電動汽車充電站設計.

1、電動汽車充電站設計 摘要：隨著電動汽車技術的日趨成熟，電動汽車商業(yè)運營已經在國內多個城市開展，智能充電站系統(tǒng)成為電動汽車領域的重要課題。我們先對對電動汽車充電站的結構主要設備進行闡述，然后拓展開，討論電動汽車所具有的優(yōu)勢以及電動汽車充電站所存在的問題。接下來我們主要研究了電動汽車的快速充電問題和方法，最后對因充電站帶來的諧波問題進行分析，并對諧波治理采取有效的措施。關鍵詞：電動汽車充電站；快速充電；諧波節(jié)能、環(huán)保、緩解能源危機、改善人類生存環(huán)境和遏制大氣狀況繼續(xù)惡化是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問題，也是其發(fā)展的方向傳統(tǒng)汽車消耗了大量優(yōu)質緊缺的石油天然氣，這使電動汽車成為解決我國石油能源短缺的

2、根本出路以電動汽車為代表，大力促進其發(fā)展，有助于實現(xiàn)交通能源的多元化并維護國家的能源安全。1. 概述面對傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放造成的污染及其對石油資源的過度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問題，電動汽車(electric vehicle，EV)以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性，成為當今國際汽車發(fā)展的潮流和熱點之一。目前，電動汽車電能供給方式主要有交流充電、直流充電和電池組快速更換3 種典型方式。1）交流充電方式。外部提供220 V 或380 V 交流電源給電動汽車車載充電機，由車載充電機給動力蓄電池充電。一般小型純電動汽車、可外接充電式混合動力電動汽車(plug in hybrid electric vehicl

3、e，PHEV)多采用此種方式。車載充電機一般功率較小，充電時間長。2）直流充電方式。地面充電機直接輸出直流電能給車載動力蓄電池充電，電動汽車只需提供充電及相關通信接口。地面充電機一般功率大，輸出電流、電壓變化范圍寬。有些地面充電機還具備快速充電功能。3）電池組快速更換方式。電動汽車與充電機無直接聯(lián)系，而是通過專用電池更換設備將車上少電的電池取下，換上充滿電的電池，這個過程所需時間短。電池由地面充電機充滿電，并放置在更換專用電池架上備取。 目前汽車燃油消耗已經成為石油消耗的主體，據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在世界石油消耗中，航空耗油占12，海運耗油占7，而汽車耗油占75。在我國，汽車的石油消耗已經占到了

4、全國石油消耗總量的25，并且還將持續(xù)增長下去，根據(jù)預測，到2010年我國的汽車石油消耗將占全國石油消耗量的35，到2020年我國汽車對石油的消耗將達到全國石油消耗總量的55。 汽車在消耗大量石油資源的同時，還排放大量尾氣，是公認的污染大氣的“頭號殺手。資料顯示，北京大氣中的有害氣體大多來自機動車的排放污染，其所占比例為：碳氫化合物735、一氧化碳634、氮氧化物37。目前我國大中城市的空氣污染情況已經達到了嚴重影響人民身心健康和社會可持續(xù)發(fā)展的程度。根據(jù)國家環(huán)保中心的預測，2010年我國汽車尾氣排放量將占空氣污染源的64。要緩解這兩個日趨嚴重的問題，汽車工業(yè)必然向著環(huán)保、清潔、節(jié)能的方向發(fā)展。

5、電動汽車以電代油，能夠實現(xiàn)“零排放”，噪音低，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。然而，城市高樓給充電帶來了很多的不方便，其他地方充電站也遠遠不能滿足需求，因此我們要加速建設汽車充電站，以滿足未來的市場需求。2. 電動汽車發(fā)展趨勢 面臨能源和環(huán)境的壓力，世界各國著名的汽車廠商都十分重視研究開發(fā)電動汽車，發(fā)達國家不惜投入巨資進行研究開發(fā)，并制定了一些相關的政策法規(guī)來推動電動汽車的發(fā)展。 隨著中國汽車保有量進一步擴大，能源危機的問題也在逐步臨近。因此，節(jié)約能源且環(huán)保的新型動力的開發(fā)將是未來汽車發(fā)展的走向，清潔能源車的研發(fā)和推廣也被提升至前

6、所未有的高度。 在我國，通過近五年的努力，實現(xiàn)了純電動汽車的小批量生產，開發(fā)的產品通過了國家汽車產品型式認證，純電動汽車在特定區(qū)域的商業(yè)化運作廣泛開展。純電動轎車的動力性、經濟性、續(xù)駛里程、噪聲等指標已超過法國雪鐵龍公司等國外大型汽車生產企業(yè)研制的純電動轎車和箱式貨車，初步形成了關鍵技術的研發(fā)能力。在國家大量資金投入的前提之下，高校、大量的企業(yè)也參與到這場“新能源汽車秀中。電動汽車的發(fā)展存在以下瓶頸。(1)技術爭議 當前的電動汽車技術還存在不少問題，如蓄電池的使用壽命不長而更換成本高；國產零部件尚未完全過關，關鍵元器件均需進口；低溫條件下電池超快充電技術未根本解決等。只有關鍵技術和傳統(tǒng)技術、關

7、鍵部件和傳統(tǒng)配件的全面發(fā)展，才能開發(fā)出先進的、可以市場化的電動汽車。(2)運行經濟性 電動汽車不受油價飛漲的影響。但純電動汽車需要改變整個動力體系，要花一部分額外的成本來裝電機、電池，而電機控制系統(tǒng)的成本較高，帶動整車銷售價格的提高。在這種情況下，與同時也在不斷進步的內燃機節(jié)能技術相比，如果沒有政府的政策鼓勵性經濟補貼，用戶選擇購買價格昂貴的純電動汽車并不見得劃算。(3)基礎設施裝備 電動汽車商業(yè)化的基礎設施包括充電站網(wǎng)絡、車輛維修服務網(wǎng)絡、多種形式的電池營銷、服務網(wǎng)絡等。建立一定數(shù)量的公用充電站、配備專用電纜及插座等是延長行駛里程、實現(xiàn)純電動汽車產業(yè)化的關鍵。 這里存在一個電力供應問題。目前

8、已有汽車企業(yè)與電網(wǎng)公司探討由電網(wǎng)公司制作標準化電池，利用波谷電將電蓄到電池，再將電池租給電動汽車用戶、公交公司的方式。(4)政府政策支持 正因為純電動汽車在技術上、運行經濟上、基礎設施上還存在著產業(yè)化發(fā)展的瓶頸，所以需要政府相關政策支持，營造市場啟動階段的政策環(huán)境，推動電動汽車的商業(yè)化過程，順利完成示范宣傳政府主導的批量需求大批量生產國家逐漸淡出四個階段。3. 電動汽車充電站結構 汽車充電站按功能可劃分為四個子系統(tǒng)模塊。 充電站的功能決定充電站的總體結構。為此，一個完整的充電站需要配電室、中央監(jiān)控室、充電區(qū)、更換電池區(qū)和電池維護間等五個基本組成部分。 1)配電室。配電室為充電站提供所需的電源，

9、不僅給充電機提供電能，而且要滿足照明、控制設備的用電需求，內部建有變配電所有設備、配電監(jiān)控系統(tǒng)、相關的控制和補償設備。 2)中央監(jiān)控室。中央監(jiān)控室用于監(jiān)控整個充電站的運行情況，并完成管理情況的報表打印等。內部建有充電機監(jiān)控系統(tǒng)主機、煙霧傳感器監(jiān)視系統(tǒng)主機、配電監(jiān)控系統(tǒng)通信接口、視頻監(jiān)視終端等。3)充電區(qū)。在充電區(qū)完成電能的補給，內部建設充電平臺、充電機以及充電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡接口，同時應配備整車充電機。4)更換電池區(qū)。更換電池區(qū)是車輛更換電池的場所，需要配備電池更換設備，同時應建設用于存放備用電池的電池存儲問。5)電池維護間。電池重新配組、電池組均衡、電池組實際容量測試、電池故障的應急處理等工作

10、都在電池維護間進行。其消防等級按化學危險品處理。 圖1 充電站功能系統(tǒng)劃分充電站各個部分之間及其之間的聯(lián)系如下圖：圖2 充電站總體布局在充電站的具體設計過程中，我們要考慮的東西有很多很多，做為一個用電大戶，我們要根據(jù)充電站規(guī)模等，對各個方面進行詳細的設計，比如主接線設計、根據(jù)具體情況進行設備選型、充電站監(jiān)控的設計等等。在這里只對監(jiān)控作一個大概的說明。充電監(jiān)控功能是充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，主要實現(xiàn)對充電樁和充電機的監(jiān)視與控制。1）對充電樁的監(jiān)控。監(jiān)視充電樁的交流輸出接口的狀態(tài)，如電流、電壓、開關狀態(tài)、保護狀態(tài)等；采集與充電樁相連接的電動汽車的基本信息；控制充電樁交流輸出接口的開斷。2）對充電機

11、的監(jiān)控。充電機作為被監(jiān)控對象，上送給監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包含2 類：充電機狀態(tài)信息，即輸入輸出電壓、電流、電量、功率因數(shù)、充電時間、當前充電模式、充電機故障狀態(tài)等；電池狀態(tài)信息，即電池包基本信息、電池單體電壓、電池單體溫度、電池故障狀態(tài)、電池管理系統(tǒng)設置信息等。此外，在電池包狀態(tài)信息部分，系統(tǒng)還需根據(jù)采集到的電池單體電壓、溫度等計算出電池包內單體最高電壓、最低電壓、最高溫度、最低溫度等統(tǒng)計信息，供限值統(tǒng)計、告警系統(tǒng)使用。對充電機的控制功能主要包括：對充電機充電開始、停止、緊急停止的控制；充電機充電模式的調整，即根據(jù)充電機連接電池的類型及其充電特性，操作人員可通過圖形畫面調整各階段充電參數(shù)，并下發(fā)

12、給充電機；向充電機及其連接的電池管理系統(tǒng)下發(fā)對時命令。配電監(jiān)控功能。實現(xiàn)對電動汽車充電站配電設備的監(jiān)控，方便統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享?？蓪崿F(xiàn)對整站的總功率、總電流、總電量、功率因數(shù)、主變狀態(tài)、開關狀態(tài)、無功補償及諧波治理設備的監(jiān)視和控制。煙感監(jiān)視功能。在充電站中，為了保障電池充電安全，除了通過電池管理系統(tǒng)監(jiān)視電池電壓、溫度外，在電池充電架中安裝了數(shù)量眾多的煙霧傳感器，用于探測鋰離子動力電池因過充導致電池自燃而釋放出的煙霧。這些傳感器接入充電站監(jiān)控系統(tǒng)后，和充電監(jiān)控功能(特別是在電池管理系統(tǒng)失效時)一起保障電池充電的安全。 電池維護監(jiān)控功能。在大型充電站中，需要通過專門的電池維護設備對電池進行定期維護

13、。在維護過程中，系統(tǒng)將采集到的維護數(shù)據(jù)存入充電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，形成電池的完整數(shù)據(jù)檔案，便于對電池進行整體評估。 快速更換設備監(jiān)控功能。在具備電池快速更換設備的充電站中，可通過充電站監(jiān)控系統(tǒng)對電池快速更換設備下發(fā)具體電池更換命令：讓快速更換設備在指定軌道位置更換電池架上指定位置的電池包。充電站監(jiān)控系統(tǒng)可采集快速更換設備當前軌道位置、設備狀態(tài)等信息。數(shù)據(jù)交換與轉發(fā)功能。充電站要與上級集中監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，上送本地總加數(shù)據(jù)等實時信息以及電池系統(tǒng)充電歷史數(shù)據(jù)信息，以便對電池數(shù)據(jù)進行集中分析和評估。在監(jiān)控系統(tǒng)的具體設設計中，我們可以應用一些比較直觀的圖形來表示，用各種組態(tài)軟件使整個監(jiān)控過程看上去直

14、觀、明了。4. 電動汽車快速充電系統(tǒng) 電動汽車用電池的快速充電是電動汽車研究與開發(fā)過程中的重要課題。盡管許多實用化的充電設備或商用充電器具有快速充電及均衡充電的功能，但其通常是按事先設定的充電電流對電池進行充電。這種方法不能根據(jù)電池充電過程中的具體情況對充電電流進行調整，為了避免出現(xiàn)過充電，設定的充電電流通常偏小，因此充電時間仍然較長，而且由于不具備自適應能力，充電過程中容易出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，對蓄電池的壽命不利。為了在實現(xiàn)快速充電的同時又不影響電池壽命，關鍵是要使快速充電過程具有自適應性，即根據(jù)電池的實際狀態(tài)自動調節(jié)充電電流的大小，使其始終保持在充電可接受電流的臨界值附近。為此，我們在電池快速充

15、電理論基礎上，對分段恒流充電方法進行了試驗研究，以期實現(xiàn)動力電池的智能化快速充電和均衡充電。增大充電電流，電池極板上單位時問內恢復的活性物質增多，充電時間就可縮短，但過大的充電電流會損害電池。電池可接受的充電電流是有限的，且會隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降理想化的電池快速充電過程是充電電流始終保持在電池充電可接受電流的極限值，即充電電流曲線與該電池的充電可接受電流曲線相重合。我們選擇容易實現(xiàn)的分段恒流充電方法，其關鍵是要確定適當?shù)碾A段恒流充電終止判斷標準、恒流充電分段數(shù)和各階段恒流充電電流值。 充電時間參數(shù)控制方法簡單，但電池型號不同、充電起始狀態(tài)不同，所需的充電時間也不一樣，如果單以充電時間來控制

16、階段恒流充電的結束，容易導致電池過充電或延長充電時間。溫度參數(shù)控制方法的優(yōu)點是可實現(xiàn)電池溫度過高保護，但是由于環(huán)境和傳感器響應時間延遲的影響。如果僅以電池溫度參數(shù)作為階段恒流充電終止判斷標準，也容易造成電池的過充電。電壓參數(shù)控制被認為是較好的階段恒流充電終止控制方法，但其不足也是顯而易見的，比如：不能識別因電池極板硫化而產生的充電電壓異常升高以及電池充電過程中出現(xiàn)的異常溫升等，從而導致電池充電時間延長或電池的損壞喁。為了保證在各種情況下均能檢測電池的實際充電狀態(tài)，并實現(xiàn)較為理想的階梯形充電電流曲線，本文綜合了充電時間、電池溫度和終止電壓3個參數(shù)作為各階段恒流充電終止判斷依據(jù)，其控制流程如下圖所

17、示。圖3 分段恒流充電控制流程圖 分段恒流充電結束后再進行一段時間的定壓充電，是為了確保電池能完全充足。3個控制參數(shù)的具體控制策略如下。 時間參數(shù)控制：根據(jù)電池容量和充電電流，預先設定某段恒流充電的時間，當充電時間達到設定值時，通過定時器發(fā)出信號，結束該階段的恒流充電并自動將充電電流減小，進入下一段恒流充電。 溫度參數(shù)控制：設定某段恒流充電至可接受電流極限時的電池溫度最高值，根據(jù)溫度傳感器檢測的電池溫度來控制充電裝置。當外界環(huán)境溫度較低、設置的電池最高溫度較高時，采取控制溫升法，當電池的溫升達到設定值時，溫控器使充電裝置停止充電，直到溫度下降至適當值時，自動進入下一階段恒流充電。電壓參數(shù)控制：

18、電池的絕對電壓可以反映電池的充電情況，設定某段恒流充電達到或接近充電可接受電流極限值的電壓，當電壓達到設定值時，充電裝置便自動結束本階段恒流充電，進入下一階段。在經過實驗后，我們根據(jù)具體情況進行調整后，可以得到如下比較令人滿意的分段恒流充電電流曲線。圖4 調整方案后的分段恒流充電電流曲線以上就是我們進行快速充電的基本原理，具體設備以及程序的開發(fā)并不簡單。5. 充電機的整流在介紹了以上的這些原理后，其實整流在充電機中是很重要的。 充電機是電動汽車充電站的主要設備。目前電動汽車充電機按工作原理分主要有3種：第一類充電機由工頻變壓器、不控整流器和斬波器組成，屬于早期產品。特點是體積大、電網(wǎng)側電流諧波

19、大和變換效率低。對電網(wǎng)注入的諧波電流過大，不適于接人公用電網(wǎng)。第二類充電機三相不控整流和高頻變壓器隔離DCDC變換器組成。特點是電網(wǎng)側電流諧波大(30左右)、變換效率低。這一類充電機雖然諧波含量高，但是成本低，是市場上的主流充電機?，F(xiàn)有的充電機研究成果多數(shù)也集中在這一類充電機上。有文獻用仿真或數(shù)學計算的方法得出了不控整流充電機單臺或多臺同時運行時產生的5、7次諧波大小。第三類充電機由三相PWM整流器和高頻變壓器隔離DCDC變換器組成。特點是功率因數(shù)高，電網(wǎng)側電流諧波較小，注入電網(wǎng)的電流總畸變率叮以小于5。PWM整流充電機由于技術復雜性、可靠性和成本問題，雖然市場上已經出現(xiàn)，但是目前使用較少，相

20、應的研究成果也較少。充電機的工作原理框圖如下圖，三相交流電經整流電路、濾波電路后，給功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經過輸出濾波電路后，為車用動力蓄電池允電。圖5 充電機的一般結構框圖6脈波不控整流充電機。利用FFT諧波測量模塊可以測鼉各次諧波大小，及諧波含有率。結構如下：圖6 6脈波不控整流充電機 對采用三相橋式不可控整流電路的充電機來說，脈動數(shù)P=6，交流側諧波次數(shù)主要為6 k士1次，(k=1，2，3.)。經過仿真我們測得的6脈波不控整流充電機接入電力系統(tǒng)后，變壓器高壓側從基波到15次諧波電流的含有率，可見，充電機主要產生5，7，1 1，13次諧波，當諧波在最大值時，高壓側5次

21、諧波含有率為269，7次諧波含有率為162，11次諧波含有率為9。 由仿真結果可以看出諧波變化的特點：諧波電流的大小隨著充電時間的變化而變化，首先是逐漸增大，在經過一段時間后，諧波達到最大值，此時對應充電機輸出功率的最大值，之后快速減小，并在再過一段時間后達到最小值。12脈波整流充電機。結構如下：圖7 12脈波整流充電機 為使12脈波整流的2個整流橋輸出瞬時電壓在相位上錯開30度，兩個橋式電路的電源由一臺三繞組變壓器供電，二次側的兩個繞組一個接成星形，一個接成三角形，模型如圖7所示。由于兩個變壓器繞組相差30度電角，同時并聯(lián)連接的兩個整流器的輸出電壓的瞬時值并不相等，會導致一臺整流器因承受反壓

22、而關斷。故需增設電抗器以保證2臺整流器的同時導通。對采用12脈波不控整流電路的充電機來說，脈動數(shù)P=12，交流側諧波次數(shù)主要為12 k1次，(k=1，2，3.)。我們仿真所測得的12脈波不控整流充電機接入電力系統(tǒng)后，變壓器高壓側從基波到15次諧波電流的含有率，由仿真結果可知，充電機主要產生11，13次諧波，當諧波在最大值時，高壓側11次諧波的諧波含有率為61，13次諧波的含有率34，少量其他次數(shù)諧波電流由變壓器等電力系統(tǒng)器件產生。充電機站變壓器高壓側在最大值時11次諧波的諧波電流的大小為089 A，13次諧波電流的大小為005 A。諧波電流曲線的變化趨勢與6脈波不控整流充電機的諧波電流變化趨勢

23、相同。PWM整流充電機。結構如下：圖8 PWM整流充電機 控制電路采用達到功率因數(shù)正弦波電流的雙閉環(huán)控制。電流內環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，為了達到較快的電流跟隨性能，按典型I型系統(tǒng)設計電流PI調節(jié)器，電壓外環(huán)的作用是控制三相電壓型PWM整流器的直流側電壓，應著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能，按照典型型系統(tǒng)設計電壓外環(huán)PI調節(jié)器。 PWM整流充電機變壓器高壓側各次諧波含量。其中5次諧波的最大含有率為3，7次諧波為1.6，11次諧波的最大含有率為1.29，13次諧波為1.03。圖13為5次、7次諧波電流，5次諧波電流最大為0.12 A，7次諧波電流最大為0062 A，PWM整流充電機

24、的諧波隨著尺變化而變化的總體趨勢與上述兩種充電機相同，但是總體電流大小和變化數(shù)值都相對很小。我們又對不同時刻投入不同數(shù)量的充電機進行了研究，得到以下結論。將不同臺數(shù)的充電機按照多種時間間隔投入系統(tǒng)，其仿真結果表明，當充電機臺數(shù)一定時，同時投入系統(tǒng)的總電流大于間隔投入時的總電流；充電機投入系統(tǒng)的時間間隔越長，諧波電流最大值越小、總電流越小，但是充電時間越長。對于集中式、采用常規(guī)充電方式的大型充電站接入系統(tǒng)產生的諧波污染，除了考慮加裝諧波治理裝置以外，還可以通過控制充電機的投入間隔對諧波起到一定的抑制作用，另外適當降低起始充電機臺數(shù)，加大充電時間間隔，能夠降低充電站峰值功率，因此可以通過控制充電機

25、投人間隔釋放供電變壓器容量(即減小供電功率)。6. 充電站諧波的抑制與消除電動汽車充電站諧波源主要為非車載充電機，非車載充電機由高頻開關電源模塊等元件組成，模塊采用全波整流方式。當采用三相全波整流組成6脈沖整流裝置時，在網(wǎng)側產生的特征諧波次數(shù)h=6k1，k為正整數(shù)。三相全波整流產生的電壓脈動較小，脈動頻率較高，與單相整流相比，不產生3次諧波。通過變壓器繞組的接線，使2組容量相同的6脈波整流裝置在輸入端經30度移相構成1套12脈波整流裝置，在網(wǎng)側產生的特征諧波次數(shù)h=12k1。利用變壓器繞組接線的相位的不同，可構成多脈波的整流裝置。無論采用何種脈波整流方式，除特征諧波外，都還有少量的非特征諧波。

26、 充電站的服務對象是具有非車載充電機的電動汽車，按照充電站在經濟社會中占有的重要程度，可劃分為2類性質的電力用戶，即二級電力用戶和三級電力用戶。二級電力用戶的充電站宜由2回路高壓供電電源供電，2回路高壓供電電源宜引自不同的變電站，也可引自同一變電站的不同母線段。三級電力用戶的充電站由單回路供電電源供電，中壓系統(tǒng)宜采用單母線接線或單母線分段接線，低壓系統(tǒng)宜采用單母線或單母線分段接線。 為減小諧波電流對電網(wǎng)的影響，充電站內的充電裝置具有不同相位的2路或多路交流輸入進線應均勻接人充電機高頻開關電源模塊上，以實現(xiàn)12或以上脈波整流。 為實現(xiàn)12脈波整流，在工程中常采用繞組接線形式為D、dO、ynll的整流變壓器或2臺繞組接線形式分別為D、ynll和Y、yn0的配電變壓器。 波消除的主要措施： 1)合理增大充電機的濾波電感值 合理增大充電機的濾波電感值，可降低充電機的電