V2G電動汽車無線電能雙向傳輸系統(tǒng)研究(共2910字).doc

1、V2G電動汽車無線電能雙向傳輸系統(tǒng)研究(共2910字)摘要：目前電動汽車無線充電技術(shù)的研究大多數(shù)集中在單向傳輸系統(tǒng)，只能從電網(wǎng)單向流入電動汽車。V2G可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和電動汽車能量的雙向流動，本文從V2G技術(shù)、磁耦合諧振式能量傳輸機(jī)理、四種電容補(bǔ)償方式、電動汽車雙向無線充電系統(tǒng)電路等方面進(jìn)行分析研究。關(guān)鍵詞：V2G；雙向傳輸；磁耦合諧振；電容補(bǔ)償電動汽車無線充電技術(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。目前針對電動汽車無線充電技術(shù)的研究大多數(shù)

2、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汽車充電裝置更能順應(yīng)這一發(fā)展1。1V2G技術(shù)V2G是Vehicle-to-grid的簡稱，就是將電動汽車的動力電池，作為電網(wǎng)中的分布式電源，在用電高峰時通過逆變技術(shù)向電網(wǎng)回饋能量，而在用電低谷時電網(wǎng)通過整流，對電動汽車充電，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和電動汽車的能量互動。電網(wǎng)與電動汽車的關(guān)系如圖1所示，V2G系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。V2G的研究主要包括以下幾部分：（1）充電負(fù)荷計算；（2）電動汽車大規(guī)模接入配電網(wǎng)；（3）電動汽車有序充電控制。1.1V2G充電負(fù)荷計算1.1.1充電負(fù)荷的

3、關(guān)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(tài)）；（5）接入電網(wǎng)的車輛規(guī)模2。1.1.2充電負(fù)荷計算。設(shè)置時間間隔為1分鐘，考察一天的負(fù)荷曲線，第i分鐘的充電總功率為：nnin=1=NPP，式中：Pn為在i分鐘所有的電動汽車充電負(fù)荷，i=1，2，3，4，1440；N為電動汽車總數(shù)；Pn，i為第n輛車在i分鐘的充電負(fù)荷2。1.2V2G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，電動汽車花費(fèi)少；（2）獲得收益：給電網(wǎng)供電時，可獲得電價補(bǔ)償；（3）移峰填谷：峰荷放電，谷荷充電；（4）旋轉(zhuǎn)備

4、用：作為分布式儲能單元（風(fēng)電、太陽能發(fā)電等）；（5）電壓支持：高負(fù)荷時放電抑制電壓的下降。V2G技術(shù)的新問題：（1）電網(wǎng)負(fù)荷：電動汽車充電時間隨機(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(shù)為k，則有：psMkLL=。根據(jù)分析，得到方程：根據(jù)分析可得：等效電路的阻抗分為純電阻和電抗，電

5、抗為感性，因為電抗的存在，在實(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，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，初級串聯(lián)-次級串聯(lián)（SS）、初級串聯(lián)-次級并聯(lián)（SP）、初級并聯(lián)-次級串聯(lián)（PS）、初級并聯(lián)-次級并聯(lián)（PP）3。如圖4所示。3電動汽車雙向無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計3.1總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計隨著電力電子技術(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4。目前對電動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。為實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)能量的雙向流動，要在電路中加入雙

6、向DC-DC變換器。全橋型電路參數(shù)設(shè)計方便，能實(shí)現(xiàn)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(tǒng)簡化圖，為保證能量可實(shí)現(xiàn)雙向流動，并且雙向可控，系統(tǒng)兩側(cè)結(jié)構(gòu)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(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方向1。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?。如圖7所示為雙

7、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。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，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)生短路時電感增大，提供給保護(hù)電路足夠的反應(yīng)時間6。同時負(fù)載電流減小時，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方向7。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，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)能量反向傳輸時反之。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，能量正向傳輸，當(dāng)副邊電壓相角滯后于原邊電壓時，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，能量正向傳輸，當(dāng)副邊電壓相角超前于原邊電壓時，能量反向傳輸。本文應(yīng)用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，對可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動的電動汽車無線充電系統(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，原邊補(bǔ)償電容不僅與原邊電