基于最优效率的双有源桥变换器参数设计优化方法.docx
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2022-12-15
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1 引言
随着世界能源消耗加剧,温室气体 排放量 加剧,全球环 境逐渐 恶化,世界 各
国面临节能减排、减少碳排放的重要挑战。2020 年 9 月,我国在联合国大会首
次提出“国家的两个阶段碳减排奋斗目标”,二氧化碳排放力争于 2030 年达到峰
值,努力争取 2060 年实现碳中和
[1]
。新能源电动车采用电驱动系统,能实现高效
清洁的能源储存和使用,有望代替燃油车进而大大降低碳排放量,是未来交通领
域重点的发展方向之一
[2]
。目前电动车主要以单方向充电为主
[3-4]
,随着分布式储
能概念的提出,有可能在用户侧产生新的能源供应方式。在未来发展中,电动车
很有可能以一种新的分布式储能方式(V2G 模式)接入电网,夜晚到家后用充电
桩充电,白天通过单位的充电桩接入电网,参与负荷平抑、峰谷调节等作用,不但
位置灵活,而且大规模的应用可以增加电网稳定性,同时产生巨大的经济效益
[5-6]
。
新能源电动车的充电依赖于充电桩,而充电桩中的核心部件是电力电子充
电功率模块。目前的充电功率模块由 AC/DC 变换器加隔离型 DC/DC 变换器构
成,通常只是单方向给电动车充电,因此变换器中的 DC/DC 单元常采用副边为
二极管的 LLC 变换器或者移相全桥变换器
[7⇓ -9]
。为了实现 V2G 功能,需要考虑
修改现有充电桩的拓扑结构,使变换器工作在双向模式下。双有源桥式变换器
具有良好的软开关性能、可靠的功率控制能力、优秀的电气隔离特性
[10 ⇓ -12]
,可
以适用于 V2G 的工作场景下,因此得到了广泛的研究。
然而,目前双有源桥变换器更倾向于应用在电力电子变压器等场合,输入输
出电压波动小,双有源桥变换器的设计相对比较简单
[13⇓ ⇓ -16]
。电动车电池的电压
制式相差较大,输出电压范围宽且需要保证全负载情况下的满负荷充放电,因此
设计变得极其复杂。双有源桥变换器的方案设计涉及了频率、电压、磁性器件
参数、电容、器件选型等多项内容,且各内容之间相互耦合制约,难以获得一个
综合的优化模型进行优化。目前现有关于双有源桥变换器优化的研究,主要集
中在双有源桥的控制优化算法
[17⇓ -19]
,并没有针对 V2G 场合的双有源桥变换器的
参数优化设计。
本文针对 V2G 场合下的充电功率单元中的双有源桥变换器,提出了一种参
数设计优化方法,该方法建立在现有的充电制式、车载电池类型的基础上,以双
有源桥变换器最优效率为设计目标,综合频率、器件、功率、磁性器件、控制
方法、输出电压范围、输入输出电压匹配关系等优化参数,建立其参数间的耦
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