費(fèi)春國，王鵬鵬

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300)

智能有序充電控制系統(tǒng)設(shè)計

費(fèi)春國，王鵬鵬

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300)

隨著國家一系列相關(guān)優(yōu)惠政策的實(shí)施，電動車的數(shù)量將會逐步增多。關(guān)于電動車輛充電問題的研究，已從過去對于電池自身充電特性的探究轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘁蜃蛹s束下充電控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。針對電池自身物理特性所能承受情況、充電機(jī)輸出功率、傳輸電網(wǎng)容量與車主充電需求等因子，設(shè)計了多目標(biāo)有序充電控制系統(tǒng)。它能夠依照電池自身特點(diǎn)與所處環(huán)境情況對車輛充電進(jìn)行智能化管控；采用循環(huán)掃描監(jiān)測與電路動態(tài)調(diào)整相結(jié)合的方法；在保證整個充電進(jìn)程安全的前提下，引入加權(quán)算子用于滿足車主不同的充電需求。隨著相關(guān)技術(shù)與器件的不斷進(jìn)步，該系統(tǒng)將逐步向小型、微型的便攜式產(chǎn)品演變，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

車輛充電；多因子；有序控制；循環(huán)掃描監(jiān)測；加權(quán)算子；動態(tài)調(diào)整

0 引言

社會高速發(fā)展，能源消耗巨大，為更加合理有效地使用能源，人們對能源結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化。電能因具備其他能源形式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)(易獲取、易傳輸、零排放、零噪聲等)，在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活中得到日益廣泛的應(yīng)用。在諸多領(lǐng)域中，逐步采用電能替代傳統(tǒng)能源形式(如油改電項(xiàng)目)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動車輛取代傳統(tǒng)燃油車輛的趨勢不可阻擋?，F(xiàn)今，在許多大中型城市，已經(jīng)采用電動車或者油氣混合車替代傳統(tǒng)燃油車。此外，國家政府也出臺相應(yīng)鼓勵優(yōu)惠政策促進(jìn)家庭電動車的推廣。電動車輛數(shù)目的增多，車輛充電成為了一個嚴(yán)重制約電動車輛推廣普及的重要因素。

截止到目前，關(guān)于電動車輛的充電研究主要包含[1-10]電池自身充電特性探究、電池 SOC(State of Charge)的估算方法、充電樁的監(jiān)測與設(shè)計、電池接入電網(wǎng)的諧波分析與影響、減弱諧波影響的方法、充電負(fù)載均衡問題、傳輸電網(wǎng)的分析等?？梢?，電動車輛的充電過程需要考慮諸多制約因素，且對于多因素的考慮十分必要。它們共同影響著整個充電過程的安全。

本文主要論述針對電池自身充電特性、充電機(jī)輸出功率、電網(wǎng)傳輸容量與車主充電需求等因子下，電動車輛有序充電問題的解決辦法；對該有序充電控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡述系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的設(shè)計思路與多因子調(diào)控優(yōu)化的邏輯流程。

1 系統(tǒng)概述

本文所述的多目標(biāo)有序充電控制系統(tǒng)[8-12]簡化架構(gòu)如圖1所示，主要包含控制器(檢測單元、分析單元與控制單元等)、充電車輛、充電機(jī)組/充電樁、傳輸電網(wǎng)等。控制器中分析單元根據(jù)檢測單元傳送的信號，結(jié)合相應(yīng)控制規(guī)則，將分析結(jié)果傳輸給控制單元；控制單元依照分析單元發(fā)送的信息執(zhí)行相應(yīng)操作，控制充電機(jī)組/充電樁的充電功率，從而實(shí)現(xiàn)電動車輛充電過程的調(diào)控。

圖1 有序充電系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Simplified block diagram of an ordered charging system

該系統(tǒng)設(shè)計主要考慮因素為電動車輛本身可承受的充電能力、充電機(jī)組/充電樁的輸出功率、電網(wǎng)當(dāng)前負(fù)荷與其他用戶用電情況、充電車輛業(yè)主的充電需求等。其中，電動車輛自身能夠承受的充電電流或充電電壓是系統(tǒng)設(shè)計考慮的關(guān)鍵因素，電池采用簡化電流源模型；它與充電機(jī)組/充電樁功率、電網(wǎng)當(dāng)前負(fù)荷與容量一起作為電動車輛充電調(diào)控過程中制約因素考慮；充電車輛業(yè)主的充電要求作為補(bǔ)充因素考慮；依照相關(guān)控制規(guī)則，綜合上述多個因子，控制電動車輛的充電進(jìn)程。

2 系統(tǒng)調(diào)控的邏輯說明

系統(tǒng)調(diào)控相關(guān)因子的處理流程[5,7,9,13-14]如圖 2所示。在充電開關(guān)閉合之后，首先進(jìn)行電路自檢，同時依照前述方法獲得依照電池自身特性的可承受最佳充電電流值。然后，檢測充電機(jī)組/充電樁當(dāng)前功率，判斷其是否處于負(fù)荷的情況下，并進(jìn)行相應(yīng)的功率調(diào)整。若充電機(jī)過載，則立即減小充電輸出功率；反之，檢測當(dāng)前電網(wǎng)容量，增大充電機(jī)輸出功率。判斷是否超出電網(wǎng)容量，保證電網(wǎng)運(yùn)行安全。

若上述三因子(電池承受能力、充電機(jī)負(fù)載、電網(wǎng)容量)均在安全運(yùn)行范圍之內(nèi)，檢測充電車輛業(yè)主需求。電路協(xié)調(diào)平衡模塊，依照充電車輛業(yè)主的優(yōu)先等級，在保證電池、充電機(jī)與電網(wǎng)運(yùn)行安全的前提下，動態(tài)分配調(diào)整充電機(jī)組的輸出功率，使得充電進(jìn)程安全有序進(jìn)行。

圖2 系統(tǒng)調(diào)控邏輯簡化流程圖Fig. 2 Simplified flowchart of the system’s logic regulation

電路協(xié)調(diào)平衡模塊中關(guān)于功率分配調(diào)整的策略可簡述為：首先，針對充電車輛業(yè)主的不同需求，設(shè)定不同的事件優(yōu)先級，并匹配相應(yīng)的權(quán)值；優(yōu)先級高的用戶，分配高權(quán)值，反之，分配低權(quán)值；處于同一優(yōu)先級，采用平均分配策略，處于不同優(yōu)先級，采用加權(quán)平均值的方法進(jìn)行功率分配。

式中：ia、ka為加權(quán)算子；iI、kI為調(diào)整前充電電流值；iI￠為調(diào)整后充電電流值；m為充電用戶數(shù)目。

3 電池監(jiān)測與調(diào)控

3.1 電池模型的搭建

在綜合大量研究文獻(xiàn)[11-12,14-16]的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際充電進(jìn)程中電池自身特性，將電池等效為如圖3所示的簡化模型，其中包含受控電流源、歐姆內(nèi)阻、并聯(lián)電容等。為使得后續(xù)調(diào)控過程中更加精準(zhǔn)，引入電流檢測與電壓檢測單元。

圖3 電池充電進(jìn)程中簡化模型Fig. 3 Battery simplified model in the charging process

電流檢測單元的電流信號通過安時積分器獲得充電進(jìn)程中電池SOC信息，經(jīng)修正函數(shù)Revise_Fcn調(diào)整之后，傳送給控制函數(shù)Control_Fcn。修正函數(shù)Revise_Fcn的作用關(guān)系可簡化為式(2)。

式中：C0為充電開始時電池SOC信息；Δ為充電過程中環(huán)境溫度的影響及車載BMS相關(guān)信息。

電壓檢測單元的電壓信號，主要包含電池開路電壓值Uk，充電進(jìn)程中的電壓值Ui。其中，Uk結(jié)合式(3)[17]，綜合電池SOC信息，遵照馬斯三定律，獲得充電進(jìn)程中僅考慮電池自身所能承受充電情況下的最佳起始電流值與電流衰減指數(shù)。Ui主要用于切換電池充電模式的參照與電池自身的安全保護(hù)，亦可用來對電池荷電狀態(tài)信息的修正(通常所得結(jié)果偏差稍大，不建議使用)。

3.2 電池檢測與調(diào)控

電池檢測與調(diào)控過程的簡化結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包含電池端電壓的檢測，電池電流的檢測，車載的通信、電池分析單元與控制單元等。該部分主要完成僅電池自身可承受能力條件下，分析獲得電池最佳起始電流值與電流衰減指數(shù)，為后續(xù)過程電流的調(diào)控提供參照值Iref，且無論影響充電過程的其他因素如何變化，圖4中，充電機(jī)組/充電樁的輸出電流都不應(yīng)超過該參照值 Iref；否則，將會對電池造成損害。Iref依照公式(10)變化。

下面論述充電進(jìn)程中電池所能承受最佳電流參照值Iref的獲取過程。

電池分析單元依照電壓檢測單元中電池開路電壓Uk，結(jié)合式(3)，獲得電池電解質(zhì)濃度dc。

圖4 電池檢測與調(diào)控結(jié)構(gòu)簡化框圖Fig. 4 Simplified block diagram of battery detection and control

式中：dc為電池電解質(zhì)濃度；Uk為電池開路端電壓；Cons為取決于電池特性的常數(shù)。

獲得dc后，運(yùn)用下述模糊推理規(guī)則[12]。

式中：X為模糊集合U的論域； ()xmU為模糊集合U的隸屬函數(shù)；Y為模糊集合I的論域； ()ymI為模糊集合I的隸屬函數(shù)；R為依據(jù)模糊關(guān)系確立的一個多級條件語句[17]。

可得考慮電池自身特性條件下，電池所能承受的最佳初始充電電流值Ij為

再結(jié)合式(2)與式(8)、式(9)，即可推得最佳電流衰減指數(shù)ja。

式中：C為電池總?cè)萘?；rejC 為開始充電時刻電池待充入電量。

式中，ja為遵循馬斯定律的最佳充電電流衰減指數(shù)。

將獲得的電池最佳充電電流參照值 Iref信息傳送給控制單元，作為控制單元控制充電機(jī)組/充電樁的一個原則性參照；控制單元依照最佳電流參照值Iref與其他充電信號信息向充電機(jī)組/充電樁發(fā)布調(diào)控指令，控制相關(guān)器件的導(dǎo)通角?？紤]到多數(shù)車載BMS中包含電池SOC信息，可以讀取其中信息作為本系統(tǒng)調(diào)控的參照或者修正依據(jù)，便于提升整個系統(tǒng)的控制精度。

4 充電機(jī)監(jiān)測與調(diào)控

4.1 充電機(jī)模型搭建

充電機(jī)可簡化[10,15,18-22]為圖 5所示，主要包含變壓器、晶閘管、壓控型/流控型/功率型變換器件等。通過編程控制脈沖觸發(fā)器的脈沖周期、相應(yīng)的發(fā)生時刻，脈沖觸發(fā)器的脈沖信號控制晶閘管器件的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)對電路通斷時間的控制；在經(jīng)過相應(yīng)的壓控型/流控型/功率型變換電路部分，完成對電池充電進(jìn)程中電流與功率的變換調(diào)控。

其中，編程控制部分的設(shè)計與實(shí)施，依照后述中多因子邏輯調(diào)控進(jìn)行?？蛇x用現(xiàn)行的DSP、FPGA等分析處理產(chǎn)品，亦可通過集散方式，通過后臺分析處理，只將結(jié)果反饋到充電機(jī)單元。

圖5 充電機(jī)簡化模型Fig. 5 Charger simplified model

4.2 充電機(jī)組/充電樁檢測與調(diào)控

充電機(jī)組/充電樁檢測與調(diào)控部分如圖6所示，主要包含電壓檢測、電流檢測、充電機(jī)分析單元與控制單元等。其中，電壓與電流檢測模塊完成對充電機(jī)電壓與電流信息的獲取，信號經(jīng)通信總線傳送給充電機(jī)分析單元；分析單元依照充電機(jī)額定功率與實(shí)際功率、當(dāng)前負(fù)載充電車輛情況，結(jié)合用戶充電需求與負(fù)載均衡規(guī)則，分析得到充電車輛的電流調(diào)控參照值，并將該參照值傳送給控制單元；控制單元依照該參照值與其他影響因子相應(yīng)參照值，經(jīng)圖6中函數(shù)變換后，得到脈沖觸發(fā)器的觸發(fā)角數(shù)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電進(jìn)程中的電流調(diào)控。

傳輸電網(wǎng)容量的檢測與充電機(jī)組/充電樁的檢測相類似，且無法對其進(jìn)行調(diào)控，故本文在此不再贅述。

圖6 充電機(jī)組/充電樁檢測與調(diào)控結(jié)構(gòu)簡化框圖Fig. 6 Simplified block diagram of charging unit/ charging pile detection and control

5 結(jié)論與應(yīng)用前景

本文所述的多目標(biāo)有序充電系統(tǒng)，相對于普通不可調(diào)控充電機(jī)，能夠在保證電池自身可承受能力范圍、充電機(jī)、傳輸電網(wǎng)運(yùn)行安全的前提下，對電池進(jìn)行有效快速充電，縮短充電時間。同時，能夠依照電網(wǎng)當(dāng)前負(fù)荷與電價情況、充電車輛業(yè)主的充電需求，動態(tài)調(diào)整分配各充電機(jī)的輸出功率，提升服務(wù)或?qū)嶋H使用進(jìn)程中的滿意度。在現(xiàn)行技術(shù)條件與設(shè)備配置條件下，可通過引入控制分析器與相應(yīng)檢測裝置實(shí)現(xiàn)所設(shè)計的系統(tǒng)功能；主要可用于充電站/充電樁的充電傳輸調(diào)控。

隨著電動車輛的普及，除去大規(guī)模大功率充電站/充電樁的建設(shè)之外，為滿足用戶實(shí)際使用的需求，社區(qū)或公共場所內(nèi)，中小功率可控可調(diào)整充電設(shè)備推出與使用勢在必行。

本文所述的多目標(biāo)有序充電系統(tǒng)，亦為類似情景提供一種行之有效的技術(shù)方案?，F(xiàn)今，市場中壓控型、流控型、功率型電力電子器件比較成熟，且產(chǎn)品種類與性能較之前有非常大的提升；用于分析計算的處理器(如DSP、FPGA、PLC等)，運(yùn)算分析能力亦可滿足系統(tǒng)設(shè)計需求，且價格在可接受范圍之內(nèi)。此外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微納技術(shù)的不斷發(fā)展，器件體積逐步縮減、性能逐步提升，具備所述功能的系統(tǒng)可逐漸向小型、微型化改進(jìn)，發(fā)展演變成為車載便攜式設(shè)備，達(dá)到能夠依照車輛自身特性與所處環(huán)境情況隨時隨地隨心充電的效果。

[1] CHOE S Y, LI X Y, XIAO M. Fast charging method based on estimation of ion concentrations using a reduced order of electrochemical thermal model for lithium ion polymer battery[C] // EVS27 International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, 2013, 17(20): 1-11.

[2] 郭煜華, 范春菊. 含大規(guī)模電動汽車的配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(8): 14-20. GUO Yuhua, FAN Chunju. Research on relaying technologies of distribution network including mass electric vehicles[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(8): 14-20.

[3] TANBOONJIT B, FUENGWARODSAKUL N H. Implementation of charger and battery management system for fast charging technique of Li-FePO4 battery in electric bicycles[C] // 2014 Ninth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), 2014: 1-5.

[4] 張巧霞, 賈華偉, 葉海明, 等. 智能變電站虛擬二次回路監(jiān)視方案設(shè)計及應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(10): 123-128. ZHANG Qiaoxia, JIA Huawei, YE Haiming, et al. Design and application of virtual secondary circuit monitoring in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(10): 123-128.

[5] 李秋碩, 肖湘寧, 郭靜, 等. 電動汽車有序充電方法研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(12): 32-38. LI Qiushuo, XIAO Xiangning, GUO Jing, et al. Research on scheme for ordered charging of electric vehicles[J]. Power System Technology, 2012, 36(12): 32-38.

[6] 曹秉剛. 中國電動車技術(shù)新進(jìn)展[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2007, 41(1): 114-118. CAO Binggang. Current progress of electric vehicle development in China[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2007, 41(1): 114-118.

[7] YAN Jingyu, XU Guoqing, QIAN Huihuan, et al. Model predictive control-based fast charging for vehicular batteries[J]. Energies, 2011(4): 1178-1196.

[8] 楊亞麗, 李匡成, 孫磊, 等. 改進(jìn)型協(xié)同控制算法在快速充電技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報, 2011, 25(5): 44-47. YANG Yali, LI Kuangcheng, SUN Lei, et al. Application of improved coordinate control algorithm to fast charging technique[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2011, 25(5): 44-47.

[9] MACHIELS N, LEEMPUT N, GETH F, et al. Design criteria for electric vehicle fast charge infrastructure based on flemish mobility behavior[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(1): 320-327.

[10] 楊亞麗, 孫磊, 李匡成, 等. 多用戶實(shí)時控制快速充電技術(shù)研究[J]. 電測與儀表, 2011, 48(10): 77-79. YANG Yali, SUN Lei, LI Kuangcheng, et al. A study of fast charging technology on multiple users real-time controlling[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2011, 48(10): 77-79.

[11] DHARMAKEERTHI C H, MITHULANANTHAN N, SAHA T K. Modeling and planning of EV fast charging station in power grid[C] // Power and Energy Society General Meeting, 2012 IEEE, 2012: 1-8.

[12] SORTOMME E, HINDI M M, JAMES S D, et al. Coordinated charging of plug-in hybrid electric vehicles to minimize distribution system losses[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2011, 2(1): 198-205.

[13] 嚴(yán)輝, 李庚銀, 趙磊, 等. 電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(12): 15-19. YAN Hui, LI Gengyin, ZHAO Lei, et al. Development of supervisory control system for electric vehicle charging station[J]. Power System Technology, 2009, 33(12): 15-19.

[14] MUSIO M, DAMIANO A. A simplified charging battery model for smart electric vehicles applications[C] // IEEE, 2014: 1357-1364.

[15] 劉志勇. 電動汽車充電站對電網(wǎng)的影響及有序充電控制策略的研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2013.

[16] 史鵬飛. 化學(xué)電源工藝學(xué)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2006.

[17] 陳倫瓊, 李蓓. 蓄電池初始充電電流策略及模糊邏輯控制[J]. 電源技術(shù), 2013, 137(10): 1809-1812. CHEN Lunqiong, LI Bei. Initial charging current strategy and mass theory control[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2013, 137(10): 1809-1812.

[18] 王大鵬. 灰色預(yù)測模型及中長期電力負(fù)荷預(yù)測應(yīng)用研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2013. WANG Dapeng. Research on grey prediction models and their applications in medium-and long-term power load forecastins[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Techndegy, 2013.

[19] ZHENG Yu, DONG Zhaoyang, YAN Xu. Electric vehicle battery charging/swap stations in distribution systems: comparison study and optimal planning[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2014, 29(1): 221-229.

[20] 王澄, 徐延才, 魏慶來, 等. 智能小區(qū)商業(yè)模式及運(yùn)營策略分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(6): 147-154. WANG Cheng, XU Yancai, WEI Qinglai, et al. Analysis of intelligent community business model and operation mode[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(6): 147-154.

[21] 薛定宇. 控制系統(tǒng)仿真與計算機(jī)輔助設(shè)計[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[22] 劉曉娟. 基于智能方法的電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測模型及其應(yīng)用研究[D]. 上海: 東華大學(xué), 2013. LIU Xiaojuan. Intelligent method based load forecasting models and application research in power system[D]. Shanghai: Donghua University, 2013.

(編輯 魏小麗)

System design of the intelligent orderly charging control

FEI Chunguo, WANG Pengpeng
(College of Aviation Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

With the implementation of a series of preferential policies, the number of electric vehicles will gradually increase. It has been loaded into an optimum design of charging control system under multi-factors from the inquiry of battery charging characteristic itself in the past about issues of charging an electric vehicle. For the affordability of the battery’s physical characteristics itself, the charger’s output power, the transmission grid’s capacity, the owners’ charging requirements and other factors, this paper designs the multi-objective ordered charging control system. It is capable of intelligently control vehicle charging according to the battery’s own characteristics and the environment situation. It uses a method which combines scan cycle monitoring with collaborative adjustment circuit. Under the premise of ensuring the charging process security, weighted operator is introduced in order to satisfy the needs of different user charging. With the progress of related technologies and devices, the system will gradually evolve towards small and micro portable products, which has a very broad application prospects.

vehicle charging; multiple factor; ordered control; scan cycle monitor; weighted priority; dynamic adjustment

10.7667/PSPC151109

：2015-09-01

費(fèi)春國(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法、電力系統(tǒng)負(fù)載優(yōu)化和工業(yè)控制等；E-mail：fchunguo@163.com

王鵬鵬(1989-)，男，碩士研究生，主要學(xué)習(xí)方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)負(fù)載優(yōu)化與控制等。E-mail：yantaiwpp@163.com