新能源汽车动力电池双向充电器研究

邱志卓　杨阳　邓方　江传玉

摘 要：近年来，许多研究表明，由于绿色环保、节能、易于实施等特点，电动汽车技术比传统能源技术具有更多的优势。而本文对新能源汽车动力电池双向充电器进行了深入的分析和探究。

关键词：新能源汽车 动力电池 双向充电器

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 新能源汽车概述

近年来，交通、工业和电力部门燃烧矿物燃料资源造成的空气污染正在成为对全球环境的重大挑战。气候变化、能源增量成本和对化石燃料的依赖是当今世界的重大问题。所有这些具有挑战性的问题都与上述3个主要部门直接相关，这些部门大量使用矿物燃料。世界各地，不仅研究人员，而且各国政府都十分重视减少对化石燃料的依赖，并用清洁的解决方案取而代之。因此，就给予了新能源汽车极大的发展空间与发展前景，而目前生产销售比较普遍的是油电混合动力汽车和纯电动汽车，燃料电池与太阳能汽车由于相关技术难题还尚未攻克，因此还处于研发阶段。为了控制污染和减轻对石化资源的依赖，我国近年来出台了多项政策，对新能源的生产者与消费者进行补贴，同时在很多城市，挂绿色新能源汽车牌照的汽车不受限行约束，这极大的刺激与推动了我国新能源汽车产业的发展，涌现出如比亚迪、威能等一系列国产新能源汽车品牌。

2 动力电池双向充电器研究背景

大多数非商用轻型车辆，包括电动车，只有大约5% 的时间用于主要的运输目的。这样，汽车就可以在95%的时间内提供第二功能。在全世界拥有超过200万辆电动汽车的情况下，整个电动汽车队拥有巨大的电力容量，但是利用率和每台原动机的投资成本都非常低。汽车到电网（V2G）的概念引入了第二种功率流模式，其中电力可以从电动汽车电池流向电网。因此，最先进的 V2G 技术不再把电动汽车仅仅看作是电网上的负载，而是将电动汽车的电池用作并网储能系统。这样，一辆闲置或停用的电动车就完成了一项额外的功能，即电池可以临时充电以满足电网的需要。这增加了总发电能力，同时提高了电网的稳定性、可靠性和效率。电动汽车电池也可以用来储存太阳能和风能等可再生能源产生的间歇性电力。电网接收来自可再生能源和不可再生能源的电力。空闲或停放的电动车被连接到电网，以下列模式之一运作——G2V、V2G或待机。支持V2G功能的电动汽车帮助公用事业运营商解决与稳压、无功补偿、有功功率调节、负载平衡、备用容量要求、调峰和电流谐波过滤有关的严重问题。

电动汽车的蓄电池充电器分为车载和车外充电系统，可以提供单向和双向电力流动。具有单向潮流能力的充电系统具有硬件最少、简化互联复杂度、降低电池退化等优点。另一种具有双向功率流的充电系统具有功率稳定、车间并网（V2G）技术以及充分、可控的功率转换等特点。重量、空间问题和成本限制是限制典型车载充电器动力的主要原因。与电力驱动系统的集成可以帮助避免这些重大问题。电感耦合或导电耦合可以通过车载充电系统实现。设计车外收费系统可以获得更高的收费率。

3 V2G系统的双向转换器探究

双向变换器电路的第一级是双向交直流变换器（BADC），这是功率因数校正（PFC）以及促进双向交直流变流技术所必需的。第二级是双向直流-直流转换器（BDC），它提供电动汽车电池和直流母线之间的电压匹配。双向变换器通常采用两种电流控制方式。间接电流控制方法采用交流侧 PWM 控制产生正弦脉宽调制，其相位和幅值可以控制。虽然由于没有闭环电流控制环路，实现起来很简单，但是由于交流侧存在直流分量，暂态性能低下。直流电流控制方法由两个闭环控制系统组成，一个外部电压回路用于稳定直流电压，一个内部电流回路用于控制电感电流。直接电流控制方法也改善了系统的静态和动态性能。

BADC作为整流器在G2V模式下将交流电源转换为直流电源，在V2G模式下作为逆变器将直流电源转换为交流电源。作为一个要求，BADC還必须照顾功率因数校正（PFC）和谐波注入和充电网，在G2V模式下，BADC需要注意的一个重要方面是准确地检测公用电网的零电压交叉点，如果零电压交叉点失效，可能会通过电网变换器导致相对中性点短路，并使输入电压和电流波形失真。失真主要是由于正向电压降在开关和二极管在过零点。理想情况下，V2G模式下的供电电压必须在电压水平、相位和频率方面与电网电压同步。在V2G模式下，希望输出电流的总谐波失真小于5% 。

双向直流-直流转换器（Bidirectional dc-dc converters，BDC）是一种电力电子转换器，允许两个电平之间的直流电压进行双向转换，在接收到适当的控制命令后，能够逆转电流的方向[33]。两个电压等级中的一个比另一个有更高的值。在V2G互连系统中，BDC的两个重要功能可以精确地表述为：（1）在G2V或充电模式下，将直流母线电压转换为电池的适当充电电压;（2）在V2G或放电模式下，将电动汽车电池电压转换为直流母线电压。人们总是建议并期望BDC在两个充电阶段之后对电动汽车电池进行充电——恒流阶段接着恒压阶段。BDC总是在高开关频率工作，以提高其功率密度能力。因此，高频噪声是由于器件的快速开通和关断而产生的，它会在电网中引起电磁干扰，恶化其它并网设备的性能。因此，在设计BDC时必须考虑有效的电磁干扰抑制和控制技术。

3.1 双向交直流变换器拓扑结构

由于其电路布局和控制灵活性，全桥是最常用的BADC拓扑结构。除了G2V和V2G，该转换器有别于第三种工作模式—— V2H，其中电动汽车电池可作为一个受控电压源，在停电时供应家庭负荷。在G2V模式下，BADC作为有源整流器工作。在V2G模式下，BADC作为一个稳定的电流源，以单位功率因数向电网供电。采用αβ坐标系下的锁相环算法，使V2G供电电压和相位与电网同步。比例积分（PI）控制器用于調节直流母线电压。L1和C1共同作为输入端的低通LC滤波器，而L2和C2共同作为输出端的低通LC滤波器。C1被分成两个相等的电容，以平滑LC 滤波器在截止频率下的增益响应。与C1串联使用的RDUMP是一种阻尼电阻器。公共汽车作为一个瞬时的能量储存元件，并确保一个稳定的直流电压通过它。使用IGBT作为开关器件不允许零电压关断，由于尾电流导致反向恢复问题，因此使用反并联二极管变得非常重要。由于没有电隔离，万一发生内部故障，安全性仍然受到影响。在实际的应用过程中，全桥BADC由于其结构简单和控制灵活，是最常见的拓扑结构。单位功率因数操作，易于实现。然而，电流波形的谐波失真可能是一个主要关注的问题，并且需要找到替代的控制方法来解决这个问题。此外，文献中发现的大多数全桥电容器都要求大型电解总线电容器作为中间储能元件，这增加了系统的成本和占用空间，降低了系统的可靠性和功率密度能力。电动汽车电池的正弦充电，如下文所述，可以有效地消除这个问题，但代价是电池老化。包括矩阵变换器在内的单级变换拓扑取消了电解直流母线电容器作为中间储能元件的要求，但需要额外的稳定电路来保持单位功率因数的运行，同时确保最小THD。虽然多级BADC拓扑是可扩展的，并且在不使用滤波器的情况下提供较低的THD，但是与全桥拓扑相比，它需要更多的开关设备，因此必须只考虑非常大功率的充电器/放电器系统。文献中发现的八开关拓扑是大功率充电/放电系统的理想选择，但需要的开关数量是全桥拓扑的两倍，因此可靠性较低，成本较高。

3.2 双向直流-直流转换器拓扑结构选择

在V2G等宽电压范围应用中，最流行的隔离型BDC拓扑是电压馈电的DAB拓扑。这种传统的转换器包括两个全桥，每个包含四个开关，这是由一个高频变压器隔离。潮流控制主要采用移相调制技术。DAB拓扑结构的显著优势在于电隔离、控制灵活性、软开关能力、低电压应力、高效率、高功率密度能力、模块化、可扩展和对称结构以及优越的双向功率流能力。然而，作为一个电压型变换器，它的电压转换范围很窄，通过器件和磁件的环流很大，并且增加了系统的无功注入。另一种电流馈电模型：DAB BDC具有高电压增益、低输入电流、可忽略的二极管振铃、低变压器匝数比、无占空比损耗、宽输入电压范围和更容易的电流控制能力。然而，减少电流馈电变换器的关断损耗需要使用缓冲器或主动夹具来吸收电压尖峰，这增加了系统的成本。将缓冲电容放置在隔离相移BDCs的开关装置上是非常常见的。它有助于解决限制开关瞬态，电流和电压尖峰，EMI 和二极管反向恢复问题。然而，为了优化这类变换器的循环能量，提高其软开关范围，需要对电感进行适当的设计。

参考文献：

[1]张盈曦.一种隔离型三端口双向DC/DC变换器[D].浙江大学，2020.

[2]蔡蔚.新能源汽车动力电池双向充电器研究[J].科学技术创新，2019，（36）：39-40.