V2G電動汽車無線電能雙向傳輸系統研究

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摘要：目前電動汽車無線充電技術的研究大多數集中在單向傳輸系統，只能從電網單向流入電動汽車。v2g可以實現電網和電動汽車能量的雙向流動，本文從V2G技術、磁耦合諧振式能量傳輸機理、四種電容補償方式、電動汽車雙向無線充電系統電路等方面進行分析研究。

關鍵詞：V2G；雙向傳輸；磁耦合諧振；電容補償

0引言

電動汽車無線充電技術是將發射線圈埋入地下，不占據地上空間并且無外漏接口，可以實現電動汽車與電網之間非電氣接觸的方式進行充電，具有便捷靈活、運行安全、維護成本低、用戶體驗好等優點，所以近年來引起了大家的廣泛關注與研究。目前針對電動汽車無線充電技術的研究大多數集中在單向傳輸系統，即只能實現電能從電網單向流入電動汽車。隨著近年來能源互聯網及智能配電網概念的提出，具有雙向無線充電功能的電動汽車充電裝置更能順應這一發展[1]。

1V2G技術

V2G是Vehicle-to-grid的簡稱，就是將電動汽車的動力電池，作為電網中的分布式電源，在用電高峰時通過逆變技術向電網回饋能量，而在用電低谷時電網通過整流，對電動汽車充電，從而實現電網和電動汽車的能量互動。電網與電動汽車的關系如圖1所示，V2G系統構成如圖2所示。V2G的研究主要包括以下幾部分：（1）充電負荷計算；（2）電動汽車大規模接入配電網；（3）電動汽車有序充電控制。

1.1V2G充電負荷計算

1.1.1充電負荷的關鍵因素。（1）電池容量；（2）充/放電功率；（3）起始充/放電時刻；（4）初始SOC（Stateofcharge荷電狀態）；（5）接入電網的車輛規模[2]。1.1.2充電負荷計算。設置時間間隔為1分鐘，考察一天的負荷曲線，第i分鐘的充電總功率為：nnin=1=NP∑P，式中：Pn為在i分鐘所有的電動汽車充電負荷，i=1，2，3，4，……1440；N為電動汽車總數；Pn，i為第n輛車在i分鐘的充電負荷[2]。

1.2V2G技術特點

V2G技術的優點：（1）節省費用：單位電能比單位汽油便宜，行駛相同距離，電動汽車花費少；（2）獲得收益：給電網供電時，可獲得電價補償；（3）移峰填谷：峰荷放電，谷荷充電；（4）旋轉備用：作為分布式儲能單元（風電、太陽能發電等）；（5）電壓支持：高負荷時放電抑制電壓的下降。V2G技術的新問題：（1）電網負荷：電動汽車充電時間隨機多樣，使電網負荷存在不確定性；（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或兩個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為k，則有：psMkLL=。根據分析，得到方程：根據分析可得：等效電路的阻抗分為純電阻和電抗，電抗為感性，因為電抗的存在，在實際中需要補償電容來限制電抗，來提高功率因數。當電容值和電感值相互匹配使電路達到諧振狀態時，為諧振補償[1]。2.2補償結構根據電容在一次側、二次側的接法不同，可用串聯諧振或并聯諧振。將補償結構分為四種，初級串聯-次級串聯（SS）、初級串聯-次級并聯（SP）、初級并聯-次級串聯（PS）、初級并聯-次級并聯（PP）[3]。如圖4所示。

3電動汽車雙向無線充電系統電路設計

3.1總體電路結構設計

隨著電力電子技術和智能互聯網的發展，越來越多的場合要求能量實現雙向流動[4]。目前對電動汽車無線充電電路拓撲結構的研究大多集中在單向上，如圖5所示。為實現充電系統能量的雙向流動，要在電路中加入雙向DC-DC變換器。全橋型電路參數設計方便，能實現大功率的輸出，控制理論相對成熟，所以選擇全橋變換器[5]。如圖6所示為雙向無線充電系統簡化圖，為保證能量可實現雙向流動，并且雙向可控，系統兩側結構均選擇對稱全橋式，采用相同形狀和尺寸的諧振線圈。U1為電網電壓，經過全控H橋高頻逆變送到諧振網絡，再經過發射端線圈將電能傳給接收端，經過二次側整流輸出電壓U0，濾波后與電池相連，為電池充電。全控H橋電路通過調節原邊不同橋臂之間的相位差來控制其輸出電壓幅值，調節原副邊全控H橋之間的相位差來改變能量的流動方向[1]。

3.2雙向諧振電路拓撲結構

3.2.1雙向全橋串聯諧振DC-DC拓撲基本工作原理分析。如圖7所示為雙向全橋諧振DC-DC電路的拓撲圖，此電路原副邊結構完全一致，可以實現能量的雙向流動。雙向全橋諧振DC-DC電路的拓撲結構簡單，故采用正弦電壓激勵，系統工作在準正弦型電流波形下。且系統在諧振狀態下，諧振電感能有效阻止負載發生短路時電感增大，提供給保護電路足夠的反應時間[6]。同時負載電流減小時，諧振電路中的諧振電流也減小，所以該拓撲結構能在電路輕載時仍然維持高的傳輸效率。負載側并聯電容，既能輸出電壓也能對負載供電。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方向[7]。LCL型諧振拓撲是在SS型的基礎上增加了電感LP1和LS1，結構如圖8所示。LP1及諧振電容CP構成了LCL諧振網絡。當能量正向傳輸時，P端作為供電端，P端全控H橋工作在逆變狀態，S端全控H橋工作在整流狀態[8]，當能量反向傳輸時反之。根據分析得出，SS型拓撲結構當副邊電壓相角超前于原邊電壓時，能量正向傳輸，當副邊電壓相角滯后于原邊電壓時，能量反向傳輸；LCL型拓撲結構剛好相反，即當副邊電壓相角滯后于原邊電壓時，能量正向傳輸，當副邊電壓相角超前于原邊電壓時，能量反向傳輸。

4結論

本文應用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，對可以實現能量雙向流動的電動汽車無線充電系統的諧振機構和系統電路進行了理論分析。根據分析可知，當副邊采用并聯補償結構時，原邊補償電容不僅與原邊電感和諧振頻率有關，還受副邊電感和互感的影響。SS型拓撲結構更適用于電動汽車無線充電要求。電動汽車無線充電技術目前還不太成熟，仍有許多問題需要進一步研究，但相信隨著相關技術的不斷進步，電動汽車雙向無線充電技術將會獲得更大的應用。

作者:張振麗 單位:蘭州交通大學博文學院