儲能式電動(dòng)汽車(chē)充電樁系統的分析與設計

摘要: 本文設計了一套3kW的模擬系統，該系統主要由功率調節系統(PCS)和控制系統組成，PCS實(shí)現儲能電池、電動(dòng)汽車(chē)電池和交流電網(wǎng)之間的能量轉換，控制系統實(shí)現對電池在線(xiàn)監測管理和對PCS的PWM控制。理論分析與實(shí)驗結果表明，該系統在保證傳統充電樁的功能下，有效地降低了充電樁對電網(wǎng)的功率要求。

引言

　　隨著(zhù)環(huán)境和能源問(wèn)題的日益嚴峻，電動(dòng)汽車(chē)和新能源發(fā)電應運而生。電動(dòng)汽車(chē)也以其綠色環(huán)保、高效率等優(yōu)點(diǎn)成為現代汽車(chē)工業(yè)的重要發(fā)展方向^[1]。發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)必須建設與之配套的充電設施，因此大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)充電設施已成為國內外研究的重點(diǎn)。

　　目前，我國智能配電網(wǎng)和智能配電居民小區建設還很不普及和完善，已有居民小區的供電容量不能滿(mǎn)足較多電動(dòng)汽車(chē)的充電需要。增加配電設備容量，將會(huì )涉及投資、多部門(mén)協(xié)調及復雜的施工改造等問(wèn)題，而且還會(huì )導致負荷峰谷差變大，降低設備利用率，從而限制私家電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)一步推廣。

　　針對上述問(wèn)題，文獻[3]基于峰谷分時(shí)電價(jià)，最大限度利用谷時(shí)段進(jìn)行充電的雙序谷有序充電控制方法;該方法雖能在不改變原配電容量的前提下，實(shí)現對多輛電動(dòng)汽車(chē)的同時(shí)充電，但其只能實(shí)現慢速充電的需求，對于快速充電仍無(wú)法滿(mǎn)足。文獻[4]根據配電網(wǎng)調度對快速充電站功率變化率的限制需求，提出了含儲能緩沖系統的快速充電站拓撲結構和控制策略。

　　結合上述文獻，本文提出在傳統的充電樁內，增加大容量蓄電池組和附加的能量轉換系統，設計了一種基于DSP的儲能式電動(dòng)汽車(chē)充電樁模擬裝置，可以在不改變配電網(wǎng)的前提下，實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)電池組的快速充電。

1 儲能式充電樁的總體結構

　　圖1所示為儲能式充電樁的系統結構圖，該系統主要由功率調節系統(PCS)[7]和DSP控制系統兩部分組成。PCS采用直流母線(xiàn)式結構，是電網(wǎng)與儲能電池組和電動(dòng)汽車(chē)電池組、儲能電池組與汽車(chē)電池組之間的能量傳輸紐帶;交流電網(wǎng)與直流母線(xiàn)之間采用PWM整流器，實(shí)現能量的雙向流動(dòng);直流母線(xiàn)與儲能電池組之間采用雙向Buck-Boost變換器，實(shí)現電池組的充放電功能;直流電網(wǎng)與電池汽車(chē)電池組之間采用Buck變換器，實(shí)現對電池的恒壓、恒流和脈沖充電?？刂葡到y以TMS320F28335為核心，主要實(shí)現對儲能電池組狀態(tài)的監測和管理以及對PCS的控制調度。

2 硬件系統設計

　　系統的硬件主要包括功率調節系統、功率管和繼電器驅動(dòng)系統、相關(guān)參數采樣系統、人機交互系統和輔助電源系統。繼電器采用普通的光隔+三極管驅動(dòng);功率管采用專(zhuān)門(mén)的IGBT驅動(dòng)芯片M57962;由于功率調節系統^[6]是儲能式充電樁內的關(guān)鍵部分，因此下面主要對單向AC/DC、單向DC/DC和雙向DC/DC的拓撲結構進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

　　1)交流電網(wǎng)與直流母線(xiàn)之間采用單相不可控整流電路，拓撲結構如圖2(a)所示。單相220V交流電通過(guò)整流濾波后轉變?yōu)?11V直流電;為了防止電容充電電流過(guò)大，通過(guò)限流電阻R1給電容充電。當電容充滿(mǎn)電后吸合開(kāi)關(guān)K2，使R1短路，減少電路損耗;濾波電容由兩個(gè)400V/680μF電解電容串聯(lián)組成;由于每個(gè)電容器的的漏電流存在差別，所以在每個(gè)電容兩端并聯(lián)一個(gè)均壓電阻，提高電容的使用壽命。

　　2)直流母線(xiàn)與電動(dòng)汽車(chē)電池組之間采用圖2(b)所示的Buck變換器，通過(guò)電壓閉環(huán)或電流閉環(huán)來(lái)調節V1的占空比，可實(shí)現對電池的恒壓或恒流充電;該電路結構簡(jiǎn)單，實(shí)現容易。功率管V1采用FF100R12KS4型號的IGBT，其最高耐壓達1200V，最大電流達200A，內部集成續流二極管，續流二極管采用MURP20040CT，其內部?jì)蓚€(gè)400V/200A的二極管陰極相連，電池側采用LC濾波。

　　3)直流母線(xiàn)與儲能電池組之間采用圖2(c)所示的Buck-Boost變換器。當對儲能電池充電時(shí)，V1、VD2導通，電路工作于降壓斬波模式;當儲能電池放電時(shí)，V2、VD1導通，電路工作于升壓斬波模式;通過(guò)電壓或電流閉環(huán)，二者均可實(shí)現恒壓或恒流充放電功能;該變換器結構簡(jiǎn)單、具有雙向功率輸送能力。功率管V1、V2均采用FF100R12KS4型號的IGBT;電池側采用LC濾波。

3 軟件系統設計

3.1 控制系統的算法設計

　　本系統采用DSP控制芯片對整個(gè)系統進(jìn)行控制。儲能電池的管理系統主要實(shí)現對電池的電壓、充放電電流、溫度和荷電狀態(tài)(SOC)的監測。功率調度系統主要實(shí)現對電池的恒壓或恒流充放電功能。下面主要對Buck變換器在恒壓控制模式下的閉環(huán)控制算法^[9]進(jìn)行介紹。

　　恒壓控制模式的控制框圖如圖3所示，其中K_FB=V_ref/V_o，為反饋系數;K_MOD=1/V_m，為PWM脈寬調制器的增益，V_m為鋸齒波的幅值;G₁(s)=K_p/(1+ω_s/s)為電壓誤差放大器的傳遞函數。本設計中采用數字P_I調節器，其中ωs用于消除穩態(tài)誤差，一般取為G_vd(s)極點(diǎn)的1/10以下，K_p用于使剪切頻率處的開(kāi)環(huán)增益以-20dB/十倍頻穿越0dB線(xiàn);G_vd(s)為Buck變換器的占空比至輸出電壓的傳遞函數，利用狀態(tài)空間平均法建立Buck變換器的交流小信號模型，可以求出G_vd(s)為

　　式中D為占空比，V_o為直流母線(xiàn)的電壓平均值，L和C為輸出的濾波電感和電容，R為負載電阻。

　　在實(shí)際工作中，DSP采樣得到的電壓反饋信號與設定電壓進(jìn)行比較，根據誤差信號進(jìn)行PI調節。PI調節器輸出信號由DSP內部脈沖生成單元與三角載波比較產(chǎn)生PWM驅動(dòng)驅動(dòng)，通過(guò)不斷調節Buck變換器中開(kāi)關(guān)管的占空比，來(lái)實(shí)現穩壓功能。利用同樣的方式，可以設計恒流輸出時(shí)的PI控制器。

3.2 控制系統的軟件設計

　　本系統的控制核心采用TI公司新推出的一款浮點(diǎn)型數字信號處理器—TMS320F28335^[10]，工作頻率可達150MHz;內部包含18路PWM輸出端口，6路高分辨率脈寬調制模塊(HRPWM);16路高精度的12位數模轉換器(ADC)，轉換時(shí)間可達80ns。整個(gè)系統的主程序流程如圖4所示。

4 實(shí)驗結果與分析

　　本文設計了一臺3kW的實(shí)驗樣機，技術(shù)參數為：交流輸入電壓為單相220V;直流母線(xiàn)電壓為311V;電動(dòng)汽車(chē)電池組采用4只12V60Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)來(lái)模擬;儲能電池組采用4只12V30Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)來(lái)模擬。

　　利用本系統對模擬電動(dòng)汽車(chē)電池組以1C(60A)進(jìn)行充電，Buck-Boost變換器工作于Boost恒流放電模式，放電電流為0.5C(30A)，交流電網(wǎng)提供0.5C(30A)的充電電流，功率管的工作頻率為10kHz。圖5為利用模擬儲能電池組和交流電網(wǎng)同時(shí)給模擬電動(dòng)汽車(chē)電池組進(jìn)行恒流充電時(shí)，Buck變換器的輸出電壓波形，忽略開(kāi)通關(guān)斷時(shí)刻的電壓尖峰，電壓紋波 < 50mV(每格100mV)。圖6為利用最佳充電方案給儲能電池組進(jìn)行充電時(shí)，整個(gè)過(guò)程中端電壓和充電電流的變化曲線(xiàn)。開(kāi)始階段采用0.1C(3A)恒流充電，當電壓達到57.6V時(shí)，采用恒壓充電，直至充電電流小于0.05C(1.5A)，充電結束。由圖6可見(jiàn)，在開(kāi)始充電瞬間，電池電壓迅速增大，然后趨于穩定，恒流充電最后階段電池電壓逐漸增大，在恒壓充電過(guò)程中，充電電流逐漸減小，與理論變化過(guò)程基本相同。

5 結論

　　通過(guò)以上分析可以看出，采用儲能式充電樁，能使現有城市或家庭的配電系統無(wú)需進(jìn)行太大的增容改造，就可以承受電動(dòng)汽車(chē)快速大電流充電的要求，且可以減少電費支出，同時(shí)具有傳統充電樁具有的常規充電功能，而且通過(guò)儲能電池容量的配置，可以滿(mǎn)足不同容量的充電要求，應用靈活。但是由于儲能電池壽命、效率等因素的影響，使其應用受到一定的限制。但是隨著(zhù)電池技術(shù)的不斷提升，將充電樁與電池儲能技術(shù)相結合，構建儲能式電動(dòng)汽車(chē)充電樁，對推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的廣泛應用具有重要意義。

　　本文只是針對一個(gè)用戶(hù)進(jìn)行分析，沒(méi)有考慮到大量用戶(hù)同時(shí)運行時(shí)對電網(wǎng)的影響，所以今后應該針對某一個(gè)特定住宅小區來(lái)分析所有用戶(hù)的出行習慣、行駛里程數等數學(xué)模型，結合儲能式充電樁的特點(diǎn)，利用有序充電的控制方法，設計出更加合理的充放電控制策略。

參考文獻:

　　[1]李勝,李玉堂,李俊玲等.新能源發(fā)電綜述[J].現代農業(yè),2013,(4):78-79

　　[2]段朝偉,張雷,劉剛.電動(dòng)汽車(chē)鉛酸電池脈沖快速充電系統設計[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(7):75-77

　　[3]蘇海鋒,梁志瑞.基于峰谷電價(jià)的家用電動(dòng)汽車(chē)居民小區有序充電控制方法[J].電力自動(dòng)化設備,2015,06:17-22

　　[4]周念成,蒲松林,王強鋼等.電動(dòng)汽車(chē)快速充電站的儲能緩沖系統控制策略[J].電力系統保護與控制,2013,(17):127-134

　　[5]孫軼.比亞迪秦5.9s的背后[J].汽車(chē)與駕駛維修:汽車(chē)版,2014,(4): 57-61

　　[6]鮑冠南,陸超,袁志昌.基于動(dòng)態(tài)規劃的電池儲能系統削峰填谷實(shí)時(shí)優(yōu)化[J].電力系統自動(dòng)化,2012,36(12):11-16

　　[7]房新雨,黃克捷,馮俊淇等.電動(dòng)汽車(chē)充放儲一體化電站四種變流裝置對比[J].電力電子技術(shù),2013,47(7):64-66

　　[8]徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005: 95-110

　　[9]劉陵順,高艷麗,張樹(shù)團等.TMS320F28335 DSP原理及開(kāi)發(fā)編程[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社

　　[10]馮亮.電動(dòng)汽車(chē)充電站規劃研究[D].天津:天津大學(xué),2013　　[11]Sungwoo Bae, Alexis Kwasinski. Spatial and Temporal Model of Electric Vehicle Charging Demand. IEEE Trans. Smart Grid, vol. 3no.1, pp. 394-403,Mar, 2012

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第42頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。