周雅夫 劉邵勛 黃立建

摘 要：為解決退役汽車動(dòng)力電池資源浪費(fèi)和傳統(tǒng)電動(dòng)汽車占用電網(wǎng)資源的問(wèn)題，文章以退役汽車動(dòng)力電池儲(chǔ)能為基礎(chǔ)，提出了一種結(jié)合了電網(wǎng)，退役儲(chǔ)能系統(tǒng)以及太陽(yáng)能發(fā)電裝置的多輸入電動(dòng)汽車充電裝置，文章從功能描述，裝置選型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的角度出發(fā)，驗(yàn)證了該多輸入充電裝置方案切實(shí)可行，同時(shí)證明了該裝置可以緩解電網(wǎng)壓力，增加退役電池的梯次利用率和新能源的利用率。

關(guān)鍵詞：退役電池;充電裝置;梯次利用;儲(chǔ)能

中圖分類號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-20-06

Design of Multi-input Electric Vehicle Charging Device*

Zhou Yafu， Liu Shaoxun， Huang Lijian

（ School of Automotive Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural

Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Liaoning Dalian 116024 ）

Abstract： In order to solve the problems of waste of retired power battery resources of vehicles and the occupation of power grid resources by traditional electric vehicles， this paper proposes a multi-input electric vehicle that combines power grid， retired energy storage system and solar power generation device based on the energy storage of retired vehicle power batteries Charging device. From the perspective of functional description， device selection， simulation and experimental verification， the article verifies that the multi-input charging device solution is feasible， and at the same time proves that the device can ease the pressure on the power grid and increase the cascade utilization rate of retired batteries and The utilization rate of new energy.

Keywords： Decommissioned Battery; Charging Device; Echelon Utilization; Energy Storage

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-20-06

前言

近年來(lái)，國(guó)家大力支持新能源汽車行業(yè)發(fā)展，隨著一系列的國(guó)家政策頒布，新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，同時(shí)退役汽車動(dòng)力電池的數(shù)量也急劇上升[1-3]，根據(jù)規(guī)定，當(dāng)其能源汽車動(dòng)力電池容量降低為原標(biāo)定容量的80%時(shí)，已經(jīng)不能滿足其使用需求，需要做退役處理[4]，但此時(shí)電池還有部分容量未經(jīng)完全利用，直接報(bào)廢該類動(dòng)力電池會(huì)造成能源的浪費(fèi)[5，6]，若將此類電池梯次利用于電池儲(chǔ)能領(lǐng)域，能有效提高退役電池的利用率，避免資源浪費(fèi)。

退役電池梯次利用時(shí)近年來(lái)的研究熱門之一，文獻(xiàn)[7，8]從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，在當(dāng)前退役電池梯次利用的三大主要應(yīng)用場(chǎng)景：新能源發(fā)電、電網(wǎng)以及用戶層面分析明確了退役電池成本具有極為強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，指出了電池梯次利用經(jīng)濟(jì)層面的可行性。文獻(xiàn)[9，10]指出了風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源發(fā)電具有能源生產(chǎn)不穩(wěn)定的問(wèn)題，需要有相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置保證能源的利用，進(jìn)而引出了退役電池儲(chǔ)能裝置。文獻(xiàn)[11]提出了針對(duì)風(fēng)場(chǎng)發(fā)電中退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[12]則是針對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的儲(chǔ)能系統(tǒng)給出了具體優(yōu)化措施。文獻(xiàn)[13]通過(guò)具體分析電池相應(yīng)的衰減數(shù)據(jù)，給出了優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池健康狀態(tài)的一種措施。文獻(xiàn)[14]將鋰電池應(yīng)用到光伏發(fā)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)中，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析給出了充電時(shí)的平穩(wěn)電池搭建方案。文獻(xiàn)[15]通過(guò)分析退役儲(chǔ)能電池搭建新型公交汽車充電站，著重對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并指出其可以提升公交站的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[16，17]針對(duì)日常樓宇設(shè)計(jì)了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，并通過(guò)經(jīng)濟(jì)角度分析了其可行性。文獻(xiàn)[18]提出了一種退役儲(chǔ)能系統(tǒng)中的主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)，延長(zhǎng)了退以電池的使用壽命。

在裝置電路設(shè)計(jì)和元件選型方面，文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中的升壓電路，講述了針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)升壓的電路器件選型。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了針對(duì)電網(wǎng)向儲(chǔ)能電池充電的一種降壓電路。文獻(xiàn)[21]針對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電感選型，利用電路仿真提出了一種更為節(jié)省成本的方法。

本文通過(guò)將退役動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能裝置，結(jié)合電網(wǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電提出了一種新型的多輸入汽車充電裝置，首先通過(guò)裝置選型確定充電裝置中各個(gè)元器件的參數(shù)，然后利用MATLAB環(huán)境中Simulink模塊進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)所選電路元器件的正確性，最后通過(guò)實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)檢驗(yàn)該多輸入充電裝置達(dá)到技術(shù)要求。

1 多輸入充電裝置整體介紹

1.1 Boost電路

Boost電路是一種開關(guān)直流升壓電路，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-1所示。Boost電路的功能是是通過(guò)控制IGBT的通斷，使輸出電壓高于輸入電壓，Boost電路采取恒頻率的控制方式，占空比可調(diào)節(jié)，如圖1所示，在充電過(guò)程中，開關(guān)閉合（Q導(dǎo)通），此時(shí)輸入電流流過(guò)電感，由于輸入直流電，所以流經(jīng)電感的電流以一定的比率增加，隨著電流的增加，電感中儲(chǔ)存了一定的電量。

放電過(guò)程中，開關(guān)斷開（Q截止），由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)立刻降為0，原有的電路已經(jīng)斷開，電感只能通過(guò)新電路給電容C充電，此時(shí)電容兩端的電壓升高，即電路的輸出電壓升高，升壓完成。

圖中，Uin為輸入電壓;L為儲(chǔ)能元件;C為電容器，Q為三極管，Uout為輸出電壓。

1.2 Buck電路

Buck電路是一種降壓式變換器，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。 其功能是實(shí)現(xiàn)輸出電壓小于輸入電壓，圖中，Q為開關(guān)管，一般由PWM（Pulse width modulation 脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)控制，若信號(hào)周期為Ts，則：

（1）

其中：Ton為導(dǎo)通時(shí)間;Toff為關(guān)斷時(shí)間;信號(hào)頻率為 f=1/Ts。

當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能;當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，電感電流減小，電感釋能，電流的增量大于其減少量，則 為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)產(chǎn)生的平均感應(yīng)電勢(shì)，在此電勢(shì)的作用下，電感電流上升與下降的速度均被減少，最終導(dǎo)致一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零。

1.3 整流電路

AC/DC即為交流電轉(zhuǎn)換為直流電，新型充電裝置采用采用電網(wǎng)為輸入源，所以需要將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為整流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示：

1.4 整體結(jié)構(gòu)介紹

多輸入充電裝置整體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)AC/DC變換器和兩個(gè)DC/DC變換器，利用上述裝置結(jié)合太陽(yáng)能電池、電網(wǎng)和退役儲(chǔ)能電池，整個(gè)裝置通過(guò)CAN總線與控制器連接。整體裝置示意圖如圖4所示。

其中，黑色線為電路連接線，藍(lán)色虛線為控制線路。

由圖4可知，裝置整體結(jié)構(gòu)可分為退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，多輸入充電裝置，充電樁和控制系統(tǒng)四大結(jié)構(gòu)。退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是由廢舊電池經(jīng)過(guò)回收，拆解獲得的電池單體，通過(guò)上一章節(jié)提到的電池剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)記性篩選，將電池健康程度良好的一類電池單體進(jìn)行配對(duì)重組，進(jìn)而組成了退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖4中的控制系統(tǒng)由監(jiān)控單元和調(diào)度單元組成，其中監(jiān)控單元用于接收退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）中傳來(lái)的信息，具體包括電池溫度，電池剩余容量（State Of Charge，SOC），電池健康狀態(tài)（State Of Health，SOH）以及退役電池組的故障報(bào)警等信息。

新型充電裝置中的多輸入充電模塊由DC/DC1、DC/ DC2、AC/DC以及若干個(gè)繼電器組成，DC/DC2的作用是將太陽(yáng)能發(fā)電裝置中的電量進(jìn)行升壓，以便用于退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電或新能源汽車供電;DC/DC1的作用是將退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的端電壓升壓，或是將太陽(yáng)能發(fā)電裝置和電網(wǎng)的電量經(jīng)過(guò)整流升壓對(duì)退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電;AC/DC的作用是對(duì)電網(wǎng)上的三相交流電進(jìn)行整流升壓，以便于DC/DC1的利用。該裝置中的DC/DC1和DC/DC2主要由輸入濾波電感、電容，升壓電感，IGBT和輸出π型濾波的電感等功率元件構(gòu)成。

電動(dòng)汽車充電裝置控制系統(tǒng)系統(tǒng)能夠?qū)υ撗b置進(jìn)行自動(dòng)峰谷充放電控制，具體為：通過(guò)控制DC/DC1、DC/DC2和AC/DC上的繼電器K1、K2、K4的通斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多種工作狀態(tài)，充電裝置的工作狀態(tài)分別表現(xiàn)為：

（1）當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲(chǔ)能電池電量不足，無(wú)電動(dòng)汽車充電且太陽(yáng)能電源無(wú)法利用時(shí)，控制器識(shí)別此狀態(tài)，控制繼電器K4閉合，K1、K2關(guān)斷，利用電網(wǎng)的電量經(jīng)過(guò)整流調(diào)壓后輸送給退役儲(chǔ)能電池;當(dāng)太陽(yáng)能電源可用時(shí)，利用太陽(yáng)能和電網(wǎng)電能向退役儲(chǔ)能電池充電。

（2）當(dāng)電網(wǎng)處于用電高峰期，系統(tǒng)處于退役儲(chǔ)能電池電量不足，無(wú)電動(dòng)汽車充電且太陽(yáng)能電源無(wú)法利用時(shí)，控制器識(shí)別此狀態(tài)，控制繼電器K4閉合，K1、K2關(guān)斷，利用電網(wǎng)的電量經(jīng)過(guò)整流調(diào)壓后輸送給退役儲(chǔ)能電池;當(dāng)太陽(yáng)能電源可用時(shí)，為節(jié)約使用成本，利用太陽(yáng)能向退役儲(chǔ)能電池充電。

（3）當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲(chǔ)能電池電量充足，無(wú)電動(dòng)汽車充電時(shí)，控制器識(shí)別此狀態(tài)，控制繼電器K1、K2、K4斷開，系統(tǒng)此時(shí)處于待機(jī)狀態(tài);

（4）當(dāng)電網(wǎng)處于用電高峰期，系統(tǒng)處于退役儲(chǔ)能電池電量充足，無(wú)電動(dòng)汽車充電時(shí)，控制器識(shí)別此狀態(tài)，控制繼電器K1、K2、K4斷開，系統(tǒng)此時(shí)處于待機(jī)狀態(tài);

（5）當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲(chǔ)能電池電量較低，有電動(dòng)汽車充電時(shí)，控制器識(shí)別此狀態(tài)，控制繼電器K2斷開，K1、K4閉合，此時(shí)電網(wǎng)與太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電量經(jīng)整流調(diào)壓后，由DC/DC1調(diào)壓完成后將電量輸送給電動(dòng)車充電接口，向電動(dòng)汽車供電;若太陽(yáng)能電源不可用，單獨(dú)采用電網(wǎng)電量向退役儲(chǔ)能電池充電;

（6）當(dāng)電網(wǎng)處于用電高峰期，系統(tǒng)處于退役儲(chǔ)能電池電量較低，有電動(dòng)汽車充電時(shí)，控制器識(shí)別此狀態(tài)，控制繼電器K2斷開，K1、K4閉合，此時(shí)電網(wǎng)與太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電量經(jīng)整流調(diào)壓后，由DC/DC1調(diào)壓后供入充電接口，向電動(dòng)汽車充電;若太陽(yáng)能電池不可用，單獨(dú)使用電網(wǎng)電量向退役儲(chǔ)能電池充電;

（7）當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲(chǔ)能電池電量較高，有電動(dòng)汽車充電時(shí)，控制器識(shí)別此狀態(tài)，控制繼電器K1、K2斷開，K4閉合，此時(shí)電網(wǎng)中的電量經(jīng)過(guò)整流，太陽(yáng)能電池中的電量經(jīng)過(guò)調(diào)壓，由DC/DC1調(diào)壓后供入充電接口，向電動(dòng)汽車充電;

（16）

在公式16中，Ud為IGBT穩(wěn)態(tài)下能承受的電壓值，α為設(shè)計(jì)過(guò)程中流出的安全余量值。

公式17為變壓器輸出一側(cè)的電流值計(jì)算公式，只適用于AC/DC;公式18為關(guān)斷時(shí)候的峰值電壓計(jì)算公式。

（17）

在公式17中，I1為需要計(jì)算的變壓器一側(cè)的電流值;N為變壓器的匝數(shù)比，I2為變壓器輸入一側(cè)的電流值。

（18）

在公式18中，Umax為IGBT關(guān)斷時(shí)候的電壓峰值;Ud為IGBT穩(wěn)態(tài)下能承受的電壓值;α為設(shè)計(jì)過(guò)程中流出的安全余量系數(shù);Up為，DC/DC1，DC/DC2和AC/DC中各自與IGBT搭配的電感帶來(lái)的電壓峰值。

公式19為IGBT上額定電流計(jì)算公式。

（19）

其中，Ii為裝置需求IGBT的額定電流值，Ie為IGBT承受的電流平均值，其對(duì)于AC/DC中的IGBT中，該值等于I1，對(duì)于DC/DC1，DC/DC2，該值分別等于裝置最低輸入電流值和太陽(yáng)能電源的輸出電流值;1.5為電流的過(guò)載系數(shù)，1.23為電路中的電流通過(guò)IGBT的集電極時(shí)的電流縮小系數(shù)。

本文采用是代號(hào)為MBM600GS6CW，耐壓程度為600V的IGBT。

通過(guò)對(duì)多輸入充電裝置中主要電路元器件的參數(shù)計(jì)算，為下一章完成該裝置的仿真以及實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。

3 多輸出充電裝置的實(shí)驗(yàn)

上一章主要介紹了多輸入充電裝置中主要電路元器件參數(shù)計(jì)算，本節(jié)基于D&V公司的EPT-150實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)多輸入充電裝置中的DC/DC1進(jìn)行試驗(yàn)，主要原因是在多輸入充電裝置中，DC/DC1直接連接整個(gè)裝置的輸出端，其功能是否正常將直接影響整個(gè)裝置的運(yùn)行。

D&V公司生產(chǎn)的 EPT-150臺(tái)架是專為純電動(dòng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)制造的，其內(nèi)置完全可編程的電池仿真器，完全可以滿足本次實(shí)驗(yàn)的條件。圖7為實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的照片。

試驗(yàn)通過(guò)分析DC/DC1輸入端電壓為140V，160V，200V時(shí)分別測(cè)試其輸出電壓，輸出電流以及效率，利用三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系找出裝置最佳的工作點(diǎn)。圖8，9，10分別為輸入電壓為140V，160V，200V的輸出電流，電壓以及效率的MAP圖。

結(jié)合三種輸入電壓條件下的MAP圖分析，在輸入電壓一定時(shí)，增加升壓比會(huì)導(dǎo)致多輸入充電裝置的效率下降，總而言之，DC/DC1的效率會(huì)隨著其輸出功率的升高而下降，但考慮其應(yīng)用環(huán)境，多輸入充電裝置需保證電動(dòng)汽車用戶的充電體驗(yàn)，所以該裝置不能為了提高效率而降低其輸出功率，所以為了盡可能的提高裝置的效率，需要盡量使DC/DC1的輸入端電流平穩(wěn)。

但是考慮在實(shí)際運(yùn)行條件下，DC/DC1輸入端會(huì)存在電流波動(dòng)的可能，同時(shí)DC/DC1輸入端電流的提升會(huì)導(dǎo)致電流紋波的增加，過(guò)大的電流紋波值會(huì)對(duì)電路中的元器件造成沖擊，影響裝置使用壽命甚至帶來(lái)危險(xiǎn)，為避免輸入電流增大帶來(lái)的電流紋波問(wèn)題，在DC/DC1的輸入端加入的濾波電感可以解決此問(wèn)題。圖11和圖12是有無(wú)濾波電感時(shí)的輸入電流對(duì)比圖。

從圖中可以明顯看到，在加入了濾波電感后，該裝置的輸入電流明顯更為穩(wěn)定，在圖11中，輸入電流的振動(dòng)幅值為28A，電流紋波為33.3%，在圖12中，輸入電流紋波電流振動(dòng)較小，電流振動(dòng)的幅值為0.7A，紋波值為0.83%，屬于裝置輸入端電路元器件可承受范圍內(nèi)。

4 總結(jié)

文章以增加退役電池梯次利用率為目的，提出一種基于退以電池儲(chǔ)能的多輸入電動(dòng)汽車充電裝置，基于其技術(shù)要求和功能模式完成了該裝置的電路選型，并結(jié)合實(shí)際的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)該裝置的可行性進(jìn)行了有效驗(yàn)證。結(jié)果表明，將退役電池梯次利用于電池儲(chǔ)能裝置，結(jié)合電網(wǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電裝置的多輸入電動(dòng)汽車充電裝置在技術(shù)上具有可行性，該方案為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池退役后的處理問(wèn)題提供了一種解決思路，提高了退役電池的利用率。

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