电动车充放储一体化电站双向交直流变换电路设计

席 攀， 郑德化， 孙雁卿， 王致杰， 刘娇娇， 魏 丹

(1. 上海电机学院 电气学院， 上海 200240；2. 加拿大萨斯卡川省理工学院 电力工程系， 加拿大 萨斯克通市 S4V2T6；3. 山西合创电力科技有限公司， 太原 030032)

电动车充放储一体化电站双向交直流变换电路设计

席 攀1， 郑德化2， 孙雁卿3， 王致杰1， 刘娇娇1， 魏 丹1

(1. 上海电机学院 电气学院， 上海 200240；2. 加拿大萨斯卡川省理工学院 电力工程系， 加拿大 萨斯克通市 S4V2T6；3. 山西合创电力科技有限公司， 太原 030032)

相对于传统的充电设施和储能设施，电动车充放储一体化电站具有很大的优势，是未来电动车配套设施建设的良好发展模式。为了满足其运营要求，设计了一种多功能交、直流变换电路。其可实现双向DC/DC、单相DC/AC和三相DC/AC等多种功能。该电路灵活性强，使用的元器件较少，提高了电站建设的经济性。

一体化电站； 储能装置； 交-直流变换； 电路设计

目前，全球能源紧缺和环境问题日益突出，传统的燃油汽车消耗大量能源，并造成严重的环境污染。汽车燃油消耗已经成为石油消耗的主体，汽车在消耗大量石油资源的同时，还排放大量尾气，造成环境污染[1]。因此，电动汽车以其污染小、噪声低、能源效率高和能源来源多元化等优点备受青睐，作为正在培育和发展的战略性新兴产业之一，是未来汽车工业发展的方向。目前，世界各国对电动汽车的发展都给予重大支持，并已制定了相关发展计划[3]。同时，各国电力公司也积极参与到与电动汽车相关的基础设施的研究和建设中，进一步推动电动汽车行业的发展。

随着相关技术的发展和对用电需求的日益增大，智能电网与电动汽车的双向互动势在必行[4]；而相关配套设施的建设就显得尤为重要。由于建设单一的充放电站、换电站要受到土地资源稀缺、电池成本高、基础设施建设重复、电网运行要求高等因素的制约，故单一的电动汽车能源供给和单一的储能站的应用推广面临较多困难。而将电动汽车充放电、更换站与储能电站的功能融合，进行设计和研究，建设“智能充放储一体化”电站可以缓解上述问题。目前，国内外正开展充放储一体化电站的研究和建设，拟实现电动汽车充放电站与储能电站功能的有效融合[5-6]。如2011年7月11日山东青岛薛家岛智能充换储放一体化示范电站已投入运行，运营情况良好。

充放储一体化电站中的储能装置主要由储能电池组成。储能电池一般采用铅酸电池、钠硫电池和液体电池等[7]。其中，钠硫电池储能系统被认为是一种很有市场推广前景的电池储能系统，其主要有3个用途： ① 可以为电动汽车提供续航电能，目前，电动车一般采用容量为300A·h的磷酸铁锂电池；② 为电站内部用电设施提供不间断电力供应；③ 参与电网调度，削峰填谷。

交直流变换装置作为充放储一体化电站的重要组成部分，是连接电网和一体化电站的能量通道，它的设计直接决定了一体化站的性能[9-10]。针对目前交、直流变换器只能实现单一的DC/DC或DC/AC变换[11-13]，本文设计了一种新型多功能交直流变换电路，可以实现双向DC/DC、单相DC/AC双向变换、三相DC/AC双向变换等多种变换，同时，使用的元器件也大大减少。

1 较为典型的交直流变换电路结构

1.1双向DC/DC变换工作原理

双向DC/DC变换电路如图1所示。其中，开关管S1、S2采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。此电路可以实现储能装置的充放电功能[14]。图中，E0为电动汽车储能装置两端的电压，EH为直流电源，开关管S1、S2交替开通，当S1工作时，S2截止；S2工作时，S1截止。通过控制S1和S2的开通时间，EL两端的电压值也随之发生变换。

图1 双向DC/DC变换电路Fig.1 Bidirectional DC/DC converter

对开关管S1、S2通断的控制采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)方式，即保持开关周期Ts不变，调节开关导通时间ton，使输出量达到要求。ton与Ts的比值即为开关管的占空比D。开关管S1、S2的控制图如图2所示，图中，ur为锯齿波信号，us为调制信号。

图2 开关管脉宽调制图Fig.2 Pulse width modulation of switch tube

当E0EH时，电路工作于Boost模式，电流IL由5流向4，储能装置则向电路放电。

分析电路可得： 由于EL=DEH，故EL两端的电压始终为正，电流IL则可正、可负，电路工作于两象限模式，且只能实现DC/DC变换。

采用双向DC/DC变换器可实现蓄电池充放电功能。两象限DC/DC变换器具有Buck和Boost两种工作模式： ① 将电压较低的直流电源通过Boost变换成电压较高的直流电源；② 将较高电源端的电压通过Buck变换降至电压较低的直流电源。

1.2三相DC/AC变换工作原理

如图3所示，蓄电池组(储能装置)通过PWM变换器与LC滤波器、变压器相连，接入交流电网，6个开关管Q1～Q6均采用IGBT，PWM变换器分别在储能和放电过程中工作在整流器和逆变器的状态。

图3 电池组通过DC/AC接入电网Fig.3 Battery pack connected to the grid throughDC/AC converter

在蓄电池组充电阶段，电网为蓄电池组和负荷提供电力。开始充电的时间通常选择在用电负荷的低谷，PWM变换器工作在整流状态，蓄电池组相当于一个大功率充电器；在电池放电阶段，蓄电池组通过放电向负荷提供电力、向系统回馈电能，使储能系统实现调峰功能，PWM变换器工作在逆变状态，可实现三相交流功率的稳定输出。此电路只能实现三相DC/AC变换。

以上两种电路均只能实现一种变换。

2 多功能交直流变换电路

2.1工作原理

本文设计的多功能交直流变换电流如图4所示。6个开关管Q1～Q6均采用IGBT。当电路需要进行双向DC/DC或单相DC/AC变换时，开关管按一定的导通序列工作，如第1个20s内，Q1、Q2、Q3、Q4交替导通，Q5、Q6截止；第2个20s内，Q3、Q4、Q5、Q6交替导通，Q1、Q2截止；第3个20s内，Q5、Q6、Q1、Q2交替导通，Q3、Q4截止。当D在一个周期的某段时间内保持不变时，则电路可实现双向DC/DC变换；当D为随时间变换的函数，即D每个时刻都在发生变换时，则电路可以实现单相DC/AC双向变换。通过在电路中装设简单的开关，完成切换动作。当电路需要进行三相DC/AC双向变换时，则在一个周期内6个开关管交替导通，工作原理与双向DC/AC变换相同，本文不再赘述。

图4 多功能交直流变换电路Fig.4 Multifunctional AC/DC conversion circuit

常规的交直流变换电路只能实现单一的DC/DC或DC/AC变换，本文设计的多功能交直流交换电路集双向DC/DC、单相DC/AC、三相DC/AC等多种功能于一身，使用的元器件也大大减少；而且，每个开关管的发热程度与开关次数是均衡的，这样可以延长管子使用寿命，使电路工作稳定。该多功能变换电路结构简单，可以实现能量的双向流动，适用于中大功率场合。

2.2功能的实现及应用

2.2.1 双向DC/DC变换 图5所示为多功能交直流交换电路实现双向DC/DC的交换电路。由图可见，当电路需要进行双向DC/DC或单相DC/AC双向变换时，每个时间段只需要4个开关管同时工作，但Q1～Q6开关管须按一定的导通序列工作，以保证每个开关管工作时间相同。为此，该电路由2个相同的双向DC/DC变换器组成，其中，开关管Q1、Q4同时开断，Q2、Q3同时开断，假设Q1和Q4的占空比为D，则Q2和Q3的占空比为1-D。

图5 双向DC/DC变换变换电路Fig.5 Bidirectional DC/DC or single-phase DC/ACbidirectional conversion circuit

若在开关管导通的时间内，保持其占空比D为常数，则实现双向DC/DC变换。以零点为参考电压点，规定A点接正向端，B点接负向端。当D=0.5时，A、B两端电压ELL=0；当D>0.5，ELL>0；当D<0.5，ELL<0。同时，在电路中装设滤波电感滤除开关频率。通过该双向DC/DC交换电路可以实现对充放储一体化电站的储能电池的充、放电。

由于目前市面上部分电动车使用直流电动机，则可通过调节图5电路中开关管的占空比来为直流电动机输出所需的电压，图6所示为采用直流电动机的电动机驱动系统。此时，电动机根据其芯片储存的信息，以运行的公里数为参考点(如50km)进行双向DC/DC变换，提供其续航电能。

图6 采用直流电机的电动车驱动系统Fig.6 EV drive system with DC motor

2.2.2 单相DC/AC双向变换 多功能交直流交换电路实现单相DC/AC双向变换的工作原理与双向DC/DC变换一致。

若开关管导通起，其D为随时间变换的函数D(t)，即可实现单相DC/AC双向变换。此时，交流波形上每一点的变化都靠占空比控制，故通过改变不同时刻的D，就能得到任意波形；同样，需在电路中装设滤波电感滤除开关频率。目前，市面上大多数电动车采用交流电动机为单相交流电动机，故本文设计的多功能交直流变换电路可以实现单相DC/AC双向变换，为交流电动机提供所需的电压。图7所示为采用交流电动机的电动车驱动系统。

图7 采用交流电机的电动车驱动系统Fig.7 EV drive system with AC motor

2.2.3 三相DC/AC变换 当开关管Q1～Q6交替工作时，多功能交直流交换电路则可实现三相DC/AC变换，如图8所示。此时，该变换电路有两种工作模式： ① 整流模式。当储能电池充电时，三相DC/AC变换电路工作在整流状态，电网侧交流电压经整流器向储能电池供给直流电压。② 逆变模式。当储能电池放电时，三相DC/AC变换电路工作在逆变状态，经逆变器输出合适的交流电压，回馈电网。

图8 三相DC/AC变换电路Fig.8 Three-phase DC/AC conversion circuit

由于开关管的频繁开合将给电路引入谐波，为减少并网系统中交流侧PWM谐波电流的影响，本文设计了如图9所示的三相DC/AC变换滤波电路，并在入网侧母线上连接混合型有源电力动态滤波器[15]，滤除电动车入网侧母线上的谐波，并可以达到无功补偿的作用。

通过以上分析可得，该多功能电路通过6个开关管便可以实现双向DC/DC、单相DC/AC、三相DC/AC等多种功能，电路灵活性强，使用的元器件也较少。将此电路应用于电动车充放储一体化电站中，可以实现蓄电池的充放电、为交直流电机供电、储能装置与电网的双向互动等多种功能，具有很强的实用性。

图9 三相DC/AC变换滤波电路Fig.9 Three-phase DC/AC conversion filter circuit

3 结 语

本文设计了一种适用于电动车充放储一体化电站的多功能交直流变换装置，其可以实现双向DC/DC，单相DC/AC，三相DC/AC等多种功能。与一般只能实现单一功能的交直流变换装置相比，其电路灵活性强，且使用的元器件也大为减少，提高了电站建设的经济性。

[1] 胡国珍.充放储一体化电站功率变换系统稳定分析与控制[D].武汉： 华中科技大学,2012: 1-2.

[2] 房新雨,黄克捷，冯俊淇，等.电动汽车充放储一体化电站四种变流装置对比[J].电力电子技术,2013,47(7)： 64-66.

[3] 胡友琳,贾玉健，解大，等.充放储一体化站中多用途变流装置的设计与仿真[J].可持续能源,2012(2)： 43-50.

[4] 李瑾，杜成刚，张华.智能电网与电动汽车双向互动技术综述[J].供用电,2010,27(3)： 12-14.

[5] Etezadi-Amoli M,Choma K,Stefani J.Rapid-Charge electric-vehicle stations.IEEE Transaction on Power Delivery,2010,25(3): 1883-1887.

[6] Chu Yongbin,Wang Shuo,Crosier R.Improving the performance of an active power filter as part of a multifunctional high power electrical vehicle charging station∥2013 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC). Detroit, MI: IEEE,2013: 1-6.

[7] 华光辉,赫卫国,赵大伟.储能技术在坚强智能电网建设中的应用[J].供用电，2010，27(4)： 22-25，29.

[8] 丁明，张颖媛，茆美琴，等.包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化[J].中国电机工程学报,2011,31(4)： 7-14.

[9] 顾羽洁.电动汽车充放储一体化电站对电网影响的研究[D].上海： 上海交通大学，2012: 15-19.

[10] 冯俊淇，解大，房新雨，等.电动汽车充放储一体化站多用途变流装置工作特性分析[J].现代电子技术，2012,35(21)： 135-136.

[11] 郭熠.电动汽车双向DC/DC变换器的研究[D].天津： 天津大学,2004: 3-4.

[12] 陆治国，祝万平，刘捷丰，等.一种新型交错并联双向DC/DC变换器[J].中国电机工程学报,2013,33(12)： 39-46.

[13] 孙文.用于电动汽车的交错并联双向DC/DC变换器设计[D].杭州： 浙江大学,2012: 9-12.

[14] 乔龙洋.基于双向DC-DC变换技术的蓄电池充放电装置研究与设计[D].合肥： 合肥工业大学，2012: 9-12.

[15] 郑德化,孙雁卿,李彦晶,等.智能电网中的混合型有源电力动态滤波器的控制方法及装置： 中国,201110280010.1[P].2011-09-21.

Design of Bidirectional AC-DC Conversion Circuit forSmart Integrative Power Stations

XIPan1,ZHENGDehua2,SUNYanqing3,WANGZhijie1,LIUJiaojiao1,WEIDan1

(1.College of Electrical Engineering, Shanghai dianji University, Shanghai 200240, China;2.Saskatchewan Institute of Applied Science and Technology, Saskatoon S4V2T6, Canada;3.Hechuang Electrical Power Sci & Tech. Co. Ltd., Taiyuan 030032, China)

Compared with traditional charging and storage facilities, the smart charge discharge storage integrative power station has many advantages. It is a good model for the development of supporting facilities for future electric cars. To meet the operational requirements, a multifunctional bidirectional DC/AC conversion circuit is designed. Analysis of the circuit shows that it can achieve a variety of functions such as bidirectional, single-phase, three-phase DC/AC conversions and other functions. The circuit is more flexible, and uses fewer components. It can reduce costs of power plant construction.

integrative power station; storage device; DC/AC conversion; circuit design

2013 - 10 - 06

国家自然科学基金资助项目(11201267) ；上海市教育委员会科研创新重点资助项目(12ZZ197)；上海市自然科学基金资助项目(12ZR1411600)；上海市闵行区科委技术创新项目资助(2011MH099)

席 攀(1990-)，女，硕士生，主要研究领域为智能电网与储能技术，E-mail： 467946001@qq.com

2095 - 0020(2014)01 -0038 - 05

TM 46

A