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直流快速充电的调查
电动汽车充电站（EVCS）的拓扑
1S.Harika 2 Dr.R.Seyezhai 3Dr.A.Jawahar
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Research Scholar(Full-Time) Department of EEE, REC Lab, SSN College of Engineering, Chennai, India sriharkal@gmail.com |
Associate professor Professor Department of EEE, REC Lab Department of ECE SSN college of Engineering, SSN College of Engineering, Chennai, India Chennai, India seyezhair@ssn.edu.in jawahara@ssn.edu.in |
摘要-实现合适的DC-DC转换器为电池充电在电动汽车（EV）的生产过程中起着至关重要的作用。 DC-DC转换器的设计应延长电池寿命和电池性能。因此，用于充电的DC-DC转换器应无纹波且高效。最常用的用于充电的经典转换器是Z-source转换器（ZSC）和Quasi Z-source转换器（QZSC）。在这种情况下，首选QZSC，因为它会吸收连续的输入电流，而ZSC会吸收不连续的输入电流，这会增加纹波含量，进而降低转换器和电池的性能。因此，QZSC最适合用于电池充电，但其占空比与经典降压转换器相同。因此，本文研究了三种转换器的性能：经典降压转换器，QZS降压转换器和拟议的开关电容器QZSC（SC-QZSC）。评估并比较了诸如负载电压纹波（△V0），负载电流纹波（△I0）和电感器电流纹波（△IL）的性能参数。通过分析，选择了SCQZSC，因为它满足充电器要求。仿真研究在MATLAB / SIMULINK中进行，并验证了结果。
关键字---QZSC降压转换器，SC-QZSC，负载电压纹波（△V0），负载电流纹波（△I0）和电感器电流纹波（△IL）。
I. 引言
电动汽车（EV）在过去十年中得到了越来越多的关注，因为它可以减少燃油消耗，但面临充电基础设施不足的问题。为了增加电动汽车的增长，应明确规定充电基础设施[1]-[2]。明确确定了电动汽车充电水平的标准，目前正在使用中[3]-[4]。 1级和2级充电需要3到4个小时才能为EV电池充电，而3级（DC充电器）只需15到30分钟即可为汽车电池充满电[5]。因此，由于快速响应和减少的负载平衡问题（同时可以为2至3个EV电池充电），直流充电器最受青睐。如今，从电动汽车制造商和用户的角度来看，电动汽车充电站（EVCS）的概念已受到越来越多的关注[6]。
在EVCS中，应仔细设计DC-DC转换器，使其具有连续且无纹波的输出。因为，如果转换器输出包含高纹波，则会影响电池的寿命[7]-[8]。因此，本文涉及对提出的EVCS的各种DC-DC转换器拓扑的研究。提议的EVCS的框图如图1所示。对于拟议的EVCS，选择了QZS降压型DC-DC转换器。
本文重点介绍Z阻抗转换器，以改善转换器性能。 X形的两个电感器和两个电容器的互连通常称为Z源网络。 LDC单元的互连（由电感器L，二极管D和电容器C组成）将Z源转换器（ZSC），Quasi Z-source转换器（QZSC）分为连续源电流操作和不连续源电流操作。 QZSC工作在连续电源电流中是首选，因为与ZSC相比，它具有连续电源电流。在不连续电流模式下运行的QZSC具有高纹波电流和高应力，这使系统不切实际，因此，使用具有连续电流模式的QZSC[9]。
尽管QZSC降压转换器和经典降压转换器都具有相同的占空比，但与经典降压转换器相比，QZSC降压转换器具有降低的纹波。尽管如此，它可以通过提出的开关电容器Quasi Z-source转换器（SC-QZSC）来降低[10]。因此，操作和
在接下来的部分中将对所有三个转换器的分析进行清楚的说明。
II.直流-直流转换器综述
在本文中，对三种类型的降压转换器进行了回顾：A.经典降压转换器B. QZSC降压转换器和C.开关电容器QZSC降压转换器（SC-QZSC）。 评估并比较这些转换器的性能。
A.经典降压转换器
经典降压转换器的电路图如图2所示。
图2.经典降压转换器
当开关S导通时，电感器由电容器C0充电。 当开关处于OFF状态时，电感器通过电容器C0放电。 负载上的输出等于输入电压乘以开关S的占空比，从而得到减小的输出。
B.QZS降压转换器
QZSC降压转换器的电路图如图3所示
图3.QZS降压转换器
开关MOSFETS与LDC单元串联连接，如图3所示，二极管D0跨接在其上。当S处于导通状态时，电感器L1和L2由电容器C1和C2充电。当“ S”处于截止状态时，电感器L1和L2通过电容器C1和C2放电到负载。两个降压转换器的增益都相同[11]。因此，QZSC降压转换器的占空比在（1）中给出。
尽管占空比保持不变，但与以前的配置相比，Quasi Z-source阻抗网络减少了负载电压和负载电流中都存在的纹波。阻抗网络电容器可降低MOSFET开关两端的电压和电流应力。
C.开关电容器QZSC降压转换器（SC-QZSC）
该电路包括阻抗网络（LDC单元），开关“ S”以及开关电容器C3和C4。拟议的开关电容Quasi Z-source转换器（SC-QZSC）的示意图如图4所示。
图4.开关电容Quasi Z-source转换器（SC-QZSC）
二极管D1和D2，电容器C3和C4组成了开关电容器网络。当开关“ S”导通时，开关网络电容器和负载由输入电压源Vin充电，而电容器C1和C2由电感器L1和L2充电。当开关“ S”处于断开状态时，电感器L1和L2通过电容器C1，C2，C3和C4放电至负载[12]。
III. DC-DC转换器的分析
在本节中，将对经典降压转换器，QZS降压转换器和SC-QZSC进行分析。在MATLAB / SIMULINK中对三种类型的降压转换器进行了建模和仿真。用于分析的性能参数是负载电压纹波（△V0），负载电流纹波（△I0）和电感器电流纹波（△IL）。已经针对不同的占空比进行了比较分析。
不同负载下的负载电压纹波（△V0），负载电流纹波（△I0）和电感器电流纹波（△IL）的图形
图5.不同占空比下的输出电压纹波（△V0）
从图5可以明显看出，与传统的降压转换器和QZS降压转换器相比，开关电容器Quasi Z-source DC-DC转换器（SCQZSC）的负载电压纹波（△V0）降低了。 在图5中，D = 0.4，对于SCQZSC，△V0= 0.001 V，对于QZS降压转换器，△V0= 0.004 V，对于经典降压转换器，△V0= 0.006V。
图6不同占空比下的输出电流纹波（△I0）
在图6中，在D = 0.4时，SC-QZSC，QZS降压转换器和经典降压转换器的负载电流纹波△I0= 0.001 A，0.004 A和0.006A。 因此，可以推断出与其他两种转换器拓扑相比，SCQZSC降低了负载电流纹波。
图7.降压转换器（a）以及QZS降压转换器和SC-QZSC（b）的不同占空比的电感器电流纹波（△IL）
SC-QZSC由于使用了开关电容器网络，SC-QZSC电感电流纹波（△IL）大大降低。在图7中，对于DQ = 0.4，△IL= 0.0004 A，0.0006 A，对于SC-QZSC，QZS降压转换器和经典降压转换器为0.31 A.
从分析中可以明显看出，建议的开关电容器Quasi Z-source DC-DC转换器（SC-QZSC）具有较低的负载电压纹波（△V0），减小了负载电流纹波（dutyI0）和电感器电流纹波（△IL） 占空比。 因此，它是电池充电应用的最佳选择。
IV. 仿真结果
所选的SC-QZS降压转换器与2kW光伏阵列。 250W光伏面板（Voc = 37.4 V，Isc = 8.63 A，Vmp = 30.7 V和Imp = 8.15 A）以2 * 4阵列互连以SP配置的形式（4个面板以阵列形式连接，2个串联）。光伏阵列的总额定值为Pmp= 2000W，Voc = 149.6 V，Isc = 17.26 A，Vmp = 122.8 V，Imp =16.3A通过功率对电压特性和电流对电压特性来分析其特性。 2000W PV的VI和PV特性阵列如图8所示。
图8. 2000W光伏阵列的VI和PV特性
表I中列出了用于电动汽车电池充电基于太阳能的QZS DC-DC转换器的仿真参数。
表I.电动汽车充电用QZS DC-DC转换器的仿真参数
对于占空比D = 0.42，负载电压纹波（△V0），负载电流纹波（△I0）和电感电流纹波（△IL）三种类型的转换器已被研究和描述在图9-11。
图9.经典降压转换器的纹波分析
由图9可知，负载电压纹波，负载电流纹波降压转换器的电感电流纹波为：负载电压纹波（△V0）= 0.005 V，负载电流纹波（△I0）=0.0005 A，电感电流纹波（△IL）= 0.3 A.
图10.QZS降压转换器的纹波分析
从图10可以看出，负载电压纹波，负载电流纹波QZSC降压转换器的电感电流纹波为：负载电压纹波（△V0）= 0.004 V，负载电流纹波（△I0）= 0.004 A，电感电流纹波（△IL）= 0.0002A。
图11.SC-QZSC的纹波分析
从图11可以看出，负载电压纹波，负载电流纹波建议的SC-QZSC的电感电流纹波为：负载电压纹波（△V0）= 0.001 V，负载电流纹波（△I0）= 0.001 A，电感电流纹波（△IL）= 0.0001A。
因此，显然SC-QZSC拓扑已实现了与其他拓扑相比性能更好。 因此，SC-QZSC是适用于EV电池的转换器拓扑。 太阳能电池充电器的Simulink图如图12所示。
图12.太阳能电池充电器的Simulink图
建议的SC-QZSC转换器输出电压和输入电压如图13所示。 输入电压122.8V降压至50.3V。
图13. SC-QZSC的输入电压和输出电压
EV电池额定值为48V（90 Ah）的输出如图14所示，假定电池的充电状态为100％。
图14.电动汽车电池的负载电压和负载电流
从图14可以明显看出，该系统的电池电压纹波和电池电流纹波较低。由于电池的性能和寿命很大程度上取决于用于充电的DC-DC转换器拓扑，由此可以提高电池的性能和寿命。
结论
本文研究了三种不同的降压转换器，即经典降压转换器，QZS降压转换器和开关电容器QZSC（SC-QZSC）。 为了进行分析，已经为三种DC-DC转换器计算了负载电压纹波，负载电流纹波和电感器电流纹波并进行了比较。 从结果可以看出，与其他两种拓扑相比，SC-QZSC降低了输出以及电感中的纹波含量。 研究了装有SC-QZS转换器的太阳能电池充电器的仿真结果。 还通过电压对电流曲线和电压对功率曲线研究了2000W光伏阵列的特性。 还提出了建议的转换器输出电压和电池输出电压以及电池输出电流。 因此，可以得出结论，SC-QZSC是电池充电的最佳选择，因为充电器需要降低纹波并提高性能。
参考文献
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[2] Moradi, M.H., Abedini, M., Tousi, S.R., et al.: lsquo;Optimal siting and
sizing of renewable energy sources and charging stations
simultaneously based on differential e
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资料编号：[236349]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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