基于V2G電動(dòng)汽車無線電能雙向傳輸系統(tǒng)優(yōu)化的研究

張振麗

（蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院，甘肅蘭州，730101）

0 引言

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)是將發(fā)射線圈埋入地下，不占據(jù)地上空間并且無外漏接口，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間非電氣接觸的方式進(jìn)行充電，具有便捷靈活、運(yùn)行安全、維護(hù)成本低、用戶體驗(yàn)好等優(yōu)點(diǎn)，所以近年來引起了大家的廣泛關(guān)注與研究。目前針對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的研究大多數(shù)集中在單向傳輸系統(tǒng)，即只能實(shí)現(xiàn)電能從電網(wǎng)單向流入電動(dòng)汽車。隨著近年來能源互聯(lián)網(wǎng)及智能配電網(wǎng)概念的提出，具有雙向無線充電功能的電動(dòng)汽車充電裝置更能順應(yīng)這一發(fā)展[1]。

1 V2G技術(shù)

V2G是Vehicle-togrid的簡稱，就是將電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，作為電網(wǎng)中的分布式電源，在用電高峰時(shí)通過逆變技術(shù)向電網(wǎng)回饋能量，而在用電低谷時(shí)電網(wǎng)通過整流，對(duì)電動(dòng)汽車充電，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和電動(dòng)汽車的能量互動(dòng)。電網(wǎng)與電動(dòng)汽車的關(guān)系如圖1所示，V2G系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖1 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的關(guān)系

圖2 V2G系統(tǒng)構(gòu)成圖

V2G的研究主要包括以下幾部分：（1）充電負(fù)荷計(jì)算；（2）電動(dòng)汽車大規(guī)模接入配電網(wǎng)；（3）電動(dòng)汽車有序充電控制。

1.1 V2G充電負(fù)荷計(jì)算

1.1.1 充電負(fù)荷的關(guān)鍵因素

（1）電池容量；（2）充/放電功率；（3）起始充/放電時(shí)刻；（4）初始 SOC（State of charge 荷電狀態(tài)）；（5）接入電網(wǎng)的車輛規(guī)模[2]。

1.1.2 充電負(fù)荷計(jì)算

設(shè)置時(shí)間間隔為1分鐘，考察一天的負(fù)荷曲線，第i分鐘的充電總功率為：

式中：Pn為在i分鐘所有的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，i=1，2，3，4，……1440；N為電動(dòng)汽車總數(shù)；Pn，i為第n輛車在i分鐘的充電負(fù)荷[2]。

1.2 V2G技術(shù)特點(diǎn)

V2G技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)省費(fèi)用：單位電能比單位汽油便宜，行駛相同距離，電動(dòng)汽車花費(fèi)少；（2）獲得收益：給電網(wǎng)供電時(shí)，可獲得電價(jià)補(bǔ)償；（3）移峰填谷：峰荷放電，谷荷充電；（4）旋轉(zhuǎn)備用：作為分布式儲(chǔ)能單元（風(fēng)電、太陽能發(fā)電等）；（5）電壓支持：高負(fù)荷時(shí)放電抑制電壓的下降。

V2G技術(shù)的新問題：（1）電網(wǎng)負(fù)荷：電動(dòng)汽車充電時(shí)間隨機(jī)多樣，使電網(wǎng)負(fù)荷存在不確定性；（2）充放電控制：用戶收益最大化；（3）充電方式：車載蓄電池種類較多，恒流、恒壓、脈沖充電的選擇。

2 磁耦合諧振式能量傳輸

2.1 互感耦合模型分析

磁耦合諧振模型由兩個(gè)或兩個(gè)以上的諧振線圈組成，互感耦合模型等效電路如圖3所示：

圖3 互感耦合模型等效電路

圖中，U1為加在原邊的高頻交流電，Lp和Ls為原邊和副邊的等效電感，M為兩線圈之間的互感，兩線圈間的耦合系數(shù)為k，則有

根據(jù)分析，得到方程：

則一、二次側(cè)阻抗為：

根據(jù)分析可得：等效電路的阻抗分為純電阻和電抗，電抗為感性，因?yàn)殡娍沟拇嬖?，在?shí)際中需要補(bǔ)償電容來限制電抗，來提高功率因數(shù)。當(dāng)電容值和電感值相互匹配使電路達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，為諧振補(bǔ)償[1]。

2.2 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

根據(jù)電容在一次側(cè)、二次側(cè)的接法不同，可用串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。將補(bǔ)償結(jié)構(gòu)分為四種，初級(jí)串聯(lián)-次級(jí)串聯(lián)（SS）、初級(jí)串聯(lián) -次級(jí)并聯(lián)（SP）、初級(jí)并聯(lián) -次級(jí)串聯(lián)（PS）、初級(jí)并聯(lián)-次級(jí)并聯(lián)（PP）[3]。如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

3 電動(dòng)汽車雙向無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)和智能互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的場合要求能量實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)[4]。目前對(duì)電動(dòng)汽車無線充電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究大多集中在單向上，如圖5所示。

圖5 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)電路圖

為實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)能量的雙向流動(dòng)，要在電路中加入雙向DC-DC變換器。全橋型電路參數(shù)設(shè)計(jì)方便，能實(shí)現(xiàn)大功率的輸出，控制理論相對(duì)成熟，所以選擇全橋變換器[5]。如圖6所示為雙向無線充電系統(tǒng)簡化圖，為保證能量可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，并且雙向可控，系統(tǒng)兩側(cè)結(jié)構(gòu)均選擇對(duì)稱全橋式，采用相同形狀和尺寸的諧振線圈。U1為電網(wǎng)電壓，經(jīng)過全控H橋高頻逆變送到諧振網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過發(fā)射端線圈將電能傳給接收端，經(jīng)過二次側(cè)整流輸出電壓U0，濾波后與電池相連，為電池充電。全控H橋電路通過調(diào)節(jié)原邊不同橋臂之間的相位差來控制其輸出電壓幅值，調(diào)節(jié)原副邊全控H橋之間的相位差來改變能量的流動(dòng)方向[1]。

圖6 雙向無線充電系統(tǒng)簡化圖

3.2 雙向諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2.1 雙向全橋串聯(lián)諧振DC-DC拓?fù)浠竟ぷ髟矸治?/p>

如圖7所示為雙向全橋諧振DC-DC電路的拓?fù)鋱D，此電路原副邊結(jié)構(gòu)完全一致，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。雙向全橋諧振DC-DC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，故采用正弦電壓激勵(lì)，系統(tǒng)工作在準(zhǔn)正弦型電流波形下。且系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下，諧振電感能有效阻止負(fù)載發(fā)生短路時(shí)電感增大，提供給保護(hù)電路足夠的反應(yīng)時(shí)間[6]。同時(shí)負(fù)載電流減小時(shí)，諧振電路中的諧振電流也減小，所以該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能在電路輕載時(shí)仍然維持高的傳輸效率。負(fù)載側(cè)并聯(lián)電容，既能輸出電壓也能對(duì)負(fù)載供電。通過不同的控制方式可以控制電路的輸出電壓和功率流動(dòng)方向[7]。

圖7 雙向全橋串聯(lián)諧振DC-DC拓?fù)?/p>

LCL型諧振拓?fù)涫窃赟S型的基礎(chǔ)上增加了電感LP1和LS1，結(jié)構(gòu)如圖8所示。LP1及諧振電容CP構(gòu)成了LCL諧振網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)能量正向傳輸時(shí)，P端作為供電端，P端全控H橋工作在逆變狀態(tài)，S端全控H橋工作在整流狀態(tài)[8]，當(dāng)能量反向傳輸時(shí)反之。

圖8 LCL諧振機(jī)構(gòu)拓?fù)潆娐?/p>

根據(jù)分析得出，SS型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)副邊電壓相角超前于原邊電壓時(shí)，能量正向傳輸，當(dāng)副邊電壓相角滯后于原邊電壓時(shí)，能量反向傳輸；LCL型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)剛好相反，即當(dāng)副邊電壓相角滯后于原邊電壓時(shí)，能量正向傳輸，當(dāng)副邊電壓相角超前于原邊電壓時(shí)，能量反向傳輸。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，對(duì)可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的諧振機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)電路進(jìn)行了理論分析。根據(jù)分析可知，當(dāng)副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)，原邊補(bǔ)償電容不僅與原邊電感和諧振頻率有關(guān)，還受副邊電感和互感的影響。SS型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適用于電動(dòng)汽車無線充電要求。電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)目前還不太成熟，仍有許多問題需要進(jìn)一步研究，但相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車雙向無線充電技術(shù)將會(huì)獲得更大的應(yīng)用。