電動汽車充電技術(shù)的研究

1、電動汽車充電技術(shù)的研究一、直流充電樁的基本結(jié)構(gòu)原理圖一體式直流充電系統(tǒng)主要包拈：直流充電模塊和樁控兩人部分，兩者其有數(shù)據(jù)信息交 換、前者為主后者為輔的控制關(guān)系，且都夼主電路、控制電路組成。k流充電模塊主電路采川整流、商頻逆變、整流、濾波方式實現(xiàn)動力電轉(zhuǎn)高壓s流， 次主電路控制方式由輸入斷路器、接觸器和充電接門連接器實現(xiàn)各個器件關(guān)斷和啟動功能；二次主電路主要采用升降壓方式與一次側(cè)形成隔離，對電路起到防干擾、隔直流和隔 交流作川。直流充電模塊控制電路包括：強制控制屮“啟停”控制、“急停”控制組成；軟啟動 控制由運行監(jiān)控控制、充電樁智能控制器、讀卞器和人機交互界面組成，其中液品人機交 k界而與ic卡

2、讀卡器統(tǒng)稱為用戶終端設(shè)備（ut）。主電路輸入斷路器具備過載、短路和漏電保護功能；輸出接觸器控制電源的通斷；連 接器提供與電動汽車連接的充電接門，具備鎖緊裝置和防誤操作功能。二次電路提供“啟 停”控制與“急?！辈僮?；信號燈提供“待機”、“充電”與“充滿”狀態(tài)指示；三相智 能屯能表進行充電過程中全部電量計量；用廣終端則提供刷卡計費、充電方式設(shè)置與啟停 控制操作。i.i i.2 u nhbg 2m abg共袖 r1r2 v1y2m 0mlrv>iii acwojt2rs485i."u7ivh? cas ks2.i2 rs4k5 jlink1 牝功屯|1主控制板sire 播 ma冷刼湖

3、i總柃（!潷2違接 屯施iii u l2l3u1i-v*-rercc& sai»ov/k*2 jjt mas 廣m cl， aia238ca q 24v22w2<v cct 24v:movl馳扣沈 jt j _ 購:tskwl觀1m3.p廠二、直流充電樁產(chǎn)生的諧波1. 單臺三相不可控整流充電機父流側(cè)電流波形電動汽車充電機是一種非線性設(shè)備，工作時產(chǎn)生的諧波電流很高。h前，使川最多的 是由三相不可控整流電路與dc/dc功率變換器構(gòu)成的充電機，其具有成本低、諧波含童高 等特點，典型結(jié)構(gòu)見閣1。其工作原理是三相不可控整流電路對三相交流電進行整流，經(jīng) 由電阻rf、也感l(wèi)f和屯容c

4、f組成的濾波屯路后為高頻dc/dc功率變換也路提供直流輸入， 經(jīng)輸山濾波電路后為電動汽車蓄電池提供電源。三相l(xiāng)i 2 2 2閣1商頻充電機結(jié)構(gòu)閣里然動力蓄電池的充電過程很長，但在一個微元么中可以認為充電機的輸出電流i。和 輸山電壓u。是恒定的，即可用1個電阻r來近似模擬高頻功率變換電路的等效輸入阻抗。r=u1/ii=ui2/pi=nui2/po=nui2/ < uoio) (i) 其屮，ih、和pi分別為高頻功率變換電路的輸入電壓、電流和功率；u。、i。和p。分別為卨頻功率變換電路的輸出電壓、電流和功率；n為功率變換模塊效率。本文所取研究 對象為充電過程中某一時刻，即直流側(cè)電壓4為514

5、.8 v、充電機電流k*17a、等效輸 入電阻r為32.63 q。圖2為單臺不可控整流充電機交流側(cè)電流波形，諧波電流畸變率達到了 54.55%，奇次 諧波電流較大，其中，5次諧波電流達到了 8.17 a, 7次諧波電流達到了 4.44 a，11次諧 波電流為1.4 a，13次諧波電流為1.15 a。可見，不可投充電機將產(chǎn)生較大的諧波電流， 需進行治理。z /s圖2單臺三相不可控整流充電機交流側(cè)電流波形2. 多臺充屯機諧波特征分析現(xiàn)行的6脈沖不可控整流充電機產(chǎn)生的諧波次數(shù)主要為6k ± 1 （k=l，2, 3,）， 電網(wǎng)側(cè)諧波總畸變率約為30% 8。電動汽車充電站內(nèi)往往含冇多臺充電樁，

6、因此對于 多臺充電機的諧波特性研究十分必要。含冇多臺充也機及冇源屯力濾波器（apf）的充也 站與電m連接示意圖如圖3所示。圖3電動汽車充電站與電網(wǎng)連接示意圖當多臺充電機同時工作時，配電網(wǎng)輸入充電站的總電流為多臺充電機輸出總電流之和。 由丁各充屯機在不同時刻工況不冋，w此產(chǎn)生的諧波電流交互影響，或疊加或抵消。6臺 不可控整流充電機進行諧波治理前后的諧波電流大小如表1所示。屮表1可知：諧波治理 前，6臺充電機外入電網(wǎng)后的電流畸變率為42.74% （低于中.臺充電機井入電網(wǎng)后的電流畸 變率），其中，5次諧波電流達到了 38.88 a, 7次諧波電流達到了 18.015 a, 11次諧波電 流為8.6

7、49 a，13次諧波電流為4.961 a;諧波治理后，各次諧波電流明顯降低，諧波總畸 變率為4.835%,符合電網(wǎng)諧波治理標準。但足，治理裝置對不川'控整流充電機產(chǎn)生的部分 25次以上的高次諧波治理效果并不明顯（由于治理裝置接入的影響，其中部分高次諧波反 而會增大）。若這部分諧波流入電網(wǎng)，與電網(wǎng)相互作用盾可能出現(xiàn)新的特征，下文將進一 步研究。3. 電網(wǎng)諧波潮流計算由以上分析可知，電動汽車充電站多組充電機整流模塊產(chǎn)生的諧波電流里經(jīng)變壓器降 壓流入系統(tǒng)，但研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)流動的諧波電流受線路分布電容影響后，可能引起放人現(xiàn)象。 因此，對1.2節(jié)所述注入系統(tǒng)的高次'府波進行分析，有助于進一

8、步了解電動汽車充電站接 入電網(wǎng)后對系統(tǒng)各節(jié)點電壓、電流處的精確描述。表1諧波治理前幻，6臺三相不可控整流充電機的諧波電流諧波次數(shù)-諧波電流/a諧波次數(shù)-諧波電流/a治理前治理后治理前治理后基波104.402110.858510.0030.02730.1390.084530.4620.488538.8881.4955504630.473718.0152.010570.0030.03390.0070.m5590.3500.437118.6490.526610.3500.474134.9610.57663(10020.036150.0060.032650.2840.447174.5070.56267

9、0.2750.403192.8610.543690.0010.018210.0060.027710.2450.352232.8050.544730.2290.436252.0020.520750.0020.061270.0050.058770.2200.364291.8740.556790.2010.423311.4780.483810.0020.052330.0050.055830j980355351.2920.490850.1820.413371.1080.507870.0010.026390.0040.042890.1760.346410.9040.542910.1650.371430.

10、8310.499930.0010.055450.0040.528950.1540.306470.6390.493970.1480.366490.6200.489990.0010.035在諧波潮流計算中，諧波電壓足由諧波源的該次諧波電流和其他節(jié)點上的諧波源的該 次諧波電流共同作川于系統(tǒng)的諧波阻抗所產(chǎn)生。則第n次諧波電流為：ln=ynun （2）其中，1。為節(jié)點注入的笫n次諧波屯流；un為節(jié)點諧波屯壓；丫。為系統(tǒng)導納矩陣。已 知各諧波電源向系統(tǒng)注入的各次諧波電流，可根裾式（2）求得節(jié)點電壓un。節(jié)點電壓un 說明了諧波源節(jié)點注入電流所造成的系統(tǒng)節(jié)點的諧波電壓大小，即產(chǎn)屮的對系統(tǒng)其他節(jié)點 電壓的負面

11、影響。三、電網(wǎng)污染1、電動汽車對電網(wǎng)的影響因素電動汽車充電對電網(wǎng)的影響兇素主要是電動汽車的普及程度、電動汽車的類型、電動 汽車的充電吋間、電動汽車的充電方式以及電動汽車的充屯特性。需要桁出的足，當電動 汽車接入電網(wǎng)的方式僅限于通過充電站（樁）吋，電動汽車對電網(wǎng)的影響就籠統(tǒng)地反映在充 電站（樁）對電網(wǎng)的影響。1）電動汽車的普及程度。電動汽車的普及程度不同對電m的影響人小也不同。電動 汽車數(shù)量較少，對電網(wǎng)的影響非常小，而當數(shù)量較人時，其對電網(wǎng)的影響將不容忽視。國 外根據(jù)電動汽車齊及程度分階段研究電動汽車對電m的影響。電動汽車的齊及程度受很多 方面的影響，k屮影響較人的是電動汽車技術(shù)的發(fā)展水平。當技

12、術(shù)很成熟而且價格較低吋， 電動汽車的擁冇量較高，此時其對電m的影響也較人。2）電動汽車的類型。木文指的電動汽車的類型主要是不同川途的汽車，如轎車、運 輸車等。不同類型電動汽車的充電電路和充電吋間是不一樣的。通過分析得到：大型多用 途汽車容景較人，充電所耑吋間也較長，對電網(wǎng)造成產(chǎn)生的影響最人。3）電動汽車的充電時w。充電時fnj場景的設(shè)h需要根據(jù)電動汽車使用者的用車習慣、 上下班吋間以及引導政策等來進行。在研究中，可以從電m運營者角度進行設(shè)置，也可以 從電動汽車使用者方便性方而進行設(shè)置。不同的充電時i'nj對電網(wǎng)的影響非常大，如災(zāi)在峰 荷時間進行充電將加重屯網(wǎng)負折，而如果在非峰荷時間進行

13、充屯將減小充電對屯m的沖:t。4）電動汽車的充電方式。0前，電動汽車充電方式主要分充電模式和更換電池模式， 這2種充電方式的-個共同特點是利用專用插座從電網(wǎng)獲得電能。充電模式討分為普通充 電和快速充電。普通充電又叫慢速充電，它每次充電所需的時間較長；快速充電是利川大 電流給電動汽車充電，這種充電方式不僅會給電網(wǎng)帶來較人的沖擊，而且會減少電池使用壽命。更換電池模式足將空電池留祚充電站利用小電流進行長時間充電。表1為2種充電 方式的比較。不同的充電方式可以應(yīng)用于不同類型的汽車，如更換電池模式適介在公交公 司、出租車公司使用，而對于私家車，可以選擇迕夜間電價便宜吋對汽車慢速充屯。5）電動汽車的充電特

14、性。充電汽車接入電網(wǎng)時的電力需要由充電的電壓和電流決定。 不同類型汽車的充電特性不同，對電網(wǎng)的影響也不同。通過分析得到人型多用途汽車對電 網(wǎng)的影響最大。2、電動汽車對電網(wǎng)的影響（一）削峰填芥在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)屮，實際用電負荷的波動性與發(fā)電機組額定工況下所要求的用屯負 荷穩(wěn)記性之間存在固冇矛盾，如何處理電力系統(tǒng)的峰谷差一直是電m企業(yè)爻疼的問題。由 于大多數(shù)電動汽車主要在白天行駛，晚上利用低芥的低價電為電動汽車充電，這樣就對電 力系統(tǒng)起到了削峰填谷的作用。（二）諮波污染電動汽車蓄電池充電屬非線性負荷，充電過程中會產(chǎn)生'府波。'諧波會對電網(wǎng)造成危害, 引起線路或變壓器附加損耗增加和發(fā)熱

15、，造成電網(wǎng)中局部的電感、電容發(fā)生諧振，使偕波 進一步放大。諧波對充電站（機）設(shè)備也存在威脅：對電費計量系統(tǒng)來說，苦將諧波電流 計為有功電流，可能造成用戶多支出電費；對計算機和一些其他電了設(shè)備來說，較高的諧 波可導致控制設(shè)備誤動作，進而造成生產(chǎn)或運行巾斷；對開關(guān)和繼電保護設(shè)備來說，講波 叫能導致電子保護式低壓斷路器之固態(tài)跳脫裝置不正常跳閘，可能對由序分景濾過器組成 啟動元件的保護及自動裝置產(chǎn)生干擾。（三）負荷不均勻當充電站的電動汽車采川人電流快速充電吋，會形成150600a的人電流，這可能會 造成電網(wǎng)不穩(wěn)定，并且過分密集的集屮充電可能導致充電站瞬吋負荷過大，對電網(wǎng)的負荷 調(diào)節(jié)能力、載荷能力以及電源容景均造成考驗。（ph）充屯站其他電能質(zhì)量指標電動汽車充電站為電動汽車運行提供能景補給，是發(fā)展電動汽車所必須的重要配套基 礎(chǔ)設(shè)施。充電站中用電設(shè)備中不含大型沖擊性設(shè)備，對公用電網(wǎng)產(chǎn)生的電伍偏差、頻率偏 差、電壓閃變、三項不平衡度基本滿記國標要求。由于電動汽車蒂電池充電屬非線性負荷, 充電過程中主要對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。通常汽車