陳滋健

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230088）

引言

當(dāng)今世界，低碳經(jīng)濟(jì)已融入整個(gè)社會(huì)的主流意識(shí)。在此背景下，電動(dòng)汽車展現(xiàn)出了廣闊的前景。充電配套設(shè)施是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)。不論是充電式混合動(dòng)力汽車還是純電動(dòng)汽車,都離不開(kāi)充電站的支持。直接利用現(xiàn)有電網(wǎng)服務(wù)于新能源電動(dòng)汽車充電存在一定發(fā)展瓶頸。例如，快速充電和電網(wǎng)容量的矛盾、用電離散化問(wèn)題、大量充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染問(wèn)題、電網(wǎng)能量?jī)?chǔ)存與調(diào)配問(wèn)題，因此發(fā)展新型的綠色能源綜合供電方案顯得尤為迫切。

太陽(yáng)能和風(fēng)能是兩種重要的可再生資源。但由于受季節(jié)更替和天氣變化的影響，它們都屬于不連續(xù)能源，而風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能電站則充分利用了兩種能源的互補(bǔ)性，能夠把分布不均或斷斷續(xù)續(xù)的太陽(yáng)電和風(fēng)電儲(chǔ)存下來(lái)，讓清潔的“綠電”隨著用電的實(shí)際需求適時(shí)、適量地輸出。

本文論證并設(shè)計(jì)了集太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)能利用、電池儲(chǔ)能技術(shù)、高效DC-DC變換、電動(dòng)車充電等多種新能源應(yīng)用為一體綜合電源供電電動(dòng)汽車充電站，探索真正的新能源汽車能量供給解決方法。

1 電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池的充電需求

鋰離子動(dòng)力電池具有能量密度和體積密度高、工作電壓高、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電低又無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車的理想動(dòng)力源，完全能夠滿足電動(dòng)汽車的要求。

鋰離子動(dòng)力電池的物理模型如圖1（a）所示。CE用于描述電池容量和電池的開(kāi)路電壓（OCV），開(kāi)路電壓OCV與電池的荷電狀態(tài)（SOC）相關(guān)。用R0表示電池的等效歐姆內(nèi)阻，用時(shí)間常數(shù)較小的R1C1描述鋰離子在電極間傳輸受到的阻抗，用時(shí)間常數(shù)較大的R2C2描述鋰離子在電極材料中擴(kuò)散時(shí)受到的阻抗。

圖1（b)表明了鋰離子動(dòng)力電池的充電曲線。其中，a時(shí)段為恒流階段，b時(shí)段屬于恒壓階段，c時(shí)段屬于涓流階段。在恒流階段，充電電流為n×C，其中n為充電系數(shù)，C為電池容量。n越大，則充電速度越快。

電動(dòng)汽車充電速度太慢不利于電動(dòng)汽車發(fā)展，對(duì)外營(yíng)業(yè)的充電站必須具備快充功能，時(shí)間15～20 min應(yīng)能充80%以上。鋰離子動(dòng)力電池的最大允許充電電流比相同容量的鉛酸電池大，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較快速的充電，目前一般的鋰離子動(dòng)力電池可以實(shí)現(xiàn)1～2 C充電，新型快速充電鋰電池可達(dá)10 C。而傳統(tǒng)鉛酸電池的推薦值是0.14 C。但是由于鋰電池組是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其最大允許充電電流與電池容量Q、溫度T、電池的荷電狀態(tài)SOC、電池的老化程度SOH以及電池的一致性EQ均有重要關(guān)系，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性，鋰電池組的最大允許充電電流Imax為：

由于鋰離子動(dòng)力電池的過(guò)充電能力較弱，不能像鉛酸電池一樣通過(guò)充電后期的涓流充電實(shí)現(xiàn)均衡，所以即便在電池出廠時(shí)進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，使用一段時(shí)間后，單體電池之間的容量依然會(huì)出現(xiàn)差異，這樣在充電過(guò)程中勢(shì)必出現(xiàn)部分電池先充滿電的現(xiàn)象發(fā)生。因此必須采用協(xié)調(diào)配合的充電模式，即充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)(BMS)協(xié)同工作。BMS是對(duì)電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設(shè)備,它能使充電機(jī)實(shí)時(shí)地了解電池的信息，從而有效地解決部分電池的過(guò)充電問(wèn)題。

電動(dòng)汽車是新能源汽車，為其動(dòng)力電池充電的最終能源供給應(yīng)當(dāng)是清潔綠色能源。如果只用傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電方式，快充時(shí)電流很大，巨大的充電電流對(duì)電網(wǎng)安全也形成極大的威脅，未來(lái)電動(dòng)車普及以后對(duì)整個(gè)電網(wǎng)是災(zāi)難性的。電動(dòng)汽車的目的是為了節(jié)能減排，傳統(tǒng)電網(wǎng)的電力大部分來(lái)自火力發(fā)電，這樣只是適當(dāng)改善了城市空氣質(zhì)量，但對(duì)于整個(gè)地球生態(tài)來(lái)說(shuō)，節(jié)能減排貢獻(xiàn)也不大，因此采用新型能為電動(dòng)汽車充電是一個(gè)重要的研究與發(fā)展課題。

總之，電動(dòng)汽車對(duì)充電設(shè)施的要求主要體現(xiàn)在快速化、智能化、低碳化?；陲L(fēng)光互補(bǔ)綜合供電的電動(dòng)汽車充電站很好地滿足了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電要求，具有良好的發(fā)展前景。

2 充電站硬件組成和軟件平臺(tái)

2.1 硬件組成

整個(gè)充電站系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、風(fēng)機(jī)、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、儲(chǔ)能蓄電池、非隔離型離網(wǎng)逆變器、快速充電通道組成，如圖2所示。

光伏電池陣列和風(fēng)機(jī)通過(guò)模式轉(zhuǎn)換器接至風(fēng)光互補(bǔ)控制器，將太陽(yáng)能或風(fēng)能高效地轉(zhuǎn)為儲(chǔ)能蓄電池的化學(xué)能，由于光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的能量都是隨著外部條件變化而變化的，因此兩種能源的提供都需要設(shè)置最大功率點(diǎn)跟蹤功能（MPPT）。為使系統(tǒng)性得到提高，滿足電動(dòng)汽車快速充電需求，儲(chǔ)能蓄電池也采用鋰離子動(dòng)力電池。用于充電的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用非隔離型式，因儲(chǔ)能電池的電壓選用較高的電壓值，本文所述系統(tǒng)為DC288 V。

儲(chǔ)能電池是直流形式輸出電能，可以通過(guò)兩種途徑為電動(dòng)汽車充電。一種是離網(wǎng)逆變器配合車載充電機(jī)模式，另一種是DC/DC快速充電通道模式。

離網(wǎng)逆變器主要適用于小型汽車的車載充電，為其提供交流形式的電力。由于小型電動(dòng)汽車的車載充電機(jī)一般是基于高頻開(kāi)關(guān)電源的AC/DC變換器，前級(jí)多為二極管全橋整流的形式，離網(wǎng)逆變器可采用修正正弦波型。即可提高充電站的性價(jià)比，也能省卻車載充電機(jī)中的PFC電路。修正正弦波如圖3所示，它容易整流形成平穩(wěn)的直流輸出，對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源類負(fù)載非常適用，因?yàn)榇祟愲娫醋罱K需要的是平穩(wěn)的直流母線電壓而不是正弦交流電壓。

圖3 修正正弦波逆變器輸出波形

DC/DC快速充電通道模式是本文所述充電站的亮點(diǎn)。該模式適用于電動(dòng)大巴和電動(dòng)小汽車的快速充電，其關(guān)鍵部件是高頻高效軟開(kāi)關(guān)的能量雙向流動(dòng)DC/DC變換器。該變換器采用ZVS-CV軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 ZVS-CV軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器

只要滿足每個(gè)開(kāi)關(guān)周期諧振電感能量能夠抽走開(kāi)關(guān)并聯(lián)諧振電容的能量，即可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)：

變換器采用可變電流滯環(huán)控制方法,確保不同電壓電流情況下每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期諧振電感都有最小儲(chǔ)能電流Imin，以實(shí)現(xiàn)全程軟開(kāi)關(guān)[3]，大大提高電能轉(zhuǎn)換效率。

由于本文所述的變換器具備能量雙向流動(dòng)的功能，因此可以電動(dòng)汽車的能量返回給儲(chǔ)能電站，實(shí)現(xiàn)能量的回饋[4]。更為重要的是，雙向的能量流動(dòng)為正負(fù)脈沖快速充電提供了條件。對(duì)于任何放電深度，一個(gè)電池的充電接受比與放電電流的對(duì)數(shù)成正比，可以通過(guò)提高放電電流來(lái)增大充電接受比[5]。如圖5所示，經(jīng)過(guò)T1時(shí)段的正向電流充電后，再經(jīng)過(guò)T3時(shí)段的放電，會(huì)有利于去極化，進(jìn)一步加快充電速度。在傳統(tǒng)電網(wǎng)供電模式中，放電脈沖一般依靠電阻泄放，大大降低了能量轉(zhuǎn)換效率，若采用交流電能回饋的方式，則會(huì)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。

圖5 雙脈沖快速充電波形

2.2 軟件平臺(tái)

充電站的軟平臺(tái)由底層數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用層信息管理組成。系統(tǒng)具體軟件構(gòu)成主要包括數(shù)據(jù)采集、氣象參數(shù)計(jì)算、數(shù)查存儲(chǔ)與查詢、報(bào)表輸出等部分。在VB平臺(tái)下開(kāi)發(fā)可視化人機(jī)界面，使用MSComm控制實(shí)現(xiàn)通訊功能，結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與管理。

車載BMS和充電站之間通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。DC/AC和DC/DC變換器均和監(jiān)控PC相連，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的監(jiān)控和起?？刂频?。充電過(guò)程被PC機(jī)記錄,并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理，監(jiān)控PC機(jī)與打印機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表的打印。

應(yīng)用層軟件建設(shè)主要包括充電計(jì)費(fèi)系統(tǒng)管理平臺(tái)、充電計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)、充電計(jì)費(fèi)系統(tǒng)查詢平臺(tái)，分別對(duì)系統(tǒng)涉及到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式管理、電動(dòng)汽車的充放電及購(gòu)電用戶的充值進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理，以及對(duì)它們產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合查詢。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

本文論述的充電站系統(tǒng)最大發(fā)電功率為30 kWp，其中光伏組件采用120塊多晶硅電池板構(gòu)成，每塊功率240 Wp。充電站每年可發(fā)電近4萬(wàn)kWh。使用江淮同悅純電動(dòng)汽車進(jìn)行充電測(cè)試，充電8 h即能實(shí)現(xiàn)完全的車載充電過(guò)程。另外，同過(guò)DC/DC直接進(jìn)行快充，充電時(shí)間減為3.5 h，節(jié)省了能源和時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于風(fēng)光互補(bǔ)綜合供電的充電站解決方案是新能源汽車發(fā)展的重要子課題，有效地解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)供電模式和電動(dòng)汽車充電要求的矛盾。本文系統(tǒng)地提出了風(fēng)光互補(bǔ)的新型充電模式，對(duì)電能的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、變換和信息處理各個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了詳細(xì)闡述和論證。優(yōu)良的測(cè)試性能表明，基于風(fēng)光互補(bǔ)綜合供電的充電站具有良好的發(fā)展前景。

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