新能源汽車動(dòng)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(huán)保、節(jié)能、易于實(shí)施等特點(diǎn)，電動(dòng)汽車技術(shù)比傳統(tǒng)能源技術(shù)具有更多的優(yōu)勢。而本文對新能源汽車動(dòng)力電池雙向充電器進(jìn)行了深入的分析和探究。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動(dòng)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(yè)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(huán)境的重大挑戰(zhàn)。氣候變化、能源增量成本和對化石燃料的依賴是當(dāng)今世界的重大問題。所有這些具有挑戰(zhàn)性的問題都與上述3個(gè)主要部門直接相關(guān)，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(fā)展空間與發(fā)展前景，而目前生產(chǎn)銷售比較普遍的是油電混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車，燃料電池與太陽能汽車由于相關(guān)技術(shù)難題還尚未攻克，因此還處于研發(fā)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(tái)了多項(xiàng)政策，對新能源的生產(chǎn)者與消費(fèi)者進(jìn)行補(bǔ)貼，同時(shí)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(dòng)了我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)出如比亞迪、威能等一系列國產(chǎn)新能源汽車品牌。

2 動(dòng)力電池雙向充電器研究背景

大多數(shù)非商用輕型車輛，包括電動(dòng)車，只有大約5% 的時(shí)間用于主要的運(yùn)輸目的。這樣，汽車就可以在95%的時(shí)間內(nèi)提供第二功能。在全世界擁有超過200萬輛電動(dòng)汽車的情況下，整個(gè)電動(dòng)汽車隊(duì)擁有巨大的電力容量，但是利用率和每臺(tái)原動(dòng)機(jī)的投資成本都非常低。汽車到電網(wǎng)（V2G）的概念引入了第二種功率流模式，其中電力可以從電動(dòng)汽車電池流向電網(wǎng)。因此，最先進(jìn)的 V2G 技術(shù)不再把電動(dòng)汽車僅僅看作是電網(wǎng)上的負(fù)載，而是將電動(dòng)汽車的電池用作并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。這樣，一輛閑置或停用的電動(dòng)車就完成了一項(xiàng)額外的功能，即電池可以臨時(shí)充電以滿足電網(wǎng)的需要。這增加了總發(fā)電能力，同時(shí)提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性和效率。電動(dòng)汽車電池也可以用來儲(chǔ)存太陽能和風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)生的間歇性電力。電網(wǎng)接收來自可再生能源和不可再生能源的電力?？臻e或停放的電動(dòng)車被連接到電網(wǎng)，以下列模式之一運(yùn)作——G2V、V2G或待機(jī)。支持V2G功能的電動(dòng)汽車幫助公用事業(yè)運(yùn)營商解決與穩(wěn)壓、無功補(bǔ)償、有功功率調(diào)節(jié)、負(fù)載平衡、備用容量要求、調(diào)峰和電流諧波過濾有關(guān)的嚴(yán)重問題。

電動(dòng)汽車的蓄電池充電器分為車載和車外充電系統(tǒng)，可以提供單向和雙向電力流動(dòng)。具有單向潮流能力的充電系統(tǒng)具有硬件最少、簡化互聯(lián)復(fù)雜度、降低電池退化等優(yōu)點(diǎn)。另一種具有雙向功率流的充電系統(tǒng)具有功率穩(wěn)定、車間并網(wǎng)（V2G）技術(shù)以及充分、可控的功率轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)。重量、空間問題和成本限制是限制典型車載充電器動(dòng)力的主要原因。與電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成可以幫助避免這些重大問題。電感耦合或?qū)щ婑詈峡梢酝ㄟ^車載充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)車外收費(fèi)系統(tǒng)可以獲得更高的收費(fèi)率。

3 V2G系統(tǒng)的雙向轉(zhuǎn)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(shù)校正（PFC）以及促進(jìn)雙向交直流變流技術(shù)所必需的。第二級是雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器（BDC），它提供電動(dòng)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(cè) PWM 控制產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制，其相位和幅值可以控制。雖然由于沒有閉環(huán)電流控制環(huán)路，實(shí)現(xiàn)起來很簡單，但是由于交流側(cè)存在直流分量，暫態(tài)性能低下。直流電流控制方法由兩個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成，一個(gè)外部電壓回路用于穩(wěn)定直流電壓，一個(gè)內(nèi)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(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

BADC作為整流器在G2V模式下將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，在V2G模式下作為逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。作為一個(gè)要求，BADC還必須照顧功率因數(shù)校正（PFC）和諧波注入和充電網(wǎng)，在G2V模式下，BADC需要注意的一個(gè)重要方面是準(zhǔn)確地檢測公用電網(wǎng)的零電壓交叉點(diǎn)，如果零電壓交叉點(diǎn)失效，可能會(huì)通過電網(wǎng)變換器導(dǎo)致相對中性點(diǎn)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(guān)和二極管在過零點(diǎn)。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(wǎng)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(zhuǎn)換器（Bidirectional dc-dc converters，BDC）是一種電力電子轉(zhuǎn)換器，允許兩個(gè)電平之間的直流電壓進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，在接收到適當(dāng)?shù)目刂泼詈螅軌蚰孓D(zhuǎn)電流的方向[33]。兩個(gè)電壓等級中的一個(gè)比另一個(gè)有更高的值。在V2G互連系統(tǒng)中，BDC的兩個(gè)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(zhuǎn)換為電池的適當(dāng)充電電壓;（2）在V2G或放電模式下，將電動(dòng)汽車電池電壓轉(zhuǎn)換為直流母線電壓。人們總是建議并期望BDC在兩個(gè)充電階段之后對電動(dòng)汽車電池進(jìn)行充電——恒流階段接著恒壓階段。BDC總是在高開關(guān)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(guān)斷而產(chǎn)生的，它會(huì)在電網(wǎng)中引起電磁干擾，惡化其它并網(wǎng)設(shè)備的性能。因此，在設(shè)計(jì)BDC時(shí)必須考慮有效的電磁干擾抑制和控制技術(shù)。

3.1 雙向交直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于其電路布局和控制靈活性，全橋是最常用的BADC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除了G2V和V2G，該轉(zhuǎn)換器有別于第三種工作模式—— V2H，其中電動(dòng)汽車電池可作為一個(gè)受控電壓源，在停電時(shí)供應(yīng)家庭負(fù)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(gè)穩(wěn)定的電流源，以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)供電。采用αβ坐標(biāo)系下的鎖相環(huán)算法，使V2G供電電壓和相位與電網(wǎng)同步。比例積分（PI）控制器用于調(diào)節(jié)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(gè)相等的電容，以平滑LC 濾波器在截止頻率下的增益響應(yīng)。與C1串聯(lián)使用的RDUMP是一種阻尼電阻器。公共汽車作為一個(gè)瞬時(shí)的能量儲(chǔ)存元件，并確保一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓通過它。使用IGBT作為開關(guān)器件不允許零電壓關(guān)斷，由于尾電流導(dǎo)致反向恢復(fù)問題，因此使用反并聯(lián)二極管變得非常重要。由于沒有電隔離，萬一發(fā)生內(nèi)部故障，安全性仍然受到影響。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，全橋BADC由于其結(jié)構(gòu)簡單和控制靈活，是最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單位功率因數(shù)操作，易于實(shí)現(xiàn)。然而，電流波形的諧波失真可能是一個(gè)主要關(guān)注的問題，并且需要找到替代的控制方法來解決這個(gè)問題。此外，文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)全橋電容器都要求大型電解總線電容器作為中間儲(chǔ)能元件，這增加了系統(tǒng)的成本和占用空間，降低了系統(tǒng)的可靠性和功率密度能力。電動(dòng)汽車電池的正弦充電，如下文所述，可以有效地消除這個(gè)問題，但代價(jià)是電池老化。包括矩陣變換器在內(nèi)的單級變換拓?fù)淙∠穗娊庵绷髂妇€電容器作為中間儲(chǔ)能元件的要求，但需要額外的穩(wěn)定電路來保持單位功率因數(shù)的運(yùn)行，同時(shí)確保最小THD。雖然多級BADC拓?fù)涫强蓴U(kuò)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?fù)湎啾?，它需要更多的開關(guān)設(shè)備，因此必須只考慮非常大功率的充電器/放電器系統(tǒng)。文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的八開關(guān)拓?fù)涫谴蠊β食潆?放電系統(tǒng)的理想選擇，但需要的開關(guān)數(shù)量是全橋拓?fù)涞膬杀?，因此可靠性較低，成本較高。

3.2 雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

在V2G等寬電壓范圍應(yīng)用中，最流行的隔離型BDC拓?fù)涫请妷吼侂姷腄AB拓?fù)?。這種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)全橋，每個(gè)包含四個(gè)開關(guān)，這是由一個(gè)高頻變壓器隔離。潮流控制主要采用移相調(diào)制技術(shù)。DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)勢在于電隔離、控制靈活性、軟開關(guān)能力、低電壓應(yīng)力、高效率、高功率密度能力、模塊化、可擴(kuò)展和對稱結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越的雙向功率流能力。然而，作為一個(gè)電壓型變換器，它的電壓轉(zhuǎn)換范圍很窄，通過器件和磁件的環(huán)流很大，并且增加了系統(tǒng)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(shù)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(guān)斷損耗需要使用緩沖器或主動(dòng)夾具來吸收電壓尖峰，這增加了系統(tǒng)的成本。將緩沖電容放置在隔離相移BDCs的開關(guān)裝置上是非常常見的。它有助于解決限制開關(guān)瞬態(tài)，電流和電壓尖峰，EMI 和二極管反向恢復(fù)問題。然而，為了優(yōu)化這類變換器的循環(huán)能量，提高其軟開關(guān)范圍，需要對電感進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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