一種儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電站的研究與設(shè)計(jì)

石錦閃，陳景文

（1.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000；2.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

一種儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電站的研究與設(shè)計(jì)

石錦閃1，陳景文2

（1.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000；2.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸提升，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度也在升高，在這樣的背景下尋求新的能源成為環(huán)境保護(hù)中的關(guān)鍵性問(wèn)題。電能作為潔凈能源，對(duì)電能的使用可以實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約管理，因此儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車出現(xiàn)并且得到社會(huì)各界的認(rèn)可，但儲(chǔ)能式汽車畢竟對(duì)電量的存儲(chǔ)是暫時(shí)的。為了保證汽車的能源持續(xù)性，需要對(duì)儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車進(jìn)行電能補(bǔ)充，因此需要對(duì)充電站進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，采用更加科學(xué)的管理方法，保證儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車的使用效率提升。文章主要針對(duì)一種儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電站的研究與設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車；充電站；交流電

儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車以其環(huán)保和節(jié)能著稱，適用于我國(guó)環(huán)境污染較為嚴(yán)重的現(xiàn)階段，其得到了社會(huì)的認(rèn)可，使用數(shù)量逐漸增加。但是實(shí)際管理中我國(guó)智能配電網(wǎng)和智能配電小區(qū)建設(shè)普及率不高，充電問(wèn)題無(wú)法得到充分解決，因此，需要增加配電設(shè)備以及充電樁的數(shù)量，提高儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁的充電效率，促進(jìn)儲(chǔ)能電動(dòng)式汽車的推廣。

1 儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)原理

儲(chǔ)能式電動(dòng)充電樁在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)充電效率的最大化，可以最大限度地利用不同時(shí)段進(jìn)行充電的雙序谷充電方式，對(duì)不同的充電方式進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)汽車共用一個(gè)充電樁的情況，對(duì)快速充電和慢性充電進(jìn)行合理的調(diào)控，對(duì)整體的充電進(jìn)行合理的控制[1]。

充電樁整體運(yùn)行系統(tǒng)如圖1所示，采樣系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和人機(jī)交換系統(tǒng)之間科學(xué)合理運(yùn)行，將系統(tǒng)與電源進(jìn)行控制，通過(guò)信息系統(tǒng)將控制系統(tǒng)與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電樁科學(xué)合理的控制?？刂葡到y(tǒng)為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行，建立了輔助電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立可以實(shí)現(xiàn)電池組的均衡，對(duì)電池進(jìn)行更加合理的控制，并且通過(guò)保護(hù)單元進(jìn)行系統(tǒng)的控制，可以防止汽車因?yàn)椴煌β试诔潆娺^(guò)程中出現(xiàn)短路，保證充電系統(tǒng)的整體安全。汽車的電源系統(tǒng)則是采用單向充電與雙向充電相結(jié)合的方式，將儲(chǔ)能電池組與電動(dòng)汽車電池組之間進(jìn)行連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體的充電管理，將直流母線和儲(chǔ)能式電池組之間進(jìn)行雙向的Buck-Boost轉(zhuǎn)化，保證電池組的整體充電和放電功能，并對(duì)電池進(jìn)行恒壓、恒流和脈沖式的充電，維持充電的整體質(zhì)量。

2 儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要考慮到充電時(shí)間、充電功率和充電速度，因此進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)需要將功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，保證相互之間的協(xié)調(diào)工作，并且在設(shè)計(jì)工作完成之后，對(duì)充電樁工作過(guò)程進(jìn)行控制，進(jìn)而保證整個(gè)充電樁的系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。具體的硬件系統(tǒng)如下。

圖1 儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 交流電網(wǎng)與直流母線控制

交流電網(wǎng)和直流母線之間的控制屬于需要采用單相不可控整流電路，如圖2所示，電流的工作過(guò)程，220 V電流在運(yùn)行中通過(guò)濾波將其轉(zhuǎn)化為直流電，并且在運(yùn)行中為了防止電流過(guò)大，設(shè)置了限流的電阻R1，防止充電過(guò)程中因電流控制問(wèn)題造成的電流輸送不暢，對(duì)電流進(jìn)行更加科學(xué)的管理和控制。同時(shí)交流在充滿電后自動(dòng)關(guān)閉K2開(kāi)關(guān)，節(jié)省電源的消耗[2]。

圖2 交流電網(wǎng)和直流母線之間的控制關(guān)系

2.2 直流母線與電動(dòng)汽車電池組的線路設(shè)計(jì)

直流母線與電動(dòng)汽車電池組也是重要的硬件組成部分，其中母線與電動(dòng)汽車電池組之間通過(guò)Buck變換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣內(nèi)外部的電極可以更好地進(jìn)行相互之間的通聯(lián)，并且在內(nèi)部集成續(xù)流二極管，如圖3所示，該電路構(gòu)造方式更加的簡(jiǎn)潔，并且可以對(duì)最大電流進(jìn)行整體的調(diào)節(jié)和控制，可以實(shí)現(xiàn)200 A的電流控制，并且通過(guò)V1進(jìn)行功率控制，在保證使用安全的基礎(chǔ)上更好地實(shí)現(xiàn)整體的控制。

圖3 直流母線與電動(dòng)汽車電池組的設(shè)計(jì)

2.3 直流母線與儲(chǔ)能電池組之間的關(guān)系

儲(chǔ)能電池與直流母線之間的通聯(lián)也是需要關(guān)注的問(wèn)題，在進(jìn)行控制的過(guò)程中，如圖4所示，在進(jìn)行電池能量?jī)?chǔ)備時(shí)，電池組中的變化器就開(kāi)始工作，將其中的V1，VD2進(jìn)行聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)電流的傳輸，保證電流的正常輸送，可以保證電路始終處于降壓斬波的模式，實(shí)現(xiàn)電流的合理控制。而在進(jìn)行儲(chǔ)能電池放電的過(guò)程中，V1，VD2進(jìn)行聯(lián)通處于升壓斬波狀態(tài)，這樣的工作方式可以在電池充電和放電之間保持平衡，使得相互之間的轉(zhuǎn)換更加協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)線路的雙向輸送，進(jìn)而保證整體電路的控制和管理，保證儲(chǔ)能電池的合理充電和放電，提升儲(chǔ)能電池的使用質(zhì)量。

圖4 儲(chǔ)能電池與直流母線之間的通聯(lián)

3 儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是充電樁的管理系統(tǒng)，可以將管理方式進(jìn)行更加規(guī)范化的調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)整體管理的提升。軟件控制系統(tǒng)低于充電電池樁的使用質(zhì)量提供更加高效的條件。具體組成部分包括控制計(jì)算系統(tǒng)和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 控制計(jì)算系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電時(shí)間、充電電流、溫度和放電狀態(tài)之間的管理和控制，通過(guò)對(duì)功率的調(diào)節(jié)和對(duì)電池電量的控制進(jìn)行恒壓和恒流的控制，為充電提供更加充分的質(zhì)量保證?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖5所示，在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要是采用比例積分（Proportional Integral，PI）調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，這樣其GVd可以保持在1/10之下，誤差出現(xiàn)的概率也進(jìn)一步降低，并且可以更好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)函數(shù)的控制，并且建立小型的信號(hào)傳輸模型，保證GVd可以更好地實(shí)現(xiàn)整體的效果。

圖5 控制系統(tǒng)示意

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于設(shè)計(jì)流程也需要進(jìn)行關(guān)注，首先進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，將這個(gè)電池樁的整體運(yùn)行方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定更加規(guī)范化的使用方法，提升使用的整體質(zhì)量。其次，對(duì)電池樁進(jìn)行中斷配置，設(shè)計(jì)必要的中斷系統(tǒng)，在電池充電結(jié)束之后進(jìn)行自動(dòng)斷電設(shè)計(jì)，防止電池的不合理充電。最后，需要進(jìn)行外設(shè)初始化和變量初始化控制，并對(duì)充電模式進(jìn)行分析，包括正常充電模式、快速充電模式和放電充電模式，這幾種模式的管理可以更好地對(duì)儲(chǔ)能式汽車的充電提供便利，為不同方式的汽車提供各種適宜的充電方式，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)電量的全面控制，提升充電電池樁的使用質(zhì)量（見(jiàn)圖6）。

圖6 充電電池樁整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將各個(gè)因素都進(jìn)行了充分的考慮，并且在工作的過(guò)程中，該系統(tǒng)可以對(duì)工作頻率進(jìn)行控制，保證頻率在150 MHz范圍內(nèi)，其中包括18路的PWM輸出端口、6路高分辨率脈寬調(diào)制模塊、16路高精準(zhǔn)度的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的高效轉(zhuǎn)化。

4 儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)使用效果

在充電樁進(jìn)行設(shè)計(jì)之后需要對(duì)使用效果進(jìn)行分析，本系統(tǒng)對(duì)電池組進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的Buck-Boost變換器可以實(shí)現(xiàn)整體恒定的放電模式，使得電壓的充電紋波控控制在50 mV之內(nèi)，這樣的方式可以防止因充電不均造成的充電質(zhì)量下降，進(jìn)而影響電池的使用壽命。其次，在整個(gè)的充電過(guò)程中，充電樁都采用恒壓的充電模式，保證電池在充電過(guò)程中保持恒定的狀態(tài)，直至電池小于1.5 A時(shí)整體的充電結(jié)束，這樣的方式可以提升電池的使用壽命，雖然在開(kāi)始充電時(shí)電池的充電電壓增加，但是后期始終維持在穩(wěn)定的狀態(tài)內(nèi)，并且隨著電池電量的持續(xù)增加，電流持續(xù)減少，在電流充電完全結(jié)束之后電流消失，保證電池在充滿后自動(dòng)斷電，防止電池充電過(guò)量出現(xiàn)事故。最后，該充電樁在進(jìn)行設(shè)計(jì)中對(duì)不同的汽車型號(hào)的充電電流進(jìn)行控制，結(jié)合不同型號(hào)汽車的儲(chǔ)能電池點(diǎn)流量，對(duì)汽車的充電進(jìn)行管理和控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)同一電池樁的多種不同汽車的使用，提升電池樁的整體式使用效率。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，儲(chǔ)能式電池樁可以在無(wú)需較大程度轉(zhuǎn)變現(xiàn)有家庭配電系統(tǒng)的前提下，實(shí)現(xiàn)不同電池的設(shè)計(jì)和規(guī)范，在保證電流合理控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少經(jīng)費(fèi)的各項(xiàng)開(kāi)支，對(duì)電流進(jìn)行控制，節(jié)省電費(fèi)，并且滿足不同型號(hào)汽車的充電需要，應(yīng)用更加靈活。但是因?yàn)閮?chǔ)能電池的使用壽命、使用效率等制約因素，充電電池樁的使用壽命受到了一定的限制，隨著電池技術(shù)的提升，這些問(wèn)題正在不斷地被優(yōu)化，并且隨著電動(dòng)汽車的推廣逐漸得到了解決?？梢?jiàn)儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁的實(shí)際設(shè)計(jì)和使用意義具有較大的影響力，也是汽車行業(yè)發(fā)展的需要，值得推廣使用。

[1]周念成，蒲松林，王強(qiáng)鋼，等.電動(dòng)汽車快速充電站的儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)控制策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（17）：127-134.

[2]賈龍，胡澤春，宋永華，等.儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電站與配電網(wǎng)的聯(lián)合規(guī)劃研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017（1）：73-84.

Research and design of a kind of energy storage electric vehicle charging station

Shi Jinshan1, Chen Jingwen2
(1.Guizhou Vocational and Technical College of Electronic and Information, Kaili 556000, China;2.Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

With the gradual improvement of environmental protection awareness, people’s attention to environmental protection is also rising. On this basis, seeking new energy becomes a key issue in environmental protection. Energy as a clean energy, the use of electricity will realize the energy conservation management, so the energy storage electric vehicles appear and get the community recognized,however, the storage of energy storage cars is temporary. In order to ensure the continuity of the energy of the automobile, it is necessary to supplement the electric energy of the energy storage electric vehicle. Therefore, research and design of the charging station are needed,and a more scientific management method is adopted to ensure the efficiency of the energy storage electric vehicle to be improved. This paper mainly focuses on the research and design of an energy storage electric vehicle charging station.

energy storage electric vehicle; charging station; alternating current

石錦閃（1977— ），男，貴州凱里人，副教授，學(xué)士；研究方向：高職電力類專業(yè)教育。