主動電力去耦合（APD）技術在電動車充電系統中扮演著關鍵角色，它能有效減少電力電子裝置中的電壓波動和電流諧波，提升系統效率和可靠性。APD 主要透過控制電壓和電流實現電力去耦合，並支援車輛到電網（V2G）和電網到車輛（G2V）兩種模式。V2G 模式允許車輛將電池能量回饋電網，而 G2V 模式則為車輛電池充電。理解 APD 的電路圖和不同模式下的運作方式對於設計高效的電動車充電系統至關重要。除了 APD 技術，雙向轉換器拓樸也是電動車車載充電器（OBC）的核心技術之一，它能實現車輛與電網之間的雙向能量流動，並根據需求進行充電或放電。
APD 的工作原理
APD 的工作原理是透過控制電力電子裝置中的電壓和電流，實現電力去耦合。這種技術可以分為兩種模式：車輛到電網（V2G）和電網到車輛（G2V）。在 V2G 模式中，電力電子裝置將車輛的電池能量轉換為電網的電能；在 G2V 模式中，電力電子裝置將電網的電能轉換為車輛的電池能量。
APD 的電路圖
APD 的電路圖如圖 13.2 所示。該電路圖包括一個主動電力去耦合電路和一個充電電路。主動電力去耦合電路用於減少電力電子裝置中的電壓波動和電流諧波；充電電路用於充電車輛的電池。
模式 1 - 車輛到電網（G2V）模式
在模式 1 中，電力電子裝置將車輛的電池能量轉換為電網的電能。該模式的電路圖如圖 13.3 所示。該電路圖包括一個充電電路和一個主動電力去耦合電路。
模式 2 - 車輛到電網（V2G）模式
在模式 2 中，電力電子裝置將電網的電能轉換為車輛的電池能量。該模式的電路圖如圖 13.4 所示。該電路圖包括一個逆變器和一個雙向升降壓轉換器。
模式 3 - 高功率低電壓充電（HP-LVC）模式
在模式 3 中，電路圖如圖 13.5 所示。該模式的電路圖包括一個輔助電池和一個主動電力去耦合電路。該模式用於充電輔助電池。
模式 4 - 低功率低電壓充電（LP-LVC）模式
在模式 4 中，電路圖如圖 13.6 所示。該模式的電路圖包括一個低功率充電電路和一個主動電力去耦合電路。該模式用於同時充電牽引電池和輔助電池。
內容解密：
本文介紹了主動電力去耦合技術的工作原理和電路圖。該技術可以用於減少電力電子裝置中的電壓波動和電流諧波。透過使用 APD 技術，可以提高系統的效率和可靠性。這些模式可以用於不同的應用場合，例如車輛到電網和電網到車輛。
flowchart TD
A[車輛到電網] --> B[充電電路]
B --> C[主動電力去耦合電路]
C --> D[電網]
D --> E[車輛]
E --> F[輔助電池]
F --> G[主動電力去耦合電路]
G --> H[低功率充電電路]
H --> I[牽引電池]
圖表翻譯：
圖 13.2 所示的電路圖是主動電力去耦合電路和充電電路的組合。圖 13.3 所示的電路圖是車輛到電網模式的充電電路。圖 13.4 所示的電路圖是車輛到電網模式的逆變器和雙向升降壓轉換器。圖 13.5 所示的電路圖是高功率低電壓充電模式的電路圖。圖 13.6 所示的電路圖是低功率低電壓充電模式的電路圖。這些圖表可以幫助我們瞭解主動電力去耦合技術的工作原理和電路圖。
電動車車載充電器（OBC）之雙向轉換器拓樸
在電動車的車載充電器（OBC）中，雙向轉換器拓樸是一種重要的設計。這種拓樸可以實現車輛與電網之間的雙向能量流動，既可以充電，也可以向電網供電。
設計規格
為了確定電容器的值，我們可以使用以下公式：
$$C_f = \frac{P}{4 \cdot V_{dc} \cdot \omega}$$
其中，$P$是功率，$V_{dc}$是直流電壓，$\omega$是角頻率。
對於等效電容， мы可以使用以下公式：
$$C_{eq} = \frac{C_f}{2}$$
V2G 模式
在 V2G 模式中，車輛可以向電網供電。這個模式需要一個雙向轉換器拓樸，可以實現車輛與電網之間的能量流動。
根據公式（9.8），我們可以計算出所需的電容。直流連線電容可以使用以下公式計算：
$$C_{dc} = \frac{P}{\omega \cdot \Delta V_{dc}}$$
其中，$\Delta V_{dc}$是峰峰值ripples電壓。
由於 APD 電路是在連續模式下運作，因此會消耗一些反應功率。為了考慮這個因素，我們使用 $\alpha$ 來表示。
實現
在實現雙向轉換器拓樸時，我們需要考慮多個因素，包括功率、電壓、頻率和電容等。透過合理的設計和選擇， podemos 實現一個高效、可靠的車載充電器系統。
內容解密：
在上述公式中，$C_f$ 和 $C_{eq}$ 分別代表電容器的值和等效電容。$P$、$V_{dc}$ 和 $\omega$ 分別代表功率、直流電壓和角頻率。$\Delta V_{dc}$ 代表峰峰值ripples電壓。透過這些公式，我們可以計算出所需的電容和等效電容。
flowchart TD
A[輸入功率] --> B[計算電容器值]
B --> C[計算等效電容]
C --> D[輸出結果]
圖表翻譯：
上述流程圖描述了計算電容器值和等效電容的過程。首先，輸入功率和直流電壓等引數，然後計算電容器值和等效電容，最後輸出結果。這個流程圖可以幫助我們更好地理解雙向轉換器拓樸的設計和實現。
直流鏈電壓控制
在混合動力系統中，直流鏈電壓需要維持在一個穩定的值，以便為牽引電池充電和放電。牽引電池的工作電壓範圍很廣（250-430V），以滿足所有的牽引需求。考慮一個1 kW的高功率低電壓轉換器（HP-LVC）。
控制方程
直流鏈電壓控制的關鍵在於維持電壓在一個穩定的值。控制方程可以用以下公式表示：
$$ \alpha \omega = L \frac{di}{dt} + C \frac{dv}{dt} $$
其中，$\alpha$是控制引數，$\omega$是角速度，$L$是電感，$C$是電容，$i$是電流，$v$是電壓。
工作模式
系統有多種工作模式，包括Mode 3和Mode 4。這兩種模式的充電電路如下所示：
Mode 3充電電路
Mode 3充電電路如圖13.5所示。
Mode 4充電電路
Mode 4充電電路如圖13.6所示。
變壓器轉換比
變壓器轉換比可以用以下公式表示：
$$ \frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p} $$
其中，$V_s$是次級電壓，$V_p$是初級電壓，$N_s$是次級匝數，$N_p$是初級匝數。
平均電感電流
平均電感電流可以用以下公式表示：
$$ i = \frac{V}{4R} $$
其中，$i$是電流，$V$是電壓，$R$是電阻。
圖表翻譯：
以上的Mermaid圖表展示了直流鏈電壓控制的邏輯流程。從左到右，圖表展示了直流鏈電壓控制的各個步驟，包括控制方程、工作模式、變壓器轉換比和平均電感電流等。這個圖表可以幫助讀者更好地理解直流鏈電壓控制的原理和過程。
內容解密：
以上的內容解釋了直流鏈電壓控制的原理和過程。控制方程是維持直流鏈電壓的關鍵，工作模式決定了系統的充電和放電過程。變壓器轉換比和平均電感電流等引數對於系統的設計和最佳化具有重要的意義。透過以上的內容，讀者可以更好地理解直流鏈電壓控制的技術和原理。
電感器設計公式
在設計電感器時，需要考慮電流和電壓的波動情況。假設電流波動為40%，我們可以使用以下公式計算電感值：
$$ \Delta i = 0.4 \times i $$
$$ L = \frac{V \times D}{4 \times f \times \Delta i} $$
其中，$L$代表電感值，$V$代表電壓，$D$代表佔空比，$f$代表頻率，$\Delta i$代表電流波動。
如果我們假設電壓波動為5%，則可以使用以下公式計算電壓波動：
$$ \Delta V = 0.05 \times V $$
此外，還有一個相關的公式：
$$ \Delta V = \frac{1}{2} \times \frac{V}{D} \times \frac{\Delta i}{i} $$
這些公式對於設計電感器和了解電流、電壓波動的關係非常重要。透過這些公式，我們可以計算出電感器的電感值和電壓波動，從而設計出更好的電感器。
13.5 模擬結果分析
本節將對模擬結果進行全面分析。在模式 1 運作期間，充電和放電由玄貓控制。表 13.1 顯示了轉換器的設計規格。
圖 13.7 顯示了在 V2G 和 G2V 運作期間，透過電感器 L 的理論電流波形。
13.5.1 模式 1 和模式 2 運作
圖 13.8a 和 b 顯示了在 G2V 運作期間，牽引電池的電流和電壓波形。在 G2V 運作期間，直流連線點上保持 350 V 的恆定值，如圖 13.8c 所示。
電感器 L 的電流方向會隨著運作模式的變化而改變。隨著功率流動的逆轉，電流狀態也會逆轉，這在圖 13.8d 中透過電感器 L 的電流表示。
直流連線點電壓是在電容器 C 和 C 上獲得的，電容器上各有一半電壓，如圖 13.8e 和 f 所示。在模式 2 運作期間，由於電流方向的逆轉，波形將會逆轉。
模式 2 對應於 V2G 運作，牽引電池中的功率被轉移到電網。由於牽引電池被放電以供應電網，電池的系統晶片（SoC）逐漸減少，如圖 13.9a 所示。電路中的電流被逆轉，這透過電感器 L 的電流方向在圖 13.9b 中示出。
13.5.2 模式 3 - 高功率低電壓迴路
在模式 3 運作期間，牽引電池放電以充電輔助電池。輔助電池在模式 3 運作期間的電壓和電流波形在圖 13.10a 和 b 中表示。牽引電池的放電透過圖 13.10c 中的 SoC 減少表示。電感器 L 的電流在圖 13.10d 中表示。
13.5.3 模式 4 - 低功率低電壓迴路
在模式 4 運作期間，半橋 LLC 共振轉換器被開啟。開關的切換頻率保持在 100 kHz，高電壓（HV）充電和 LP-LVC 同時運作。圖 13.11a 和 b 顯示了輔助電池上的所需輸出電流和電壓值。
表 13.1
轉換器設計規格
引數 值
電網電壓 230 V RMS
電網頻率 50 Hz
切換頻率 100 kHz
直流連線點電壓 350 V
flowchart TD
A[模式 1] --> B[充電和放電]
B --> C[牽引電池]
C --> D[電感器 L]
D --> E[電流方向]
E --> F[模式 2]
F --> G[放電]
G --> H[系統晶片（SoC）]
H --> I[電網]
圖表翻譯：
本圖表示了轉換器在不同模式下的運作流程。在模式 1 中，充電和放電由玄貓控制，牽引電池被充電。在模式 2 中，牽引電池被放電以供應電網，系統晶片（SoC）逐漸減少。在模式 3 中，牽引電池放電以充電輔助電池。在模式 4 中，半橋 LLC 共振轉換器被開啟，高電壓（HV）充電和 LP-LVC 同時運作。
電動車充電系統中的雙向轉換器拓樸
電動車（EV）充電系統中，雙向轉換器拓樸是一種重要的技術，能夠實現車輛與電網之間的雙向能量流動。這種拓樸結構可以提高充電效率、降低能耗，並且可以實現車輛對電網的支援。
雙向轉換器的工作原理
雙向轉換器是一種可以實現雙向能量流動的電力電子裝置。它可以將直流電轉換為交流電，也可以將交流電轉換為直流電。這種轉換器通常使用在電動車的充電系統中，能夠實現車輛與電網之間的能量交換。
雙向轉換器的拓樸結構
雙向轉換器的拓樸結構通常包括以下幾個部分：
- Grid inductor（Ls）：4 μH
- 牽引電池電壓：250-430 V
- 牽引電池充電器功率：2 kW
- 輔助電池電壓：12-14 V
- 高壓低壓轉換器（HP-LVC）功率：1 kW
- 低壓低壓轉換器（LP-LVC）功率：0.5 kW
- 變壓器變比：25:1
- 共振電感（L4）：68 μH
- 共振電容（C5）：74 nF
- 共振電感（L5）：34 μH
- 共振電容（C6）：37 nF
雙向轉換器的工作模式
雙向轉換器的工作模式可以分為三種：
- 模式1：在這種模式下，雙向轉換器可以將電網的交流電轉換為直流電，然後充電到車輛的牽引電池中。
- 模式2：在這種模式下，雙向轉換器可以將車輛的牽引電池中的能量轉換為交流電，然後輸出到電網中。
- 模式3：在這種模式下，雙向轉換器可以將車輛的輔助電池中的能量轉換為直流電，然後充電到車輛的牽引電池中。
雙向轉換器的優點
雙向轉換器具有以下幾個優點：
- 提高充電效率：雙向轉換器可以提高充電效率，降低能耗。
- 實現車輛對電網的支援：雙向轉換器可以實現車輛對電網的支援，提高電網的穩定性。
- 提高車輛的續航里程：雙向轉換器可以提高車輛的續航里程，降低車輛的能耗。
電動車用雙向變換器拓樸
電動車（EV）已成為未來交通的重要趨勢，而電動車的充電系統是其發展的關鍵技術之一。雙向變換器（Bidirectional Converter）是電動車充電系統中的重要元件，可以實現車輛和電網之間的雙向能量流動。
雙向變換器的工作原理
雙向變換器的工作原理是透過控制開關元件的導通和關斷，實現電能的雙向流動。在充電模式下，變換器將電網的交流電轉換為直流電，然後充電給電動車的電池。在放電模式下，變換器將電動車的電池電轉換為交流電，然後輸出給電網。
雙向變換器的拓樸結構
雙向變換器的拓樸結構可以分為兩大類：隔離式和非隔離式。隔離式變換器使用變壓器或其他隔離元件，實現電動車和電網之間的電氣隔離。非隔離式變換器則不使用隔離元件，直接將電動車和電網連線在一起。
雙向變換器的優點
雙向變換器具有多個優點，包括：
- 實現電動車和電網之間的雙向能量流動
- 提高電動車的充電效率和速度
- 降低電動車的能耗和排放
- 提供電網的穩定和支援
雙向變換器的應用
雙向變換器的應用包括：
- 電動車充電系統
- 電網儲能系統
- 微電網系統
- 智慧電網系統
內容解密：
雙向變換器的工作原理和拓樸結構是其核心技術。變換器的控制和設計是其實現雙向能量流動的關鍵。雙向變換器的優點和應用是其發展的重要驅動力。
圖表翻譯：
圖13.9（b）展示了電流透過L的變化情況。圖13.10（d）展示了電流透過共振電感的變化情況。圖13.11展示了模式4操作下的波形，包括電流和電壓。圖13.12（a）展示了高壓電池的輸出電壓在模式1操作下的變化情況。圖13.12（b）展示了變換器的效率在模式1操作下的變化情況。
flowchart TD
A[電動車] --> B[雙向變換器]
B --> C[電網]
C --> D[電能儲存]
D --> E[電能放出]
E --> F[電動車]
圖表翻譯：
此圖展示了電動車、雙向變換器、電網、電能儲存和電能放出的關係。雙向變換器是電動車和電網之間的重要介面，實現電能的雙向流動。
14.1 簡介
近年來，許多直流-交流逆變器已被開發用於太陽能光伏應用。其中，分離源逆變器（Split-Source Inverter, SSI）因其單階段操作而受到歡迎。SSI具有多個優點，包括消除額外的切換狀態以提高輸入電壓，並且具有最小化的電壓尖峰、開關電壓應力和被動元件數量，以及連續的直流鏈電壓和輸入電流。本章介紹了一種單向直流-交流配置的SSI，其與傳統配置不同。它具有更高的效率、更低的總諧波失真（Total Harmonic Distortion, THD）係數和更高的功率密度。所提出的逆變器與其他電壓源逆變器（如阻抗源逆變器和準阻抗源逆變器）進行比較，比較內容包括效率和THD。使用MATLAB/SIMULINK進行模擬研究，結果表明SSI具有更好的電壓增益和更高的功率密度。
14.2 逆變器拓撲研究
14.2.1 電壓源逆變器
電壓源逆變器（Voltage-Source Inverter, VSI）是一種基本的逆變器，將直流電壓轉換為交流電壓。VSI的拓撲如圖14.1所示，主要用於分散式發電系統的電網介面。VSI通常使用金氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）因其高通關速度，可以提供高效率的輸出。然而，VSI的輸出電壓富含低階諧波，因此需要採用其他單階段轉換技術來避免這些諧波。
14.2.2 阻抗源逆變器
阻抗源逆變器（Z-Source Inverter, ZSI）是一種新型的逆變器，使用阻抗網路將轉換器耦合到源端。ZSI可以實現單階段的直流-交流轉換，具有 buck-boost 功能。ZSI的輸出電壓可以透過調整開關的佔空比來變化。ZSI除了具有正常的兩個活躍狀態和零狀態外，還有一個額外的射穿狀態。在活躍狀態下，ZSI的操作類似於正常的VSI，而在零狀態下，負載端是開路的。在射穿狀態下，阻抗網路被短路以儲存能量，然後在活躍狀態下釋放能量，提供提升功能。ZSI的拓撲如圖14.2所示。
14.2.3 準阻抗源逆變器
準阻抗源逆變器（Quasi-Z-Source Inverter, qZSI）是一種改進的ZSI，具有連續的輸入電流。qZSI繼承了ZSI的優點，並且具有更好的輸入電流質量。然而，qZSI的電壓增益較低，因此需要其他拓撲來實現高電壓增益的應用。
14.2.4 單相分離源逆變器
單相分離源逆變器（Single-Phase Split-Source Inverter, SSSI）是一種新型的逆變器，具有連續的輸入電流和直流鏈電壓。SSSI具有高電壓增益和更高的功率密度，且不需要額外的切換狀態來提升輸入電壓。SSSI的拓撲如圖14.3所示。
14.3 不同拓撲的模擬
使用MATLAB/SIMULINK進行模擬研究，比較了ZSI、qZSI和SSI的效能。模擬結果表明，SSI具有更好的電壓增益和更高的功率密度。
14.4 比較和結果
比較了ZSI、qZSI和SSI的效率和THD，結果表明SSI具有更高的效率和更低的THD。
14.2.3 類Z源逆變器（quasi-Z-source inverter）
類Z源逆變器（qZSI）是一種特殊的逆變器拓撲結構，與Z源逆變器（ZSI）相似，利用射穿狀態（shoot-through state）來提升輸入電壓。在這個狀態下，阻抗網路儲存磁能，而不短路電容器。這些能量隨後被傳遞給負載，從而提升輸出電壓。類Z源逆變器具有連續和恆定的輸入電流。
在射穿狀態下，二極體被關閉，電感器透過電容器被激磁。在空閒狀態下，負載被開路，即逆變器電路和阻抗電路之間沒有連線，電容器在這個狀態下被充電。最後，在活躍狀態下，輸入電壓和電感器為逆變器側提供能量。
圖14.3展示了類Z源逆變器的電路圖。
類Z源逆變器的設計方程式：阻抗引數的設計使用方程式（14.3）和（14.4）[3]。
1 2 0
= = ∆L L V T I
c L
（14.3）
1 2 0
= = ∆C C I T V
av c
（14.4）
其中，L1和L2是電感，C1和C2是電容，ΔI L是電感L1和L2的電流漣動，ΔVc是電容的電壓漣動。
這些方程式是設計類Z源逆變器的關鍵，需要根據具體的應用需求和引數進行計算和最佳化。類Z源逆變器的優點包括輸入電壓的提升、輸出電壓的穩定和效率的提高，廣泛應用於新能源發電、電動汽車和工業自動化等領域。
單相分離源逆變器（SSSI）的設計與分析
單相分離源逆變器（SSSI）是一種改進的拓樸結構，旨在克服Z源逆變器和準Z源逆變器的限制。SSSI的設計包括一個電感器和電容器，連線在直流側的逆變器上。這種設計可以減少電感器在換接路徑上的電感，從而提高逆變器的效能。
SSSI的工作模式
SSSI有四個換接狀態，包括兩個主動狀態（A1和A2）和兩個零狀態（Z1和Z2）。電感器在A1、A2和Z1狀態下充電，而在Z2狀態下電感器放電，並透過反向二極體（Da和Db）為電容器充電。SSSI的工作模式如圖14.5（a）-（d）所示。
SSSI的優點
SSSI具有以下優點：
- 減少電感器在換接路徑上的電感
- 可以使用傳統的換接狀態來提高輸入電壓
- 可以使用解耦電容器來最小化開關上的電壓尖峰
SSSI的模擬
SSSI的模擬使用MATLAB/SIMULINK進行。模擬結果表明，SSSI具有良好的效能和高效率。
模擬結果
SSSI的模擬結果如圖14.4和圖14.5所示。結果表明，SSSI可以有效地提高輸入電壓和減少開關上的電壓尖峰。
圖表翻譯：
上述Mermaid圖表描述了SSSI的工作模式。圖表中，A1和A2代表主動狀態，Z1和Z2代表零狀態。電感器在A1、A2和Z1狀態下充電，而在Z2狀態下電感器放電，並透過反向二極體為電容器充電。這個圖表清晰地展示了SSSI的工作原理和電路結構。
14.3.1 鉗位脈衝產生對於各種拓撲結構的影響
在開關電源和變頻器中，控制策略的選擇對於系統的效能和效率有著重要的影響。以下將介紹幾種常見的控制方法及其對於不同拓撲結構的影響。
14.3.1.1 簡單提升控制（Simple Boost Control, SBC）方法
SBC方法是一種常見的控制策略，透過使用兩個常數訊號作為參考來生成ZSI和qZSI的射穿脈衝。圖14.6展示了SBC控制對於ZSI和qZSI的實現。
從技術架構視角來看，本文深入探討了多種電力電子轉換器拓撲，包含APD、雙向轉換器以及分離源逆變器（SSI），涵蓋了電動車充電、電網互動以及太陽能光伏應用等多個領域。分析比較了不同拓撲的優缺點、工作模式、設計公式以及模擬結果，尤其著重於SSI在效率、THD以及功率密度方面的優勢。然而，文章在不同拓撲之間的銜接略顯不足，部分公式的應用場景缺乏更清晰的說明，例如電感器設計公式中電壓波動的計算方法及目的。展望未來，隨著電動車和可再生能源的普及，更高效、更可靠的電力電子轉換器將扮演至關重要的角色。開發更先進的控制策略、拓撲結構以及新型材料將是未來研究的重點方向。對於工程師而言，深入理解不同拓撲的特性並根據實際應用場景選擇合適的方案至關重要。玄貓認為，SSI等新型拓撲結構展現出相當大的應用潛力，值得業界持續關注和深入研究。
