李哲昊 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院

電動汽車充電站優(yōu)化控制研究

李哲昊 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院

開發(fā)替代燃料和電動汽車，是解決環(huán)境問題的重要手段之一。本文重點分析了電動汽車充電站的設(shè)計及實驗，為電動汽車充電站設(shè)計提供技術(shù)參考。

燃料；電池；動力系統(tǒng)

1.電動汽車充電站現(xiàn)狀

電動汽車充電站從供電電源提取能量，以合適的方式傳遞給蓄電池，從而建立了供電電源與蓄電池之間的功率轉(zhuǎn)換接口。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以分為車載充電站、地面充電站、傳導(dǎo)式充電站和感應(yīng)式充電站、普通充電站和多功能充電站。

大功率地面充電站以傳導(dǎo)式大功率地面充電站占據(jù)主要位置，基本上是采用三相交流電作為輸入電源，經(jīng)過二極管整流橋和LC濾波環(huán)節(jié)獲得直流母線電壓，再采用隔離型全橋式DC-DC變換器進(jìn)行電壓變換。可用的隔離型全橋式DC-DC變換器拓?fù)浒ㄓ查_關(guān)PWM變換器、串聯(lián)/并聯(lián)諧振變換器、雙有源橋式變換器、移相式全橋變換器等。其中，硬開關(guān)PWM變換器的主電路結(jié)構(gòu)最簡單，控制方法最簡單，磁性器件（包括隔離變壓器、輸出濾波電感等）的設(shè)計和制作也最簡單，從而成為技術(shù)最為成熟、應(yīng)用也最多的大功率充電站拓?fù)洹５泊嬖谥_關(guān)頻率低、噪聲大、體積大等缺點。更為先進(jìn)的大功率充電站正在不斷出現(xiàn)，并投入到了實際的應(yīng)用中。

2.充電站的電氣參數(shù)及其技術(shù)指標(biāo)建議

作為一個提供電源的電器設(shè)備，其銘牌標(biāo)識的電氣參數(shù)要以便于消費者選擇和使用。在此建議的電氣參數(shù)及其技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電源：AC380V；

穩(wěn)流精度：1%；

穩(wěn)壓精度：1%；

滿載效率：＞91%；

滿載功率因數(shù)：＞0.9；

使用環(huán)境溫度：?20～50℃；

最高輸出電壓：串聯(lián)電池的個數(shù)×電池充電限制電壓×k（k為系數(shù)，由電池廠家提供）；

最低輸出電壓：串聯(lián)電池的個數(shù)×電池放電限制電壓；

最大輸出電流：按蓄電池廠家提供數(shù)據(jù)確定；

最低充電電流：按蓄電池廠家提供數(shù)據(jù)確定；

最大輸出功率：Umax×Imax。

3.充電站連接器設(shè)計

充電站通過連接器與被充電對象連接，也就是說，連接器是能源補給系統(tǒng)中一個非常關(guān)鍵的部件，要求其可靠性高，使用方便，而且形成標(biāo)準(zhǔn)件。在此建議連接器的插接次數(shù)要求達(dá)20000次，通訊線和充電線的插接口在同一連接器上，并且兩者形成閉鎖的狀態(tài)，以保證充電站及充電站操作人員的安全。

4.充電站功能模塊及其推薦方案

充電站以三相交流電為輸入電源，采用高頻隔離型橋式DC/DC變換技術(shù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的充電過程參數(shù)對電動汽車串聯(lián)蓄電池組進(jìn)行充電。

電動汽車充電站的功能模塊主要包括：①輸入整流裝置；②DC/DC變換器；③驅(qū)動脈沖生成及調(diào)節(jié)系統(tǒng)；④保護(hù)系統(tǒng)；⑤單片機（CPU）控制系統(tǒng)；⑥人機接口等部分組成。

4.1 輸入整流裝置

輸入整流裝置對三相交流電進(jìn)行整流，經(jīng)過濾波后，形成穩(wěn)定的直流母線電壓，以提供給后級DC/DC變換器。輸入整流裝置包括快速熔斷器、三相整流橋、預(yù)充電電阻和繼電器、濾波電感、直流母線支撐電容和濾波電容、電感能量泄放二極管等元件組成。

4.2 DC/CD變換器

DC/DC變換器為隔離型橋式變換器，主要包括主功率開關(guān)管IGBT、高頻變壓器、輸出整流橋、輸出濾波電感和電容、輸出逆止二極管、輸出繼電器、快速熔斷器及開關(guān)器件緩沖電路等。

DC/DC變換器在控制系統(tǒng)的控制下，采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，提供恒定電流輸出或恒定電壓輸出，滿足蓄電池組的充電要求。

4.3 驅(qū)動脈沖生成、調(diào)節(jié)及保護(hù)系統(tǒng)

驅(qū)動脈沖生成、調(diào)節(jié)及保護(hù)系統(tǒng)為充電站的低層控制系統(tǒng)，主要包括信號采樣和調(diào)理電路、PWM生成集成電路、故障保護(hù)邏輯電路、閉環(huán)控制調(diào)節(jié)電路和并聯(lián)運行均流電路等部分。

驅(qū)動脈沖生成、調(diào)節(jié)及保護(hù)系統(tǒng)直接控制DC/DC變換器完成功率變換，并且提供完善的保護(hù)功能。

4.4 單片機（CPU）控制系統(tǒng)

單片機（CPU）控制系統(tǒng)為充電站的頂層控制系統(tǒng)，主要包括單片機（CPU）及其基本外圍電路、數(shù)字量處理電路、模擬量處理電路、RS-485通信接口、CAN通信接口、按鍵輸入電路及顯示電路等部分。

單片機（CPU）控制系統(tǒng)接受人工輸入或其它設(shè)備的控制指令，控制驅(qū)動脈沖生成系統(tǒng)的啟動與停止，從而控制充電站的啟動與停機，并可將充電站運行數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或傳輸給上層監(jiān)控計算機。

4.5 人機接口

人機接口部分由按鍵和數(shù)碼管（或液晶顯示屏）組成，并且具有計算機遠(yuǎn)程監(jiān)控、車輛充電控制等功能。充電站帶有通信接口，可以組成計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由監(jiān)控計算機監(jiān)視和記錄每臺充電站的運行數(shù)據(jù)、修改每臺充電站的運行參數(shù)、控制充電站的啟動和停機。電動汽車既可以通過通信接口對充電站進(jìn)行控制，也可以通過充電控制邏輯單元控制充電站的啟動與停機。

此外，充電站應(yīng)具有完善的保護(hù)功能，可以對操作人員、蓄電池組、充電站自身都提供可靠的保護(hù)。人機接口部分能及時可靠的顯示充電站故障，并提供簡單明了的故障排除指示。

4.6 internet 接口

考慮發(fā)展，未來電動汽車充電站與供電變電站協(xié)調(diào)管理，在充電（機）站設(shè)計internet接口，可與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)相連，充電（機）站通信協(xié)議與電網(wǎng)通信協(xié)議統(tǒng)一，實現(xiàn)充電（機）站內(nèi)統(tǒng)一監(jiān)控及無人值守站的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳。

4.7 電能計量

作為電網(wǎng)的負(fù)荷，充電（機）站能夠提高電能在我國終端能源消費結(jié)構(gòu)中的比例，采用夜間或低谷負(fù)荷期完成充電有利于電網(wǎng)調(diào)節(jié)峰谷平衡，其用電量的計量是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因此，充電（機）站的用電量計量應(yīng)考慮適應(yīng)不同用戶需要，并與電網(wǎng)自動化現(xiàn)狀相適應(yīng)，實現(xiàn)交流和直流電能顯示，同時考慮與電力系統(tǒng)遠(yuǎn)方抄表和計費自動化系統(tǒng)連接的可能。

5.結(jié)語

目前很多電池管理系統(tǒng)應(yīng)用某一類型的電池時效果很理想，但卻難以應(yīng)用到其它類型的電池上。因此，研究更具有通用性的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)成為目前的發(fā)展方向。

[1]熊腡成. 基于多尺度空間層次聚類的電動汽車充放電優(yōu)化調(diào)度[D].長沙理工大學(xué)，2013.

[2]陳奇芳. V2G充電站與電網(wǎng)協(xié)調(diào)策略及通信研究[D].湘潭大學(xué)，2013.

[3]孫曉明. 電動汽車充電電價時段劃分方法及有序充電策略研究[D].北京交通大學(xué)，2014.