電動汽車充電站直流接入技術研究綜述*

俞哲人，聶 亮，呂浩華，張 弛，黃 帥，江道灼

（1.國網浙江省電力公司電動汽車服務分公司，浙江杭州310007；2.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）

0 引言

為了應對全球能源危機和氣候變化，近年來世界各國紛紛加速推進汽車產業(yè)的轉型升級，以電動汽車（包括燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車、純電動汽車）為代表的新能源汽車成為汽車產業(yè)發(fā)展的熱點。全球主要的汽車制造商均積極進行電動汽車的研發(fā)與生產，文獻［1］預測在2015年全球將有總數(shù)達到170 萬輛的插入式混合式電動汽車行駛于公路上。發(fā)展電動汽車，勢必涉及電動汽車接入電網并與的互動影響問題：一方面，規(guī)?；妱悠嚱尤腚娋W（充放電），將對電力系統(tǒng)的安全與經濟運行帶來重大挑戰(zhàn)；另一方面，基于前沿信息技術和電動汽車接入電網（vehicle to grid，V2G）技術，可以利用規(guī)模化電動汽車構成分布式儲能系統(tǒng)，以實現(xiàn)改善電網調頻調峰、負荷削峰填谷及間歇性新能源并網發(fā)電等運行性能，達到提高系統(tǒng)能源綜合利用效率的目的。上述電動汽車與電網互動技術問題，也是目前我國正在開展的智能電網關鍵技術研發(fā)的重要組成內容之一。

結合目前直流配電技術的發(fā)展，本研究針對電動汽車充電站接入電網的直流微網技術進行一定程度的綜述分析，并在此基礎上提出結合直流配網的電動汽車充電站接入方式。之后對直流接入關鍵技術、雙向DC/DC 變換器結合國內外文獻進行綜述與比較分析，分別對雙向非隔離式DC/DC 變換器，雙向隔離式DC/DC變換器進行詳細的綜述與比較。

1 電動汽車充電站直流接入技術

現(xiàn)有的文獻針對直流微網已進行了一定的討論和研究，通過將大量電動汽車接入直流配電微網中，將電動汽車電池作為儲能原件以及分布式能源進行利用，與清潔可再生分布式能源配合，解決可再生能源的波動性與不確定性對電網的產生的影響，利于實現(xiàn)清潔能源的并網接入。以電動汽車作為儲能系統(tǒng)的構建單元不僅可以降低對可再生能源接入所需配備的儲能系統(tǒng)的構建成本，而且可為電動汽車所有者帶來收益。針對V2G 運營模式的電動汽車微網構建目前國內外已有一定研究。文獻［2］提出了一種電動汽車充電站內的直流微網結構，如圖1所示。該微網中的直流部分僅僅為充電站中采用的直流母線部分，利用直流母線可將多臺充電設備（采用雙向DC/DC變換器）連接為一個整體。而風機、光伏發(fā)電設備與燃料電池堆等仍然為接入交流母線之中。

圖1 電動汽車充電站直流微網部分

文獻［3］提出一種進一步考慮電動汽車直流接入的V2G形式直流微網。文獻指出，電動汽車充電站也可建立其配套的光伏發(fā)電系統(tǒng)，風機系統(tǒng)或燃料電池堆形成具體的直流微網系統(tǒng)，文獻［4］中給出了一個具體的兩級直流連接系統(tǒng)，考慮混合型燃料電動汽車與光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲建構與控制問題。結合直流配網的發(fā)展趨勢，一種可行的電動汽車充電站入網結構如圖2所示。文獻中提供的結構僅為一個電動汽車充電站的結構拓撲，考慮通過750 V 的直流母線將站內分布式能源發(fā)電設備如風機、光伏太陽能電池或是燃料電池堆以及電動汽車雙向DC/DC充電裝置、超級電容連為一體，并通過高功率雙向AC/DC變換器接入電網。

圖2 一種可行的電動汽車充電站直流微網的結構拓撲

在直流微網的基礎上結合直流配電網的發(fā)展，一種可以考慮將電動汽車充電站直接接入直流配網中，電動汽車充電站的發(fā)展趨勢將與未來直流配電網的發(fā)展相輔相成，以直流方式通過雙向DC/DC變換器直接將直流汽車充電站接入直流配電網中。直流配網可以非常容易地容納電動汽車充電站、光伏發(fā)電設備、風電、超級電容等。光伏發(fā)電設備發(fā)出的是一種隨機波動的直流電，需要DC/AC 變換器，并配置適當?shù)膬δ苎b置和復雜的控制系統(tǒng)等才能實現(xiàn)交流并網；風電等則是一種隨機波動的交流電，同樣需要AC/DC/AC 變換器，并配置適當?shù)膬δ苎b置和復雜的控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)交流并網，而在直流配電網情況下，實現(xiàn)分布式新能源并網發(fā)電及儲能等的接口設備與控制技術相對要簡單得多。電動汽車的充電設備本來就是在直流情況下工作的，考慮采用直流配網，則電動汽車充電站的配網接入將變得十分方便，采用雙向DC/DC 變換器即可接入電網。當電動汽車形成規(guī)模之后，利用電動汽車的電池作為能量儲存設備，在V2G運行模式下可以很好地解決各種分布式能源：風機、光伏發(fā)電設備的間歇性問題，同時可對電網削峰填谷起到很好的作用。以直流環(huán)狀拓撲結構的配網為例，電動汽車充電站接入的直流配網結構如圖3所示。

圖3 電動汽車充電站接入的直流配網結構

對于電動汽車接入出電站直流系統(tǒng)以及電動汽車充電站接入直流配網的接入而言，雙向DC/DC變換器最為其接口起了至關重要的作用，其能否高效、可靠運行對充電站而言至關重要。本研究將針對雙向DC/DC變換器進行綜述。

目前文獻中針對電動汽車接口的雙向DC/DC 變換器的研究主要可以分為兩大類，即為隔離式雙向DC/DC 變換器與非隔離式雙向DC/DC 變換器。下面筆者針對兩種類型的變換器進行各種拓撲結構的綜述與分析。

2 非隔離式雙向DC/DC 變換器

非隔離式雙向DC/DC 變換器結構簡單，成本低，且具有很高的可靠性與轉換效率。用于電動汽車接入的主要的幾種拓撲方式主要有：半橋非隔離變換器，CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器和雙向三電平變換器等，它們的部分拓撲結構如圖4所示。

由以上基礎拓撲結構衍生出的擴展結構有級聯(lián)式半橋變換器、交錯式半橋變換器等。其拓撲結構如圖5所示。

圖4 幾種非隔離式DC/DC基本變換器的拓撲結構圖

圖5 幾種擴展型非隔離式DC/DC基本變換器的拓撲結構圖

半橋式變換器的拓撲結構是非隔離式DC/DC 變換器中應用最為廣泛使用的一種結構，該結構可分別運行于Buck 及Boost 模式，實現(xiàn)能量的雙向交換。CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器則通過兩個動態(tài)開關的切換實現(xiàn)能量的雙向交換。由于拓展型非隔離式DC/DC 基本變換器的拓撲結構可以看做是半橋變換器的衍生，其分析也可基于基本半橋變換器。從拓撲結構而言，半橋變換器相比于CuK 變換器，SEPIC/Luo變換器少用一個電感L2以及一個電容Ct。針對3 個電路中的電感電流以及晶體管中電流的分析比較可知：在兩端電壓等級與傳輸能量相同時，3個變換中電感L1的電流強度相當，而CuK變換器，SEPIC/Luo變換器中電感L2將帶來的額外能量損失；且CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器中的晶體管中電流強度及二極管中的電流強度均比半橋變換器中的要大。因此，半橋變換器相比于CuK 變換器，SEPIC/Luo 變換器具有更高的轉換效率。

但當考慮到低壓一側的電壓變化時，半橋變換器的效率會發(fā)生改變。以實際電動汽車充電時為例，其電池一側的電壓變化范圍考慮為：180 V~360 V。當電池一側電壓較高時板橋變換器中的電容電流以及晶體管中電流均較低，但當電池一側電壓處于低壓水平時，如為180 V 時，此時變換器中電流將明顯增大，帶來轉換效率的顯著降低。針對此種情況，可采用變頻脈寬調制的控制策略代替原來的普通脈寬調制進行控制。在低電電池電壓水平下不論是Buck 還是Boost 模式采用變頻脈寬調制均將使效率提高1%~2.5%。在此種控制策略下晶體管開關頻率將隨著低壓一側的電壓大小而變化，將使得變換器在低壓側低電壓水平時轉換效率得以提高。不過，在變頻脈寬調制的控制下相比原脈寬調制電感中的電流波動水平會稍有增大，但考慮到電容C1的濾波作用，這一紋波電流不會對低壓一側產生明顯影響［4］。

三電平變換器可分為中性點鉗位（Neutral Point Clamped）型，二極管鉗位（Diode Clamped）型，靈敏電容（Flying Capacitor）型等。圖4 中的拓撲結構為中性點鉗位（Neutral Point Clamped）型的三電平變換器，相比于半橋變換器更具有明顯的優(yōu)勢。在同等電壓水平下，三電平變換器的管壓降僅為半橋變換器的管壓降的一半，因此可選擇輕型號的晶體管，而且三電平變換器使用的儲能元件數(shù)明顯減少，且所需電感規(guī)格大小僅為半橋中的三分之一。因此，三電平變換器相比半橋變換器具有更高的轉換效率且更低的成本。文獻［5-8］中提供的三電平變換器與半橋變換器的效率比較結果表明，三電平變換器相比變頻脈寬調制的半橋變換器效率提高2%~3%。因此，在非隔離的雙向DC/DC 變換器中，三電平變換器更適于電動汽車及其充電站的接口實際應用。

3 隔離式雙向DC/DC 變換器

雖然非隔離式雙向DC/DC 變換器成本較低且結構簡單，但出于安全性與可靠性的需要，在實際應用中，往往還需要考慮實現(xiàn)兩端直流隔離，因此需要采用具有變壓器隔離的雙向開關變換器。隔離式雙向DC/DC 變換器在V2G 模式中的應用將具有提高能量密度，減少交換功率，提高運行安全可靠性，限制故障電流的作用［9-10］。

隔離式雙向DC/DC 變換器的基本拓撲結構可歸納為由電壓型（voltage-fed）拓撲結構和電流型（cur?rent-fed）拓撲結構，兩種基本拓撲結構如圖6所示。

圖6 由電壓型及電流型組成輸入輸出端的隔離式雙向DC/DC變換器基本拓撲結構

其組成的基本拓撲結構的原件為高頻電感，高頻變壓器以及高頻的變換器子電路。而基本的高頻變換器子電路拓撲結構包括：全橋（full-bridge）變換器，半橋（half-bridge）變換器，推挽（push-pull）變換器，中心抽頭（center-taped）變換器，L 型半橋（L-type halfbridge）變換器和電流倍增（current-doubler）變換器。

文獻［11］對目前主要研究與運用與實際的幾種典型雙向隔離式DC/DC 變換器進行了綜述研究與比較分析。

一種被廣泛運用的拓撲結構為：一側為電壓源型，另一側為電壓源型的變換器及其衍生結構。其中比較分析后最具代表性的一個拓撲結構為電壓源-電流源有源鉗位（VCFFB）雙向隔離式DC/DC變換器，其結構如圖7所示。

圖7 電壓源-電流源有源鉗位（VCFFB）雙向隔離式DC/DC變換器結構拓撲

這一拓撲結構具有如下優(yōu)點：電流源一側所有開關管均能實現(xiàn)零電壓切換，而在電壓源一側則可實現(xiàn)零電壓或零電流切換；由于不存在線路中的環(huán)流電流，其相比于普通的相控全橋變換器效率大大提高。而其主要缺點為電流電流源一側開關管的沖擊電壓值將比該側的電壓源Vds電壓值高。因此，該拓撲結構適宜用于Vds為較低電壓的電壓源的情況下。這一拓撲結構也存在不少衍生結構，如將兩側全橋電路用半橋電路替代等。

另一種典型拓撲結構為雙重有源橋電路（DAFB—dual active full-bridge bridges），其組成為兩側均使用電壓源型的全橋電路，其拓撲結構如圖8所示，該變換器拓撲結構廣泛運用于能量儲存系統(tǒng)與發(fā)動機驅動系統(tǒng)中［12-14］。

圖8 兩側電壓源型的雙向DC/DC變換器

該變換器控制簡單，兩側開關均可實現(xiàn)零電壓切換，而且與VCFFB 結果相比使用的開關管數(shù)也要少，由于開關管的電壓沖擊值較小，該拓撲結構的效率較高。該拓撲結構主要缺點為在輕載時功率因數(shù)較小，變換器效率較低。另一個缺點為實現(xiàn)最優(yōu)運行時其電壓范圍較為狹窄。

其中，文獻［15］還提及一種重要的拓撲結構為帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器（The bi-direction?al series resonant DC-DC converter with clamped ca?pacitor voltage，簡稱為Resonant），結構如圖9所示。

圖9 帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器

相比DAFB 變換器實驗分析表明，帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器在輕載時沖擊電流大大減小，其輕載時的環(huán)流電流大小也比DAFB 變換器小，因此在輕載時其效率相對于DAFB變換器明顯提高。文獻［11］中提供了DAFB變換器與帶有鉗位電容的雙向串聯(lián)諧振變換器（Resonant）在35 kW滿載時的雙向實驗效率比較結果，實驗表明Resonant 變換器相比DAFB變換器在輸出電壓較高時效率提高2%左右，而在輸出電壓較低時DAFB變換器較Resonant變換器效率高出約1%左右。

綜合比較3個電路拓撲結構如表1所示。本研究從原件個數(shù)、沖擊電壓與沖擊電流大小、輕載環(huán)流情況、軟開關切換范圍、輸出錯誤容許度、控制復雜性等各方面進行了優(yōu)、劣勢比較。

表1 3個DC/DC變換器的綜合比較

4 結束語

本研究針對電動汽車及電動汽車充電站以直流方式接入電網的技術進行了綜述。首先，結合現(xiàn)有文獻與研究中對電動汽車充電站直流微網的有關研究進行了綜述與比較，在此基礎上結合直流配電網技術的發(fā)展提出了基于直流配電網技術的電動汽車充電站接入方式。其次，針對電動汽車及電動汽車充電站直流接入的主要技術：雙向DC/DC變換器進行了綜述分析。分別針對雙向隔離式DC/DC 變換器與雙向非隔離式DC/DC變換器的各種拓撲結構進行了綜述，結合相關文獻以及相關研究結果對各種拓撲結構進行了比較分析。在雙向非隔離式DC/DC 變換器的綜述中，最后得出結論：雙向三電平變換器以其高效，拓撲結構接單可靠等諸多優(yōu)點最適于應用與接口技術中。而針對雙向隔離式DC/DC變換器的綜述，分別對各有利弊的3 種主要拓撲方式：VCFFB 變換器，DAFB變換器，Resonant變換器進行了拓撲比較與效率分析。

目前，關于電動汽車的各種技術研究仍處于不是十分完善的階段，大量有關電動汽車充電站的直流接口技術的研究與工作仍待進一步開展。

（References）：

［1］.The Global Outlook for PHEVs：Business Issues，Technolo?gy Issues，Key Players，Market Forecasts［R］，Pike research，2009.

［2］CUI Shu-mei，LIU Xiao-fei，TIAN De-wen，et al.The Con?struction and Simulation of V2G System in Micro-grid［C］.IEEL 2011 Electrical Machines and Systems（ICEMS），In?ternational Conference，2011:1-4.

［3］GURKAYNAK Y，KHALIGH A.Control and Power Man?agement of a Grid Connected Residential Photovoltaic Sys?tem with Plug-in Electric Vehicle（PHEV）Load［C］.IEEE 2009 Applied Power Electronics Conference，2009:2086-2091.

［4］DU Yu，ZHOU Xiao-hu，BAI San-zhong，et al.Review of Non-isolated Bi-directional DC-DC Converters for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Charge Station Application at Mu?nicipal Parking Decks［C］.IEEL 2010 Applied Power Elec?tronics Conference and Exposition（APEC），2010：1145-1151.

［5］RUAN X，LI B，CHEN Q，et al.Fundamental consider?ations of three-level DC–DC converters：topologies，analy?ses，and control［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems，2008，55（11）：3733-3743.

［6］CUZNER R M，BENDRE A R，F(xiàn)AILL P J，et al.Imple?mentation of a Non-Isolated Three Level DC/DC Converter Suitable for High Power Systems［C］.IEEE 2007 Industry Applications Conference，2007：2001-2008.

［7］SHI Y，JIN Z，CAI X.Three-Level DC-DC Converter：Four Switches Vsmax=Vin/2，TL Voltage Waveform before LC Filter［C］.IEEE 2006 Power Electronics Specialists Confer?ence，2006.

［8］YOUSEFZADEH V，ALARCON E，MAKSIMOVIC D.Three-level buck converter for envelope tracking in rf pow?er amplifiers［J］.IEEE Transactions on Power Electron?ics，2006，21（2）：549-552.

［9］AGGELER D，CANALES F，ZELAYA-DE LA PARRA H，et al.Ultra-fast DC-charge infrastructures for EV-mobility and future smart grids［C］.IEEE 2010 PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe，2010：1-8.

［10］KUTKUT N H，DIVAN D M，NOVOTNY D W，et al.De?sign considerations and topology selection for a 120 kW IG?BT converter for EV fast charging［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13（1）：169-178.

［11］YU D，LUKIC S，JACOBSON B，et al.Review of High Pow?er Isolated Bi-directional DC-DC Converters for PHEV/EV DC Charging Infrastructure［C］.IEEL 2011 Energy Conver?sion Congress and Exposition.2011：553-560.

［12］DYLAN C E，OMER C O，KHALIGH A.Bi-Directional Charging Topologies for Plug-in Hybrid Electric Vehicles［C］.IEEL Applied Power Electronics Conference and Ex?position（APEC），2010 Twenty-Fifth Annual IEEE.2010：2066-2072.

［13］INOUE S，AKAGI H.A Bi-Directional DC/DC Converter for an Energy Storage System.In 2007 Applied Power Elec?tronics Conference［C］.APEC 2007-Twenty Second Annu?al IEEE.2007：761-767.

［14］曾耀國.電動汽車用高性能雙向OC/OC 變換器的研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學信息工程學院，2011.

［15］YU Du，XIAO Bian，LUKIC S，et al.A Novel Wide Voltage Range Bi- directional Series Resonant Converter with Clamped Capacitor Voltage［C］.IEEL 2009 Industrial Elec?tronics，2009.IECON '09.35thAnnual Conference of IEEE.2009：82-87.