基于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的電動汽車充電樁

鄭偉

摘 要：開發(fā)和采用新能源將有助于建立適當(dāng)?shù)某潆娫O(shè)施。本文分析了新能源傳統(tǒng)充電模式的需求和瓶頸，提出基于風(fēng)電互補性電動汽車充電樁解決方案，探討系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件平臺，數(shù)據(jù)表明，新型汽車綠色能源系統(tǒng)，解決了快速充電、獨立供電、節(jié)能減排等技術(shù)難關(guān)。

關(guān)鍵詞：新能源 電動汽車 充電站 風(fēng)光互補

Electric Vehicle Charging Pile based on Wind-solar Hybrid Power Generation System

Zheng Wei

Abstract：The development and adoption of new energy sources will help establish appropriate charging facilities. This paper analyzes the needs and bottlenecks of traditional charging modes of new energy， proposes a charging pile solution for electric vehicles based on wind power complementarity， discusses the hardware structure and software platform of the system， and shows that the new automotive green energy system solves the technical difficulties such as fast charging， independent power supply， energy conservation and emission reduction.

Key words：new energy， electric vehicles， charging stations， wind and solar complementarity

當(dāng)今世界，低碳經(jīng)濟已經(jīng)融入社會生活的主流。在大時代宏觀背景下，電動汽車具有廣闊的發(fā)展前景。電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)是充電輔助裝置。油電混合動力汽車和純電動汽車都與充電點密切關(guān)聯(lián)。直接利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)為新能源汽車充電迫切需要改變。例如，電網(wǎng)中快速充電與功率設(shè)置的沖突、電離問題、多個充電器對電網(wǎng)的和諧污染以及電網(wǎng)中的儲能與配電問題等，都要求開發(fā)新型環(huán)保型綜合電力系統(tǒng)。

太陽能和風(fēng)能是可再生能源。能源的連續(xù)性是由季節(jié)和氣候變化造成的。這部分能源的使用充分保證了風(fēng)能和光電傳感器的互補性，可以存儲非均勻分布或交替分布的太陽和風(fēng)能。使綠色能源能夠根據(jù)實際能源需求及時、適當(dāng)?shù)厣a(chǎn)。

本文介紹并設(shè)計了集太陽能、風(fēng)能利用、電池存儲技術(shù)、高效轉(zhuǎn)換、電動汽車充電等新型能源于一體的全電動汽車充電站，并對新型汽車的實際能源供應(yīng)方案進行了探討。

1 新能源汽車充電站發(fā)展現(xiàn)狀

中國目前電動汽車充電站多為電動客車或單位服務(wù)，大眾沒有得到普及服務(wù)。

1.1 我國發(fā)展歷程

2006年比亞迪深圳總部落成首個充電站。

北京奧運會期間，中國落成了首個集中充電站，可滿足50節(jié)純電動公交車電池的需求。

2009年10月，上海電力在上海投資建設(shè)了cox充電站，這是中國首個具有商業(yè)功能的充電站。2009年底在北京，中國首個具有全智能微電網(wǎng)的示范公交車站建成。同年，深圳建成中國首個電動汽車充電站。

2010年3月31日，唐山湖裝卸站建成投產(chǎn)。這是中國國家電網(wǎng)中首個典型的設(shè)計充電站。它通過可為十輛電動汽車充電：快速充電和慢速充電。

2015年1月15日，中國首個高速充電網(wǎng)絡(luò)——京滬高速充電網(wǎng)絡(luò)全面開通。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

歐美等國家開始建設(shè)自己的電動汽車充電設(shè)備。以美國和日本舉例：

（1）美國

美國幅員遼闊，各州都有很強獨立性。各州對電動汽車及其充電系統(tǒng)的假設(shè)各不相同。在加利福尼亞、弗吉尼亞等地開展了系統(tǒng)的建設(shè).包括加州最大的建筑工程，連同舊金山、奧克蘭和北加州圣何塞的政府，2012年，這些城市的所有政府大樓、停車場、商業(yè)大樓和住宅區(qū)都將安裝充電樁。2008年，在部分地區(qū)安裝電池更換裝置，以方便長途更換。此外，在加利福尼亞州101號公路上建造了首批5個太陽能充電站。每個充電站可以提供240V和70A的快速充電服務(wù)，以及用純特斯拉電力機車為電力機車充電3.5小時。

（2）日本

截至2009年，日本有100多個充電站，其中60%集中在東京。日本政府表示，將在三年內(nèi)建成1000多個充電站，以實現(xiàn)電動汽車的普遍化。位于東京的日本電力公司牽頭建設(shè)了相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。2010年，東京將建設(shè)200多個充電站。

2 新能源充電站應(yīng)用方案及充電技術(shù)

電動汽車作為一種發(fā)展前景廣闊的綠色汽車，未來將迅速發(fā)展，市場前景廣闊。在全球能源和環(huán)境危機不斷加劇的背景，中國政府積極推進新能源汽車的引進和發(fā)展。作為電動汽車發(fā)展的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，具有重要的社會效益和經(jīng)濟效益。全國范圍內(nèi)開始建設(shè)電動汽車充電和更換站。

電動汽車集中器、充電設(shè)備、電池管理系統(tǒng)和充電管理服務(wù)平臺四部分組成的系統(tǒng)。

充電點控制電路主要由ARM處理器完成.用戶可以使用卡識別用戶，查找余額，查詢費用等。其他以及語音輸出接口，實現(xiàn)語音交互。根據(jù)LCD說明書，用戶可選擇多種充電方式。

充電器與集線機之間的資料可以經(jīng)由控制器的路徑進行，集線機與平臺服務(wù)器則利用無線網(wǎng)絡(luò)或 GPRS網(wǎng)絡(luò)進行資料的交流。電力及電力資料均需保密，以確保安全性。

蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要功能是監(jiān)測蓄電池的工作狀態(tài)（蓄電池電壓、電流和溫度），預(yù)測蓄電池容量（SOC）和相應(yīng)的剩余車輛公里數(shù)，管理蓄電池以防止過度充電、過熱和單個蓄電池之間電壓嚴重不平衡，最大限度地提高蓄電池的存儲容量和循環(huán)壽命。

服務(wù)管理平臺功能包括：裝載管理，裝載操作，完成查詢。充電管理的重點是電動車數(shù)據(jù)庫、電池數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、充電庫存數(shù)據(jù)等。加載用戶的操作；深入分析經(jīng)營管理數(shù)據(jù)。

2.1 新能源充電站應(yīng)用技術(shù)

在21世紀，可充電電池被用作電源。蓄電池充電是電力機車的基本子系統(tǒng)之一，其功能是將電網(wǎng)中的電能轉(zhuǎn)換為在電力機車上運行的電力機車。電力機車的分類包括類別：通常分為充電裝置和其他充電器。

“汽車充電裝置”是指安裝在電動汽車上的電池充電裝置，由車輛負載通過地球交流網(wǎng)絡(luò)供電，包括汽車充電裝置、充電發(fā)電機和工作能量回收裝置。車載充電器一般采用接觸式或感應(yīng)式充電，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。該設(shè)計完全符合車輛所攜帶的蓄電池類型，具有強烈的現(xiàn)實意義。戶外充電器，即落地充電器，主要包括專用充電器、通用充電器等。多組電池可滿足任意充電方法。一般來說，非公路用充電裝置功率大、體積大、重量輕，能夠適應(yīng)不同的充電模式。

此外，根據(jù)電池充電過程中的能量轉(zhuǎn)換方法，充電可分為接觸充電和感應(yīng)充電。由于電力電子學(xué)、變壓器的控制技術(shù)、高精密測量技術(shù)的發(fā)展與推廣，負荷電流和負荷電壓的變動，使傳統(tǒng)的高壓式充放電方式逐步代替了傳統(tǒng)的高壓式充電方式。恒壓充電模式和充電形式限制仍是最重要的充電模式。接觸式充電器最大的問題在于它的安全性和通用性，要達到高質(zhì)量的要求，就需要對各種條件下的充電器進行安全的充放電。直流和 DC是接觸式充電技術(shù)中的常用方法，電動汽車充電新技術(shù)發(fā)展迅速。感應(yīng)充電器采用磁變壓器的高頻交流原理，從車輛啟動到車輛輔助側(cè)收集能量，為蓄電池充電。安全性得到了保障，因為貨物和機器之間沒有直接接觸。即使車輛在雨雪等極端天氣條件下充電，不無需擔(dān)心產(chǎn)生接觸危險。

3 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)

能源是國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在過去的200年里，煤炭、石油和天然氣等化石能源系統(tǒng)為人類社會的發(fā)展做出了重大貢獻。然而，化石燃料的使用造成了重大的環(huán)境影響和環(huán)境破壞。近年來，世界各國認識到人類對能源的依賴性，各國開始根據(jù)國情制定相關(guān)政策。并將開發(fā)和使用新的可再生和清潔能源視為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。風(fēng)能互補太陽能發(fā)電系統(tǒng)是一種新型、經(jīng)濟高效的風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.1 風(fēng)光互補系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力渦輪機、太陽能電池、控制器、電池、逆變器、交直流負載等組成。系統(tǒng)綜合風(fēng)能、太陽能和電池發(fā)電技術(shù)以及智能系統(tǒng)控制技術(shù)的可再生能源生產(chǎn)復(fù)合系統(tǒng)。

（1）在風(fēng)能領(lǐng)域，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，電池由控制器充電，負載由逆變器充電。

（2）光電器件是利用太陽能板的光電作用，把光能轉(zhuǎn)換成電能，由逆變器對電池進行充電，將DC轉(zhuǎn)換AC，給負荷提供動力。

（3）逆變器系統(tǒng)由多個逆變器組成，使220V直流成為交流充電電池正常使用的常態(tài)。同時具有自動穩(wěn)壓功能，提高了互補風(fēng)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

（4）根據(jù)太陽強度、風(fēng)和負荷的變化，連續(xù)切換和調(diào)節(jié)電池運行模式：一可調(diào)電能直接進入直流或交流電。剩余電流被發(fā)送到蓄電池進行存儲。當(dāng)發(fā)電不能滿足負載要求時，控制器將電池電源發(fā)送到負載下，以保證整個系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（5）電池部分由幾個電池組成，它們在系統(tǒng)中起兩個主要作用：能量調(diào)節(jié)和負載平衡。當(dāng)電源不足時，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)換為化學(xué)儲能。

3.2 風(fēng)電互補系統(tǒng)的優(yōu)勢

風(fēng)力互補發(fā)電是一種利用太陽能電池陣列和風(fēng)力渦輪機（AC-DC轉(zhuǎn)換）一種將電力儲存于蓄電池中的電力生產(chǎn)的應(yīng)用體系。當(dāng)使用者有電力需求時，儲存在電池里的 DC電流會被轉(zhuǎn)化成AC，經(jīng)由傳送線路傳送到使用者的負荷。風(fēng)力渦輪機和太陽能電池板是兩種同時發(fā)電的發(fā)電廠

電廠利用風(fēng)能和太陽能直接控制水泵，實現(xiàn)無需電池的抽水蓄能，利用儲存的水能實現(xiàn)穩(wěn)定的能源生產(chǎn)和供應(yīng)。這種能源開發(fā)模式結(jié)合了水電、風(fēng)能、太陽能等傳統(tǒng)新能源的開發(fā)，利用能源的時空分布差異，實現(xiàn)進一步發(fā)展。適用于電網(wǎng)難以覆蓋的偏遠地區(qū)，并在能源開發(fā)中促進環(huán)境和環(huán)境保護。

建造變電站、高低壓線路和高低壓配電系統(tǒng)外，必須充分利用風(fēng)能和太陽能，在缺少外部電源的情況下產(chǎn)生額外的能量。該系統(tǒng)具有互補、穩(wěn)定可靠、性價比高的特點；電廠的維護工作和相關(guān)成本顯著降低；發(fā)生天災(zāi)時不影響用戶的獨立電源；操作安全，低壓供電，維護方便。

風(fēng)能、太陽能是純能源。隨著光電技術(shù)和風(fēng)電技術(shù)的成熟，以及產(chǎn)品在實際應(yīng)用過程中的不斷改進，為互補風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣和實施奠定了基礎(chǔ)。風(fēng)能補充系統(tǒng)有利于我國節(jié)能環(huán)保型、資源節(jié)約型、生態(tài)友好型社會的發(fā)展。由于社會發(fā)展和能源短缺，高科技被廣泛應(yīng)用。開發(fā)和利用新能源是人類發(fā)展的趨勢。處在資源匱乏的時代，推廣和使用風(fēng)能和太陽能。中國應(yīng)當(dāng)做出努力，努力成為新能源領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

由于資源的不確定性，風(fēng)能和太陽能資源都是不確定的：風(fēng)能和太陽能發(fā)電廠的電力是不平衡的，不能直接用于負荷供應(yīng)。為了確保負載的穩(wěn)定供電，必須使用蓄電池沖程來確保負載的穩(wěn)定供電。由電池、太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機和控制器組成的智能風(fēng)能互補生產(chǎn)系統(tǒng)，可以更好地將風(fēng)能互補在時間和區(qū)域上結(jié)合起來。

4 風(fēng)電互補系統(tǒng)充電樁發(fā)展的必要性

4.1 電動汽車鋰離子動力電池的充電需求

鋰離子具有能量密度高、體積密度大、工作電壓高、無記憶效應(yīng)、自放電、環(huán)境污染小等特點。它是電動汽車的理想電源，完全可以滿足電動汽車的要求。

由于鋰離子電池的過載能力較低，在后續(xù)的充電階段無法像鉛酸蓄電池那樣對電池進行補償。即使電池經(jīng)過嚴格檢查并在一定時間內(nèi)使用，電池的性能仍有所不同。因此，必須采用一致的充電模式，即。其他事項BMS是了解電池特性和狀態(tài)最全面的設(shè)備。可以實時了解充電器電池信息，有效地解決了部分蓄電池過載問題。

電力供應(yīng)應(yīng)該是一種潔凈、環(huán)保的電力。單純采用常規(guī)供電方式，會造成高速充電時產(chǎn)生較高的電壓，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全性。在將來，電動車的廣泛應(yīng)用將對整個人類的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。電力車輛是為了節(jié)約能源和減少排放而設(shè)計的。常規(guī)的電網(wǎng)主要依靠燃煤來供電，可以提高城市的大氣品質(zhì)。但是，節(jié)能和減少對地球環(huán)境的影響并不明顯，所以將新的能量用于電動車的充放電成為當(dāng)前重要問題。

電動汽車對充電裝置的要求主要體現(xiàn)在快速、智能和低二氧化碳排放上。基于風(fēng)光互補集成電源的電動汽車充電站能夠很好地滿足電動汽車蓄電池的充電要求，具有良好的發(fā)展前景。

4.2 充電站硬件組成和軟件平臺

4.2.1 硬件組成

充電站系統(tǒng)主要由光伏模塊陣列、風(fēng)扇、風(fēng)光互補控制器、蓄電池、非電網(wǎng)隔離的反車輛轉(zhuǎn)換器和快速充電通道組成。光伏電池陣列和風(fēng)力渦輪機通過模態(tài)轉(zhuǎn)換器與附加的氣動控制器連接，有效地將太陽能或風(fēng)能存儲模塊轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。由于光電和風(fēng)力渦輪機的輸出功率隨外界條件而變化，因此必須調(diào)整MPPT以提供這兩種類型的電力。鋰離子電池也被用作能量儲存電池，以改善系統(tǒng)和滿足電動汽車的快速充電需求。負載的能量轉(zhuǎn)換連接器為非絕緣型。由于蓄電池電壓高，本文所述系統(tǒng)為DC288V。

用于電網(wǎng)外的逆變器主要適用于小型車輛的負載，并提供交流電源。由于小型電動汽車充電器一般采用高頻交直流變換器，所以第一級充電器主要采用二級校準(zhǔn)形式，離網(wǎng)逆變器可采用改進的正弦波模式。不僅可以提高充電站的成本，還能消除嵌入式充電器的poc鏈。正弦波易于調(diào)節(jié)，為保證穩(wěn)定的直流輸出，是理想的高頻電壓開關(guān)，因為電源最終需要穩(wěn)定的直流電壓，而不是正弦交流電壓。

直流/直流快速充電通道模式是本文所述充電站的峰值。該模式用于電動公共汽車和電動汽車的快速充電。這種模式的主要部分是帶有雙向直流/直流功率轉(zhuǎn)換器的高頻高效柔性開關(guān)。斷路器每個循環(huán)中，將諧振電感能量與開關(guān)并聯(lián)諧振電容能量分離時，能實現(xiàn)零電壓開關(guān)。

本換能器采用滯后交流環(huán)控制方法，在不同電壓和電流下實現(xiàn)共振電感，在開關(guān)的每個周期內(nèi)都有最小的累積能量電流，實現(xiàn)了軟斷路器的全過程，大大提高了功率轉(zhuǎn)換效率。

因為本文所述的轉(zhuǎn)換器具有雙向能量流，電動汽車的能量可以通過節(jié)能站的反饋得到，更重要的是雙向能量流可以實現(xiàn)正負脈沖的快速充電。對于每個放電深度，蓄電池的充電/接收比與放電電流的對數(shù)。放電電流的增加了充電和接收的程度。結(jié)果表明T1正電荷和T3相放電有利于電荷去極化和加速。傳統(tǒng)的電源模式下，放電脈沖往往依賴于電阻放電的放大，大大降低了能量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)使用交流功率反饋時，會導(dǎo)致系統(tǒng)異常復(fù)雜。

4.2.2 軟件平臺

充電站軟件平臺由底層數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用層信息管理組成。該系統(tǒng)的具體軟件組成部分包括數(shù)據(jù)收集、氣象參數(shù)計算、數(shù)據(jù)存儲和查詢、報告發(fā)布等。D.在VB平臺上開發(fā)了人機可視化接口。通信功能由MSComm執(zhí)行，數(shù)據(jù)庫訪問用于收集和管理數(shù)據(jù)。

集成BMS與充電站之間的數(shù)據(jù)交換是通過CAN總線實現(xiàn)的.DC/AC和DC/DC交換機連接到控制計算機以控制充電和控制開關(guān)。計算機記錄下載過程，管理和控制數(shù)據(jù)庫，并將計算機連接到打印機打印統(tǒng)計報告。應(yīng)用軟件主要針對發(fā)薪系統(tǒng)管理平臺和發(fā)薪系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢平臺，分別對系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行管理控制，對電動車充電和客戶充電進行管理控制，以及仔細查找相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

相信隨著設(shè)備材料成本的降低、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國家扶持政策的出臺，新型的綠色、綠色、環(huán)保的電力系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用。

基金項目：甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年基金項目《基于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的電動汽車充電樁的設(shè)計與研究》項目編號：GSJD2021B04。

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