V2G电动汽车无线电能双向传输系统研究

摘要：目前电动汽车无线充电技术的研究大多数集中在单向传输系统，只能从电网单向流入电动汽车。V2G可以实现电网和电动汽车能量的双向流动，本文从V2G技术、磁耦合谐振式能量传输机理、四种电容补偿方式、电动汽车双向无线充电系统电路等方面进行分析研究。

关键词：V2G；双向传输；磁耦合谐振；电容补偿

0引言

电动汽车无线充电技术是将发射线圈埋入地下，不占据地上空间并且无外漏接口，可以实现电动汽车与电网之间非电气接触的方式进行充电，具有便捷灵活、运行安全、维护成本低、用户体验好等优点，所以近年来引起了大家的广泛关注与研究。目前针对电动汽车无线充电技术的研究大多数集中在单向传输系统，即只能实现电能从电网单向流入电动汽车。随着近年来能源互联网及智能配电网概念的提出，具有双向无线充电功能的电动汽车充电装置更能顺应这一发展[1]。

1V2G技术

V2G是Vehicle-to-grid的简称，就是将电动汽车的动力电池，作为电网中的分布式电源，在用电高峰时通过逆变技术向电网回馈能量，而在用电低谷时电网通过整流，对电动汽车充电，从而实现电网和电动汽车的能量互动。电网与电动汽车的关系如图1所示，V2G系统构成如图2所示。V2G的研究主要包括以下几部分：（1）充电负荷计算；（2）电动汽车大规模接入配电网；（3）电动汽车有序充电控制。

1.1V2G充电负荷计算

1.1.1充电负荷的关键因素。（1）电池容量；（2）充/放电功率；（3）起始充/放电时刻；（4）初始SOC（Stateofcharge荷电状态）；（5）接入电网的车辆规模[2]。1.1.2充电负荷计算。设置时间间隔为1分钟，考察一天的负荷曲线，第i分钟的充电总功率为：nnin=1=NP∑P，式中：Pn为在i分钟所有的电动汽车充电负荷，i=1，2，3，4，……1440；N为电动汽车总数；Pn，i为第n辆车在i分钟的充电负荷[2]。

1.2V2G技术特点

V2G技术的优点：（1）节省费用：单位电能比单位汽油便宜，行驶相同距离，电动汽车花费少；（2）获得收益：给电网供电时，可获得电价补偿；（3）移峰填谷：峰荷放电，谷荷充电；（4）旋转备用：作为分布式储能单元（风电、太阳能发电等）；（5）电压支持：高负荷时放电抑制电压的下降。V2G技术的新问题：（1）电网负荷：电动汽车充电时间随机多样，使电网负荷存在不确定性；（2）充放电控制：用户收益最大化；（3）充电方式：车载蓄电池种类较多，恒流、恒压、脉冲充电的选择。

2磁耦合谐振式能量传输

2.1互感耦合模型分析

磁耦合谐振模型由两个或两个以上的谐振线圈组成，互感耦合模型等效电路如图3所示：图中，U1为加在原边的高频交流电，Lp和Ls为原边和副边的等效电感，M为两线圈之间的互感，两线圈间的耦合系数为k，则有：psMkLL=。根据分析，得到方程：根据分析可得：等效电路的阻抗分为纯电阻和电抗，电抗为感性，因为电抗的存在，在实际中需要补偿电容来限制电抗，来提高功率因数。当电容值和电感值相互匹配使电路达到谐振状态时，为谐振补偿[1]。2.2补偿结构根据电容在一次侧、二次侧的接法不同，可用串联谐振或并联谐振。将补偿结构分为四种，初级串联-次级串联（SS）、初级串联-次级并联（SP）、初级并联-次级串联（PS）、初级并联-次级并联（PP）[3]。如图4所示。

3电动汽车双向无线充电系统电路设计

3.1总体电路结构设计

随着电力电子技术和智能互联网的发展，越来越多的场合要求能量实现双向流动[4]。目前对电动汽车无线充电电路拓扑结构的研究大多集中在单向上，如图5所示。为实现充电系统能量的双向流动，要在电路中加入双向DC-DC变换器。全桥型电路参数设计方便，能实现大功率的输出，控制理论相对成熟，所以选择全桥变换器[5]。如图6所示为双向无线充电系统简化图，为保证能量可实现双向流动，并且双向可控，系统两侧结构均选择对称全桥式，采用相同形状和尺寸的谐振线圈。U1为电网电压，经过全控H桥高频逆变送到谐振网络，再经过发射端线圈将电能传给接收端，经过二次侧整流输出电压U0，滤波后与电池相连，为电池充电。全控H桥电路通过调节原边不同桥臂之间的相位差来控制其输出电压幅值，调节原副边全控H桥之间的相位差来改变能量的流动方向[1]。

3.2双向谐振电路拓扑结构

3.2.1双向全桥串联谐振DC-DC拓扑基本工作原理分析。如图7所示为双向全桥谐振DC-DC电路的拓扑图，此电路原副边结构完全一致，可以实现能量的双向流动。双向全桥谐振DC-DC电路的拓扑结构简单，故采用正弦电压激励，系统工作在准正弦型电流波形下。且系统在谐振状态下，谐振电感能有效阻止负载发生短路时电感增大，提供给保护电路足够的反应时间[6]。同时负载电流减小时，谐振电路中的谐振电流也减小，所以该拓扑结构能在电路轻载时仍然维持高的传输效率。负载侧并联电容，既能输出电压也能对负载供电。通过不同的控制方式可以控制电路的输出电压和功率流动方向[7]。LCL型谐振拓扑是在SS型的基础上增加了电感LP1和LS1，结构如图8所示。LP1及谐振电容CP构成了LCL谐振网络。当能量正向传输时，P端作为供电端，P端全控H桥工作在逆变状态，S端全控H桥工作在整流状态[8]，当能量反向传输时反之。根据分析得出，SS型拓扑结构当副边电压相角超前于原边电压时，能量正向传输，当副边电压相角滞后于原边电压时，能量反向传输；LCL型拓扑结构刚好相反，即当副边电压相角滞后于原边电压时，能量正向传输，当副边电压相角超前于原边电压时，能量反向传输。

4结论

本文应用磁耦合谐振式无线电能传输技术，对可以实现能量双向流动的电动汽车无线充电系统的谐振机构和系统电路进行了理论分析。根据分析可知，当副边采用并联补偿结构时，原边补偿电容不仅与原边电感和谐振频率有关，还受副边电感和互感的影响。SS型拓扑结构更适用于电动汽车无线充电要求。电动汽车无线充电技术目前还不太成熟，仍有许多问题需要进一步研究，但相信随着相关技术的不断进步，电动汽车双向无线充电技术将会获得更大的应用。

作者:张振丽 单位:兰州交通大学博文学院