(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

電動汽車輔助充電系統(tǒng)研究

■詹華

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

為了改善電動汽車快速充電器的充電性能，本項目開發(fā)了一個電池輔助充電系統(tǒng)。所開發(fā)的系統(tǒng)主要由一個交流-直流變換器、一個直流-直流變換器、一個固定電池和一個電動汽車充電器組成。不同季節(jié)(冬季和夏季)充電率間的差異表明電動汽車電池的溫度(受到周圍溫度的影響)對充電率的影響：夏季的充電率高于冬季的充電率。此外，本項目在不同的季節(jié)(冬季和夏季)和不同的供電容量(50，30，和15kW)下進行了同步充電實驗。相比于常規(guī)的充電系統(tǒng)，本項目中開發(fā)的系統(tǒng)可以提高電動汽車充電器的充電性能，尤其在充電速率上有著很大的提升。同時，本系統(tǒng)將滿足電網(wǎng)的最大功率約束。

電動汽車 快速充電 電池輔助

1 簡介

隨著石油和天然氣價格的波動，電池技術(shù)的發(fā)展，以及電動汽車較低的環(huán)境污染度，電動汽車的開發(fā)和部署在近一段時間內(nèi)不斷加速。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車由于有著更高的總能效[1]，所以它的運行成本顯著降低。在我國，為貫徹落實國務(wù)院辦公廳《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》精神，利用價格杠桿促進電動汽車推廣應(yīng)用，電動汽車一年的總?cè)剂铣杀究梢孕∮谝惠v內(nèi)燃機汽車一年總?cè)剂铣杀镜?0%(在一年總里程數(shù)是10,000千米，夜間電價0.457元/kWh，汽油價6元/L，并且電動汽車的能耗是6km/kWh而內(nèi)燃機汽車的能耗是15km/L時的條件下)。此外，電動汽車的推廣可以加強對間歇性可再生能源資源的整合，減少溫室氣體排放量，并且提高電網(wǎng)效率和可靠性。

一般來說，電動汽車充電可以被分為以下幾類[2]：(1)慢速充電率0～4kW，(2)快速充電率10～20kW，(3)超快速充電率50kW甚至更高。在電動汽車起步最早的國家-日本，豐田和日產(chǎn)等日本大型汽車廠商制定了CHAdeMO標準，充電率在10～50kW之間。對于致力于推廣普及電動汽車的國家和組織來說，電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是重要的環(huán)節(jié)之一。截至2012年底，全世界建設(shè)公共充電樁數(shù)量已超過47900個；預(yù)計到2020年，全球?qū)⒂?40多萬個公共慢充樁和6000多個公共快充樁投入使用[3]。

迄今為止，由于電動汽車的普及率較低，它對于電網(wǎng)的影響可以被忽略不計。但是，從世界各國電動汽車保有量的迅速增長和相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展可以預(yù)見，電動汽車的全面發(fā)展和普及將勢不可擋，規(guī)?；\行指日可待。而電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是電動汽車產(chǎn)業(yè)推廣的前提和基石，完善高效的能源供給網(wǎng)絡(luò)是電動汽車規(guī)?；瘧?yīng)用的必要條件之一，具有廣泛的社會效益和潛在的經(jīng)濟效益。對于致力于推廣普及電動汽車的國家和組織來說，電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是重要的環(huán)節(jié)之一。隨著電動汽車數(shù)量的增長，對于電動汽車充電的電力需求會隨之增加，從而導(dǎo)致很多電網(wǎng)問題。Paul和Aisu計算了在東京電力公司網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍下快速充電對電力需求的影響，并證明由于快速充電產(chǎn)生的需求高峰會造成電網(wǎng)過載。舉例來說，假設(shè)有50%的車輛為電動汽車，其中50%需求快速充電，則這將增加7.31GW的電力需求(其中，車輛總數(shù)、充電時間和快速充電需要的時間分別為21065219輛、20min和12h)[4]。同時，Clement-Nyns等人解釋說，2013年比利時對于電動汽車充電的需求達到了總用電量的5%，造成了變壓器和饋線的能量損失和過載[5]。為了避免這些問題的出現(xiàn)，我們需要一個智能系統(tǒng)來解決這一問題，尤其是當多個電動汽車同時充電的情況。這一智能充電設(shè)施將配合電動汽車車主控制車輛的充電行為，來達到某些目標功能。例如，得到最小的電力使用量，減少GHG排放以及避免電線和變壓器飽和。同時，Kavousi-Fard等人在他們的論文中指出了微型電網(wǎng)中通過電動汽車充電管理來提高可再生能源利用率的可能性[6]。

多電動汽車同步充電會導(dǎo)致高電力需求，例如兩輛電動汽車同步充電可能帶來高達100千瓦 (30%SOC)的電力需求，但由于電網(wǎng)有著最高電力功率約束，多電動汽車同步充電將導(dǎo)致總功率被分散到各個電動汽車上，從而需要較長充電時間。此外，電動汽車在隊列中的等待和充電時間也會增加。對于這一問題，計劃并協(xié)調(diào)在非高峰時間充電是一種解決峰谷平衡的方法[7]。這將同時增加整體經(jīng)濟性能和提高可再生能源的利用率。為了實現(xiàn)這一方案，我們需要實現(xiàn)運營商和電動汽車之間的雙向通信，以及準確的供需預(yù)測[8]。特別是在當電動汽車有著較長的停靠時間的情況下，例如晚上停放在家中，或者是工作時間停在停車位。通過采用BACS(電池輔助充電系統(tǒng))，同步的快速充電可以避免長隊列充電以及保持電網(wǎng)的質(zhì)量。而且，對于充電行為有影響的參數(shù)都進行了測試，例如溫度，從而證明溫度對充電行為的影響。

2 有序充電系統(tǒng)

電動汽車對電網(wǎng)負荷影響的研究一致認為：電動汽車規(guī)?；?，無規(guī)律的電動汽車接入會給電網(wǎng)帶來峰值負荷增加、負荷峰谷差增大、線路負載率增大等影響，并由此引起電壓偏差增大、電力設(shè)備容量不足等問題，影響電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行[9]。同時，現(xiàn)有研究普遍認為，有序充電將成為解決這一問題的有效途徑，并且通過科學(xué)合理的有序充放電控制，電動汽車將給電網(wǎng)運行帶來更多積極的影響。

本論文研究電池輔助充電系統(tǒng) (BACS)，BACS可以控制從電網(wǎng)輸入的功率，以及各個充電器對應(yīng)的輸出功率。同時，BACS控制了系統(tǒng)內(nèi)部的電力分配，包括固定電池和充電器，來實現(xiàn)目標性能。因此，BACS可以同時滿足供給方(通過最小化電網(wǎng)的負荷來達到負載轉(zhuǎn)移和電力成本的降低)和需求方的(允許電動汽車主在高峰時間使用快速充電)要求。BACS的主要目的如下：(1)降低所需功率要求；(2)避免在高峰期充電，降低電網(wǎng)峰值負荷；(3)縮短充電等待時間；(4)輔助調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功負荷，例如旋轉(zhuǎn)備用和頻率調(diào)節(jié)；(5)利用電池的儲能能力，使電動汽車具備向電網(wǎng)回饋電能的能力；(6)給周圍社區(qū)提供緊急后備電力。

圖1 電池輔助充電系統(tǒng)(BACS)基本結(jié)構(gòu)圖

圖1表示了由日本NEC公司開發(fā)的BACS的基本結(jié)構(gòu)圖。實線和虛線分別表示了電力和信息流動。CEMS (社區(qū)能源管理系統(tǒng))負責(zé)能源的整體管理，包括社區(qū)的供給和需求。它優(yōu)化了社區(qū)的能源性能，并最大限度的減少了對環(huán)境的影響和社會成本。CEMS可以與其他在其管轄下的EMS(能源管理系統(tǒng))進行通信，并與其他CEMS或?qū)嵱贸绦蜻M行協(xié)商，來最大化給社區(qū)帶來的效益。

在電路中，有三個主要模塊與高容量的直流電路相連：交流/直流變換器、電池和快速充電器。交流/直流變換器接受來自電網(wǎng)的電力，并將它轉(zhuǎn)換為高電壓的直流電。服務(wù)器根據(jù)需求、電力價格和電網(wǎng)情況控制所需購買的電力。此外，它也控制固定電池的充電和放電行為，以及快速充電器給電動汽車充電的相應(yīng)充電率。在電池單元中，一個雙向的直流/直流轉(zhuǎn)換器和BMU(電池管理單元)在電池前安裝，以控制充電和放電的過程。在快速充電器模塊中安裝了一個直流/直流轉(zhuǎn)換器和CCU(充電控制單元)來提供充電期間的主動控制。在本研究中，一共安裝了兩個快速充電模塊。

當既定供電容量有剩余，或者電力價格較低時，固定電池將被用于儲存電力。當有著高充電電力需求或者是高電價高峰時間時，電池儲存的電力將被釋放?；旧希姵赜兄鄬Υ蟮娜萘縼響?yīng)對多臺電動汽車同步充電的情況，并提高服務(wù)質(zhì)量。

基于安裝的固定電池的充電和放電情況，以及充電所用的電力來源，BACS的快速充電模式可以分為以下幾類：

(1)電池放電模式

電池釋放其電力來輔助管理系統(tǒng)。因此，電動汽車的充電電力是同時來自電網(wǎng)和電池。這一模式將在多臺電動汽車同步充電的情況下，特別是電力價格較高的時候。在這一模式下的電力流動可以被表示為：

其中，Pgrid、Pbatt、Pqc和 Ploss分別表示從電網(wǎng)購買的電力、電池充電電力(負值)或放電電力(正值)、電動汽車快速充電電力和損失電力。

(2)電池充電模式

當電力在既定電量下仍有富余或者電網(wǎng)電力價格較低(由于剩余電力、夜間等原因)時，電池將充電來儲存電量。這一模式下的電力流動可以被表示為公式(2):

(3)電池空閑模式

電池將在以下情況下進入空閑模式：(a)電網(wǎng)最大功率約束足夠支持多電動汽車同步充電的情況 (充電需求低)；(b)由于高需求和持續(xù)快速充電導(dǎo)致電池電力為空(此時電池?zé)o法提供電力，除非被充電)。在 (b)的情況下，BACS控制每個快速充電器在電網(wǎng)最大功率約束下的充電速率。這一模式下的電力流動可以被表示為公式(3)：

BACS將保證從電網(wǎng)購買的電力 Pgrid小于等于電網(wǎng)最大功率約束。同時，Ploss表示由于某些因素，在交流/直流、直流/直流轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)所損耗的電力。因此，Ploss的值在各個模式中的值都不同。

3 溫度對于電動汽車充電行為的影響

電動汽車主要使用鋰離子電池作為電源，因為它能量密度較高，有著更穩(wěn)定的電化學(xué)屬性，同時有著更長的壽命和更低的環(huán)境影響。溫度被認為是影響鋰離子電池充電和放電行為的重要條件之一[10]。在一般條件下，由于電解質(zhì)的限制，以及電解質(zhì)/電極表面的屬性，例如粘度、密度、電解質(zhì)成分、介電強度和離子擴散能力，較低的溫度會導(dǎo)致不良的充電和放電行為。此外，隨著溫度的下降，電荷轉(zhuǎn)移阻力顯著提高，并高于體內(nèi)電阻和固態(tài)界面電阻[11]。

本文將研究溫度，尤其是環(huán)境溫度，對電動汽車充電行為的影響。充電實驗是在不同的季節(jié)(夏季和冬季)進行的。表1中概括了電動汽車和快速充電器在實驗中所使用的參數(shù)。

表1 電動汽車和快速充電器在實驗中具體參數(shù)

表2表示了本研究中所用的實驗條件。電動車輛是停放一個較長的時間(例如一晚)之后在一個較冷的條件下進行充電的。因此，可認為電動汽車電池溫度與環(huán)境溫度非常相似。

圖2表示了在(a)冬季和(b)夏季實驗條件下充電速率、充電時間和電動汽車電池荷電狀態(tài)SOC的關(guān)系。在一般情況下，雖然充電器的額定容量為50kW，但是電動汽車電池所吸收的充電功率是相對較低的，尤其是在冬天。在夏季有著較高的充電速率從而縮短充電時間。數(shù)值上來看，要達到了80%的額定電量。在冬季和夏季的所需的充電時間分別為35min和20min。在夏季，可以以較高充電率(約40kW)達到至多50%左右的額定電量。充電速率隨著SOC的增加逐漸降低，并且當SOC為80%時充電速度為16千瓦。而在冬天，充電速率在非常短的時間達到約35kW，而后隨著SOC的進一步增加而下降。當SOC達到80%時充電率約為10kW。

表2 評估環(huán)境溫度影響的實驗條件

圖2 在(a)冬季和(b)夏季實驗條件下充電速率、充電時間和電動汽車電池荷電量SOC的關(guān)系

圖3表示在(a)冬季和(b)夏季實驗條件下充電電流、充電電壓和時間的關(guān)系。在圖3中充電電流的曲線與在圖2中的充電速率十分相似。在一般情況下，鋰離子電池是用CC(恒定電流)或CV(恒定電壓)進行充電的。在較低溫度下充電導(dǎo)致的充電電流逐漸降低，尤其是要充到較高的SOC的情況下，會導(dǎo)致更長的充電時間，反之亦然。在夏季的情況下，在初始的5～10min將達到一個約為105A的較高的恒定電流(SOC約高達50%)。雖然在充電電壓上并沒有顯著的差異，在溫暖的溫度(夏季)充電導(dǎo)致了在電壓穩(wěn)定到恒定值之前有一個稍微高的初始充電電壓。因此，恒壓充電將更快達到滿電狀態(tài)。溫度顯著的影響著恒壓充電行為。在相對較高的環(huán)境溫度(例如夏季)充電導(dǎo)致較高的充電率，特別是由于較高的充電電流，以及在短時間內(nèi)的電壓增加導(dǎo)致了更短的充電時間。根據(jù)文獻[11]所述，溫度的降低導(dǎo)致了在陰極鋰離子的擴散降低，并使電極極化。此外，在電解質(zhì)-電極界面的電荷轉(zhuǎn)移電阻將增加[12]。

圖3 在(a)冬季和(b)夏季實驗條件下充電電流、充電電壓和時間的關(guān)系

4 BACS的同步充電性能

為了測量所開發(fā)的BACS的性能，本實驗對電動汽車進行了同步快速充電測試進行?；旧?，控制系統(tǒng)是根據(jù)上述公式(1)～(3)進行構(gòu)建的。表3列出了BACS的實驗相關(guān)參數(shù)。交流-直流變換器輸出電壓為450V。直流-直流變換器將450V電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓(0～400V)。同時安裝了兩個快速充電器，每一個的最大輸出功率都為50kW。

電池輔助充電系統(tǒng)中的電池，因為它是固定的，許多電池類型都適用于這個環(huán)境，包括鋰離子電池，鎳氫，鎳鎘和鉀離子電池。在這項研究中，我們使用了鋰離子電池，主要考慮到它有著較高的能源密度，能提供高電流，有著低自放電的特性，以及有著較低維護需求。另外，從電動汽車上取下的電池，也可以作為充電系統(tǒng)中的固定電池使用(大部分為鋰離子型電池)。在實際應(yīng)用中，電動汽車電池的容量下降到初始容量的60%～70%后將被替換。利用這些替換下的舊電池可提高電動汽車的總體經(jīng)濟效率，同時由于電池被回收，它的使用壽命將被延長，而且對環(huán)境有著最小化的影響。

表3 BACS(電池輔助充電系統(tǒng))的實驗參數(shù)

最大功率容量(圖1中A點)是交流-直流變換器接收到的電能量。因此，即使BACS內(nèi)部沒有安裝電池，電力也可以在充電期間被轉(zhuǎn)移到電動汽車。由于系統(tǒng)肯定存在電損耗，點C和D所接收到的電能量將小于點A。因為BACS的固定電池將在室溫條件下(20℃)與其它控制器和轉(zhuǎn)換器放置在一起，因此，在不同的環(huán)境溫度下電池性能被認為是穩(wěn)定的。

為了評估電池輔助充電系統(tǒng)的性能，本實驗進行了電動汽車的同步充電。為此達到此目的，實驗以下兩個步驟進行：

(1)兩輛電動汽車同步充電，從而來驗證不同季節(jié)所需的充電時間；

(2)不同限定供電容量下的輔助充電系統(tǒng)的行為。

4.1 兩輛電動汽車的同步充電

由圖4(a)中可見在常規(guī)的充電系統(tǒng)中，由于對既定供電容量的限制，第一輛連接的電動汽車將以更高的充電率進行充電，而第二輛電動汽車最初將以5kW進行充電。當?shù)谝惠v連接的電動汽車充電速率減小時，第二輛電動汽車充電率增大并逐漸使總電力達到最大既定電源容量。兩輛電動汽車的充電速率隨著電池容量SOC的增加而減小，且從電網(wǎng)吸收的總電力將減小。第一輛和第二輛電動汽車分別在充電后40和50min后達到了總電池容量的80%。相比之下，使用BACS充電時(見圖4b)，由于有著固定電池參與供給電力，第一輛和第二輛電動汽車有著幾乎相同的充電速率，并且在幾乎相同的時間 (約35min)達到80%的SOC。

表4 在50kW既定供電容量下，同步充電的實驗條件

圖4 在冬季、50kW的既定供電容量下兩輛電動汽車同步充電結(jié)果

由圖5可見，與冬季實驗結(jié)果類似，采用常規(guī)充電系統(tǒng)充電，第一輛和第二輛電動汽車分別在約20和30min后達到80%SOC。當使用BACS充電時，兩輛電動汽車都在更短的約20min的時間內(nèi)達到了80%的SOC。

4.2 BACS在不同既定供電容量下的性能

為了檢測BACS在不同既定供電容量下的性能，除了在4.1部分下所描述的實驗 (既定供電功率50kW)，還分別在既定供電功率為30KW和15kW下檢測電池輔助充電系統(tǒng)對兩輛電動汽車同步充電情況。表5描述了對應(yīng)于冬季和夏季各既定功率下的實驗條件。

圖5 在夏季、50kW的既定供電容量下兩輛電動汽車同步充電結(jié)果

表5 在不同既定供電容量下，使用BACS對兩輛電動汽車進行同步充電的實驗條件

圖6和圖7分別為電池輔助充電系統(tǒng)在30KW和 15kW既定供電功率下對兩輛電動汽車同步充電的實驗結(jié)果。同時，圖4(b)和圖5(b)為冬季和夏季，電池輔助充電系統(tǒng)在既定供電功率50kW下對兩輛電動汽車同步充電結(jié)果。

由實驗結(jié)果可得以下結(jié)論：

(1)在對兩個電動汽車進行同步充電時，不管是冬季還是夏季，兩輛電動汽車的充電時間方面沒有明顯差異。雖然第二輛電動汽車最初接收低功率，但其充電速率在第一輛電動汽車充電速率下降的過程中增加到最大值。因此幾乎同步完成充電。

(2)隨著既定供電功率下降，兩輛電動汽車的總充電功率隨之減少。

圖6 BACS在30kW的既定供電功率下兩輛電動汽車同步充電結(jié)果

圖7 BACS在15kW的既定供電功率下兩輛電動汽車同步充電結(jié)果

(3)在不同季節(jié)的充電時間方面，既定供電功率為50kW和30kW的結(jié)果之間無明顯差異。當既定供電功率減小到15kW時充電時間增加。在這種情況下，在冬季和夏季所需的充電時間分別約為38和25min。

(4)固定電池的放電功率在越低既定供電功率的情況下越大。

(5)當既定供電功率降低時固定電池的SOC變化較大。數(shù)值上來看，SOC在50kW，30kW和15kW既定供電容量下約分別減少了5%，10%，20%。在這個系統(tǒng)中，因為對電池充電和放電的SOC的閾值分別為90%和10%，所以同步充電期間總的SOC的變化是80%。因此，固定電池可以在50kW，30kW和15kW的既定供電容量下分別支持32輛，16輛和8輛電動汽車同時充電。

5 結(jié)論

本文開發(fā)了一個基于電池輔助充電系統(tǒng)(BACS)的快速充電方法，并對其在同步充電上的性能進行了評價。

(1)在不同季節(jié)(冬季和夏季)中，電動汽車的充電行為表明了溫度對充電速率的影響。本文認為，電池溫度強烈的影響到電池的充電行為，而電池的溫度受到環(huán)境溫度的影響。在夏季的充電速率比冬季更高。

(2)在目前電動汽車數(shù)量較少的情況下，電動汽車對電網(wǎng)負荷的影響并不明顯，也不會使電網(wǎng)的承載力受到挑戰(zhàn)，但按照當前發(fā)展規(guī)劃預(yù)計，在當前無引導(dǎo)、即插即充的充電方式下，當電動汽車滲透率逐漸增大后，必然會對電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的影響和沖擊，帶來峰值負荷劇增，負荷峰谷差增大，電網(wǎng)承載能力不足等問題。而本文提出的電池充電輔助系統(tǒng)能明顯改善的電動汽車充電性能，使充電在更短的時間內(nèi)完成，并將給電網(wǎng)運行帶來更多積極影響。

(3)電動汽車的動力電池具有電能儲存特性和電能吸收與消耗過程非同時的特點，可用于大時間尺度的電能調(diào)度，解決發(fā)、用電在時間上不匹配問題；電動汽車用戶對瞬時功率的不敏感性，使得充電功率實時控制成為可能；充電寬松的功率需求約束，使充電負荷具有大范圍的瞬時功率調(diào)節(jié)能力；充電系統(tǒng)分布式的接入方式與無功就地補償原則相適應(yīng)，且充電系統(tǒng)可具備平滑的無功調(diào)節(jié)能力，為電網(wǎng)無功優(yōu)化提供了新的手段。

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