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成绍桂 邵麟港 汤佩文 陈曦 黄祖朋 赵小羽
上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007
摘 要： 电动汽车V2G技术能削峰填谷，平衡电网的能量需求。双向功率变换器是智能电网与电动汽车能量交换的载体，是实现电动汽车V2G技术的关键性设备。本文基于V2G技术对电动车充电桩双向功率变换器的电路拓扑进行了分析，总结了各拓扑适应的场景，得出了一种适合充电桩大功率双向变换主电路拓扑，为后续双向功率变换设计提供参考。
关键词：电动汽车充电桩；电动汽车充电桩；V2G技术；双向功率变换；电路拓扑
1 研究背景
埃默里·洛文斯在20世纪90年代提出了汽车和电网的关系的V2G模型。电动车在停止不使用时，可将电动
上汽通用五菱汽车股份有限公司车动力电池电能通过智能电网调度的方式将储能回馈电网，可在用电需求过多时减少电网负载压力；另外，在电网用电过剩需求时，电动车动力电池可通过智能电网获得电能补充，实现电网的削峰填谷。V2G技术的实现，使得电动车动力电池储能和电网可以相互交换，将在未来智能电网的发展中扮演至关重要的角[1]。双向功率变换器作为智能电网与电动汽车能量交换的载体，是影响V2G技术发展的重要因素。
2 充电桩的双向功率变换的基本原理电动车用充电桩是电动车和电网进行电能交换的主要功率装置。一般双向功率变换基本原理如图1所示，主要由滤波器、双向AC/DC变换拓扑、双向DC/DC变换拓扑以及控制电路等模块串联组成。充电方向从电网到电动车流动，由AC/DC，DC/DC进行变换，放电方向从电动车到电网，由DC/ DC，DC/AC进行变换。电动车在充放电时通常在应用中采用双向变压器来保证电气隔离，按双向变压器的不同位置，分为电网侧、双向DC/AC变换器中、双向DC/DC变化器中三种，根据结构和频率特性选择，一般放在双向DC/DC变换器中[2]。3 双向AC/DC电路拓扑
图2至图4是常见的三种双向AC/DC
电路拓扑[3]，分别为三相四开关管式、三相
电压型逆变式（VSI）、三相三电平二极管
钳位式。
如图2，三相四开关管式主要由两个开
关管桥臂和一对电容构成，其电路功率器件
数量少，结构以及控制简单，设计生产成本
较低；但是开关器电流应力很大，开关损耗
大。且因无功率因数校正（Power Factor
Correction），应用该电路拓扑时，需要设计
滤波电路，消除谐波的影响。
如图3，三相电压型逆变式（VSI）主要
由三组开关桥臂构成，其组成比三相四开关
管式多一组桥臂，同功率要求下，功率开关
管电压是其两倍，所以通过开关管的电流是
其一半，VSI型双向AC/DC可以有效降低
高频工作下的损耗。同时，在充电状态下，
拓扑结构相当于无桥PFC，谐波影响小。因此，
该拓扑大多适用于大功率应用场合。
图1 充电桩双向功率变换系统原理
图
2 三相四开关管式图3 三相电压型逆变式（VSI）
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如图4，三相三电平二极管钳位式与VSI 型电路结构类似，在VSI 型的基础上在桥臂
上多串联一个开关管，并联了二极管钳位，减少了开关应力和损耗。交流侧的电压畸变率在三电平技术的作用下得到抑制，在放电场景下可提高波形质量。且该电路拓扑器件数量多，电路结构较为复杂。
综合以上结果对比分析，各三相双向AC/DC 电路拓扑特点对比按表1。在中高功率使用、三相供电的应用场景，VSI 型双向AC/DC 电路拓扑结构元器件数量适中，结构及控制较简单，最适合做为双向充电桩的电路拓扑。
4 双向DC/DC 电路拓扑
如图5所示，全桥-推挽式主电路是由低压侧的电流型推挽变换电路和高压侧的全桥变换电路组成。充电状态下，推挽变压器初级侧全桥电路将直流电转换成双极性交流电，次级侧在同步整流状态，将传递到次级的电压整流成电动车电池所需的直流电压。放电状态下，次级侧变为初级侧，全桥变换电路中的体二极管组成桥式全波整流电路，输出直流。
如图6所示，全桥-半桥式主电路是由高压端电压型全桥变换和低压侧电流型半桥变换电路组成[4]。充电状态下，转换原理同全桥-推挽式，但电路处于降压全桥工作状态。放电状态下，电压装换类似全桥推挽
式，但电路处于升压半桥工作状态。
如图7所示，全桥-全桥式主电路对称度高，变压器两侧由完全相同的全桥电路组成。该电路在充电或放电模式工作原理一致，
高频变压器分别在零电压开关逆变状态和二极管全桥整流状态交替，该拓扑具有前两种结构的全部优点，带软开关功能，性能更优。
综合以上分析，各种双向DC/DC 拓扑结构特点对比按表2。全桥-全桥式双向DC/DC 具有高效安全的特点，最符合电动车双向充电桩的应用。
5 总结和展望
由第3章与第4章的综合分析可得确定
了主要由入滤波器、VSI 式双向AC/DC 变换电路和全桥-全桥式双向隔离DC/DC 电路拓扑作为充电桩双向变换功率电路的主回路拓扑。如图8所示。
充电桩作为电动车与电网进行能量交换的主要功率变换器，双向功率电路拓扑的研究和如何选择是实现高效率、高品质转换的
图5 全桥-推挽式拓扑结构
表1 各双向AC/DC 电路拓扑对比
图6 全桥-半桥式拓扑结构
图7 全桥-全桥式拓扑结构
图4 三相三电平二极管钳位式
（下转第75页）
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Pre2On触发，由0到1，如图12所示；整车
进入巡航暂停状态，信号crd_flg_CrsStatus_
On2Cancel触发，由0到1，如图13所示。以
上测试结果均满足测试的预期结果。
图11 整车进入预巡航状态
4 总结
在新能源汽车的控制器开发领域中，HIL
测试具有非常重要的地位。对于整车控制器的
开发，采用HIL自动化测试系统，可以对整
车控制器策略（特别是极端危险工况下的控制
策略）进行验证优化，可以减少实车的实验次
数，完成一些实车无法实现的故障测试，一定
程度上缩短整车控制器研发的周期。
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图12 整车进入巡航状态
图
13 整车进入巡航暂停状态
关键，本文针对现有的几种电路拓扑结构进
行了分析对比，总结出了各个拓扑在不同应
用场合下的特点，为双向变换功率变换的开
发提供了参考。另外，本文并未对各个参数
进行详细计算和仿真，实际电路结构参数指
标还有待试验。随着电动车的数量日益增加，
电路设计的不断进步，V2G技术将带来带来
可观的经济效益。
基金项目：广西科技计划资助项目（桂
科AC16380043）；
参考文献：
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表2 双向AC/DC电路拓扑特点
图
8 电动汽车充电桩双向功率变换器主电路图
作者简介
成绍桂： （1983.10—），男，广西玉林人，上
汽通用五菱汽车股份有限公司新能源产
品工程师，研究方向为新能源汽车整车
关键技术开发。
（上接第56页）
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