電動汽車充電站優化控制研究

李哲昊 北京理工大學珠海學院

電動汽車充電站優化控制研究

李哲昊 北京理工大學珠海學院

開發替代燃料和電動汽車，是解決環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計及實驗，為電動汽車充電站設計提供技術參考。

燃料；電池；動力系統

1.電動汽車充電站現狀

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換接口。根據不同的分類標準，可以分為車載充電站、地面充電站、傳導式充電站和感應式充電站、普通充電站和多功能充電站。

大功率地面充電站以傳導式大功率地面充電站占據主要位置，基本上是采用三相交流電作為輸入電源，經過二極管整流橋和LC濾波環節獲得直流母線電壓，再采用隔離型全橋式DC-DC變換器進行電壓變換。可用的隔離型全橋式DC-DC變換器拓撲包括硬開關PWM變換器、串聯/并聯諧振變換器、雙有源橋式變換器、移相式全橋變換器等。其中，硬開關PWM變換器的主電路結構最簡單，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）的設計和制作也最簡單，從而成為技術最為成熟、應用也最多的大功率充電站拓撲。但它也存在著開關頻率低、噪聲大、體積大等缺點。更為先進的大功率充電站正在不斷出現，并投入到了實際的應用中。

2.充電站的電氣參數及其技術指標建議

作為一個提供電源的電器設備，其銘牌標識的電氣參數要以便于消費者選擇和使用。在此建議的電氣參數及其技術指標如下：

輸入電源：AC380V；

穩流精度：1%；

穩壓精度：1%；

滿載效率：＞91%；

滿載功率因數：＞0.9；

使用環境溫度：?20～50℃；

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

最低輸出電壓：串聯電池的個數×電池放電限制電壓；

最大輸出電流：按蓄電池廠家提供數據確定；

最低充電電流：按蓄電池廠家提供數據確定；

最大輸出功率：Umax×Imax。

3.充電站連接器設計

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中一個非常關鍵的部件，要求其可靠性高，使用方便，而且形成標準件。在此建議連接器的插接次數要求達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，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，根據預先設定的充電過程參數對電動汽車串聯蓄電池組進行充電。

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驅動脈沖生成及調節系統；④保護系統；⑤單片機（CPU）控制系統；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行整流，經過濾波后，形成穩定的直流母線電壓，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、快速熔斷器及開關器件緩沖電路等。

DC/DC變換器在控制系統的控制下，采用脈寬調制（PWM）技術，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 驅動脈沖生成、調節及保護系統

驅動脈沖生成、調節及保護系統為充電站的低層控制系統，主要包括信號采樣和調理電路、PWM生成集成電路、故障保護邏輯電路、閉環控制調節電路和并聯運行均流電路等部分。

驅動脈沖生成、調節及保護系統直接控制DC/DC變換器完成功率變換，并且提供完善的保護功能。

4.4 單片機（CPU）控制系統

單片機（CPU）控制系統為充電站的頂層控制系統，主要包括單片機（CPU）及其基本外圍電路、數字量處理電路、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）控制系統接受人工輸入或其它設備的控制指令，控制驅動脈沖生成系統的啟動與停止，從而控制充電站的啟動與停機，并可將充電站運行數據進行顯示或傳輸給上層監控計算機。

4.5 人機接口

人機接口部分由按鍵和數碼管（或液晶顯示屏）組成，并且具有計算機遠程監控、車輛充電控制等功能。充電站帶有通信接口，可以組成計算機監控網絡，由監控計算機監視和記錄每臺充電站的運行數據、修改每臺充電站的運行參數、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，充電站應具有完善的保護功能，可以對操作人員、蓄電池組、充電站自身都提供可靠的保護。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

考慮發展，未來電動汽車充電站與供電變電站協調管理，在充電（機）站設計internet接口，可與電網調度系統相連，充電（機）站通信協議與電網通信協議統一，實現充電（機）站內統一監控及無人值守站的數據統一上傳。

4.7 電能計量

作為電網的負荷，充電（機）站能夠提高電能在我國終端能源消費結構中的比例，采用夜間或低谷負荷期完成充電有利于電網調節峰谷平衡，其用電量的計量是關鍵的環節。因此，充電（機）站的用電量計量應考慮適應不同用戶需要，并與電網自動化現狀相適應，實現交流和直流電能顯示，同時考慮與電力系統遠方抄表和計費自動化系統連接的可能。

5.結語

目前很多電池管理系統應用某一類型的電池時效果很理想，但卻難以應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已經成為目前的發展方向。

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

[2]陳奇芳. V2G充電站與電網協調策略及通信研究[D].湘潭大學，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，2014.