考慮變壓器隔離型雙向充電機(jī)。隔離型雙向充電機(jī)可以按照級(jí)數(shù)可以分為兩種類型：單級(jí)型和多級(jí)型。多級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由交流-直流(AC-DC)級(jí)、直流-直流(DC-DC)級(jí)和其他級(jí)組成，一般有高容值直流母線電容和濾波電容進(jìn)行功率緩沖[13-14]。

本文對(duì)若干具備雙向運(yùn)行能力的充電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了回顧和比較。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以滿足V2G的需求。在第一部分和第二部分中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被分類為單級(jí)型結(jié)構(gòu)和多級(jí)型結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行討論。單級(jí)型結(jié)構(gòu)會(huì)按照矩陣式和非矩陣式進(jìn)行分類。多級(jí)型結(jié)構(gòu)的整流/逆變級(jí)(AC-DC)、直流變換級(jí)(DC-DC)、其他級(jí)會(huì)分別進(jìn)行討論。本文在第三部分中會(huì)對(duì)現(xiàn)狀和未來趨勢(shì)進(jìn)行分析和展望。最后部分是結(jié)論。

1 單級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[15-22]不分AC-DC和DC-DC級(jí)，主電路中也不包含高容值直流母線電容，因此體積較小，重量較輕，魯棒性較好。缺點(diǎn)是沒有母線電容做功率緩沖，因此輸出電流會(huì)有很大的正弦波動(dòng)，并且正弦波動(dòng)的功率會(huì)給開關(guān)管和變壓器帶來額外的損耗，減少開關(guān)管壽命。除此之外，由于僅有一級(jí)，因此控制自由度較小。

1.1 非矩陣式拓?fù)?/h3>

非矩陣式拓?fù)溆捎诿總€(gè)橋臂的電壓不能工作在四個(gè)象限，因此需要電壓折疊部分將交流電壓的負(fù)半周電壓折疊成正電壓，母線電容的電壓降在零至交流電壓峰值間波動(dòng)。交流側(cè)功率因數(shù)和輸出電壓由輸出控制部分控制，因此策略較為復(fù)雜。

圖1 單級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]通過四個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3、S4折疊交流電壓，并通過雙有源橋控制交流側(cè)功率因數(shù)和輸出電壓。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率因數(shù)高、磁元件少。

如圖3所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[17]適合應(yīng)用于三相交流電網(wǎng)。與文獻(xiàn)[16]的區(qū)別是交流電壓折疊部分是三相中點(diǎn)鉗位結(jié)構(gòu)。

圖2 單相單級(jí)型非矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 三相單級(jí)型非矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖4所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[19]是三相模塊化結(jié)構(gòu)，同樣適合應(yīng)用于三相交流電網(wǎng)。

應(yīng)用于三相電網(wǎng)的雙向充電機(jī)的電池端直流輸入/輸出電流紋波頻率高，幅值相對(duì)單相較小。但是三相電壓的電壓折疊和交流測功率因數(shù)控制相較單相更為困難，所用的開關(guān)管數(shù)量也更多。

1.2 矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制開關(guān)管對(duì)(如圖4中的S1、S2)的通斷，可以使橋臂四象限工作，即交流側(cè)承受正負(fù)電壓，并且能量可以雙向流通，因此很適合在單級(jí)型雙向充電機(jī)中使用。但是矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制相對(duì)復(fù)雜，開關(guān)管和反并聯(lián)二極管導(dǎo)通損耗大。

圖4 三相單級(jí)型非矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2

圖4中的單相矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[20]通過矩陣橋臂開關(guān)管S1、S2的通斷，在交流電壓的正負(fù)半周對(duì)交流電流和輸出電流進(jìn)行控制。電容C1、C2和電感L1、L2用于對(duì)輸入電流和輸出電流進(jìn)行濾波。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)管數(shù)量少，成本低。

如圖5所示的三相矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[22]與圖4中的單相矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似。差別在于交流輸入側(cè)電壓由單相改變?yōu)槿?，輸出功率波?dòng)頻率更高(六倍工頻)，幅值更小。缺點(diǎn)是需要更多的開關(guān)管，價(jià)格更高。

圖5 單相單級(jí)型矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 多級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最常見的是兩級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示。兩級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由AC-DC和DC-DC兩個(gè)功率級(jí)組成，兩級(jí)之間并聯(lián)高容值的直流母線電容(電解電容)和高頻濾波電容(薄膜電容)。多級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以包含其他功率級(jí)，例如有源功率解耦級(jí)。直流母線電容的主要作用是緩沖輸入側(cè)傳遞的二倍頻功率波動(dòng)。通過控制，大部分二倍頻功率波動(dòng)會(huì)被母線電容吸收，因此直流側(cè)電流較為平滑。并且，由于AC-DC級(jí)與DC-DC級(jí)的控制幾乎沒有耦合關(guān)系，所以控制自由度更高。缺點(diǎn)是直流母線電容體積大，且可靠性相對(duì)薄膜電容較差。

圖6 三相單級(jí)型矩陣式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 AC-DC級(jí)

AC-DC級(jí)的主要作用是提供雙向的直流功率傳輸，并對(duì)交流側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)矯正[23]。目前雙向充電機(jī)最常用的AC-DC是圖騰柱式變換器。

如圖8所示，圖騰柱式變換器是應(yīng)用范圍非常廣泛的雙向AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[24-25]。該變換器通過控制兩橋臂的開通關(guān)斷，矯正交流側(cè)電流的功率因數(shù)，并控制輸出電容C1的電壓。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)次序，即可實(shí)現(xiàn)整流/逆變模式的切換，具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 單相圖騰柱式變換器

如圖9所示，三相功率因數(shù)矯正器適合應(yīng)用在三相雙向充電機(jī)中[26]。與圖騰柱變換器結(jié)構(gòu)和工作模式類似。值得注意的是，由于功率因數(shù)矯正器的輸出電流紋波頻率更高(六倍工頻)，幅值更小，因此需要的直流母線電容更小，在可靠性和功率密度方面有較大優(yōu)勢(shì)。圖騰柱式變換器和三相功率因數(shù)矯正器的主要缺點(diǎn)是開關(guān)管硬開關(guān)，導(dǎo)致較大的開關(guān)損耗的電磁干擾(EMI)。硬開關(guān)問題可以通過輔助諧振換流極電路解決，但需要增加開關(guān)管和諧振電感，并且控制較為困難。

圖9 三相圖騰柱式變換器

過去，多電平變換器主要用于高電壓高功率設(shè)備。但是隨著功率半導(dǎo)體，尤其是寬禁帶半導(dǎo)體器件如GaN體積和成本的下降，很多研究都表明在低壓設(shè)備中使用多電平拓?fù)淇梢源蠓档妥儞Q器的磁件體積，提高功率密度和效率[27-28]。

如圖10所示，一個(gè)N電平的模塊化多電平變換器(MMC)的輸出紋波頻率為開關(guān)頻率2N倍，因此可以極大地減小濾波電感的體積，提升功率密度。此外，通過采用性能表征(FoM)更好的低壓開關(guān)管，MMC可以實(shí)現(xiàn)比兩電平變換器更高的效率[29]。目前應(yīng)用的主要難題是開關(guān)管和驅(qū)動(dòng)成本過高且控制復(fù)雜。

圖10 模塊化多電平變換器

2.2 DC-DC級(jí)

應(yīng)用較為廣泛的雙向DC-DC變換器有雙有源橋[30]、串聯(lián)諧振變換器[31]、CLLC變換器[32]等。如圖11所示，傳統(tǒng)的雙有源橋變換器通過原副邊橋臂的單移相控制(SPS)，結(jié)構(gòu)簡單、頻率固定、體積小、魯棒性好、動(dòng)態(tài)特性好。但是雙有源橋在輕載和輸入輸出電壓不匹配時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷損耗較大、容易丟失軟開關(guān)。通過雙移相(EPS)[33]、擴(kuò)展移相(DPS)[34]、三移相(TPS)[35]等控制方法可以一定程度減輕這些問題，但控制相對(duì)復(fù)雜，并且受寄生參數(shù)、元器件散差等影響較大。如圖12所示，串聯(lián)諧振作為雙向變換器需要變頻和移相控制[31]，控制策略相對(duì)復(fù)雜。但串聯(lián)諧振變換器峰值效率高、損耗小、調(diào)頻范圍窄、功率密度高，因此被應(yīng)用于臺(tái)達(dá)等公司的車載充電機(jī)產(chǎn)品中。如圖13所示，CLLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也被用于雙向充電機(jī)中，通過調(diào)頻可以實(shí)現(xiàn)全功率、電壓范圍的軟開關(guān)[32]。但由于電池電壓變化范圍較大，CLLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常需要輔以移相控制，以限制輕載時(shí)的調(diào)頻范圍。CLLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的寬變頻控制決定了其變壓器需要按照最低頻率和最高功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且由于對(duì)諧振參數(shù)精度敏感，諧振電感無法集成，導(dǎo)致電容、電感、變壓器成本較高，體積較大。

圖11 雙有源橋

Fig. 11 Dual active bridge

圖12 串聯(lián)諧振變換器

圖13 CLLC諧振變換器

2.3 有源功率解耦級(jí)

為了吸收電網(wǎng)側(cè)的二倍頻功率波動(dòng)，解決直流母線電容體積大的問題，可以在兩級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加使用有源功率解耦(Active Power Decoupling)拓?fù)鋄36]。有源功率解耦器有很多形式，可以在交流側(cè)、母線側(cè)、直流側(cè)使用。如圖14所示是一種應(yīng)用相對(duì)廣泛的有源功率解耦器，并聯(lián)在AC-DC級(jí)和DC-DC級(jí)之間或輸出級(jí)之間，替代直流母線電容，從而大幅減小電容需要的容值和體積，十分適合高功率密度場合。缺點(diǎn)是成本較高且有開關(guān)損耗。

圖14 一種包含有源功率解耦的多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)

目前充電機(jī)的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是以單向?yàn)橹?，原因是單向結(jié)構(gòu)控制簡單、成本低、可靠性高。但隨著V2G的不斷推廣，雙向充電機(jī)的市場份額在持續(xù)擴(kuò)大。如果未來V2G得到全面普及，雙向充電機(jī)會(huì)替代單向充電機(jī)占據(jù)主流。

綜合來看，V2G雙向充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未來可能會(huì)有如下幾種趨勢(shì)：

1) 隨著電池電壓和能量密度不斷提升，價(jià)格不斷下降，充電機(jī)的充放電功率需求也會(huì)持續(xù)上升。功率提升要求充電機(jī)有更高的功率密度、更高的效率、更低的損耗，也對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)提出需求。由于磁件體積和成本的限制，多電平變換器等對(duì)磁件依賴小的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)是潛在的技術(shù)趨勢(shì)。

2) 寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，也給充電機(jī)帶來新的機(jī)遇。寬禁帶半導(dǎo)體(SiC、GaN)器件耐壓高、損耗小、體積小，非常適合應(yīng)用在需要高功率密度低損耗的場合?？梢灶A(yù)見未來的充電機(jī)會(huì)大量使用寬禁帶半導(dǎo)體器件。寬禁帶半導(dǎo)體器件開關(guān)損耗(尤其是關(guān)斷損耗)極低，因此未來拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)著重于開關(guān)頻率提升和軟開通的實(shí)現(xiàn)。

3) V2G饋網(wǎng)的工作曲線和電池充電不同，更多的工況集中在低功率段。為了保證V2G的饋網(wǎng)效率，低功率下依然有高效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)更加受到青睞。

4) V2G技術(shù)也對(duì)充電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。由于電池能量需要饋網(wǎng)，充電機(jī)需要有足夠的穩(wěn)定性和可靠性，才能確保饋網(wǎng)電流干凈穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)適用于V2G的充電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的綜述，并總結(jié)了現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢(shì)。目前市場上多級(jí)型雙向充電機(jī)已經(jīng)較為成熟，拓?fù)溥x擇范圍也相對(duì)小。而單級(jí)型充電機(jī)目前主要處于學(xué)術(shù)研究階段，尚未市場化。技術(shù)尚未成熟導(dǎo)致單級(jí)型充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，目前還沒有優(yōu)勢(shì)特別突出的結(jié)構(gòu)。但考慮到單級(jí)型充電機(jī)小體積、高功率密度、無電解電容等優(yōu)秀特性，未來會(huì)得到越來越多的關(guān)注和商業(yè)化應(yīng)用。結(jié)合正弦充電、脈沖充電等新的充電方式，可以有效利用單級(jí)型充電機(jī)的輸出電流紋波。此外，隨著寬禁帶半導(dǎo)體價(jià)格逐漸下降、集成化程度逐漸提高，適合使用寬禁帶半導(dǎo)體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)更多的得到關(guān)注。最后，由于磁件體積和成本較高，多電平變換器也會(huì)成為未來研究的方向。

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Review of charger topologies for vehicle-to-grid technologies

ZHANG Yutan1, 2

(1. NEV Smart Energy Equipment Innovation Center Co., Ltd., Changzhou 213000, China;2. Wanbang Digital Energy Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

Electric Vehicle can behave either as leads or as a distributed energy resource via vehicle-to-grid technologies. Bidirectional charger is the interface between electric vehicle and grid. In this paper, power electronics topologies of bidirectional charger for V2G are reviewed. These topologies could be grouped in single-stage or multiple-stage type. The former only contains an AC-DC stage, are studied from both industry and academia. The latter is the current state-of-the-art, consists of AC-DC stage, DC-DC stage and others depending on the demand. Finally, the development situation and trend of bidirectional charger for V2G are summarized.

electric vehicle; power electronics; vehicle-to-grid; bidirectional charger; AC-DC converter; DC-DC converter

2018-09-11；

2018-11-24

通信作者，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與電力傳動(dòng)等。E-mail: yutan.zhang@ wanbangauto.com