電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)課題研究背景及其意義及充電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)課題研究背景及其意義及充電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1課題研究背景及其意義隨著不可再生能源的不斷消耗，即將到來(lái)的能源危機(jī)迫使各國(guó)更加重視新能源的開(kāi)發(fā)。作為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要支柱的汽車產(chǎn)業(yè)一直是一個(gè)高能源消耗產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在越來(lái)越多的人擁有家用汽車，可以預(yù)見(jiàn)在將來(lái)人們對(duì)石油資源的需求將會(huì)越來(lái)越大。節(jié)能與新能源汽車是汽車產(chǎn)業(yè)解決能源問(wèn)題的重要突破口，將成為拉動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。我國(guó)目前己經(jīng)是世界第一的汽車產(chǎn)銷國(guó)，今后一端時(shí)間內(nèi)汽車需求量仍將繼續(xù)保持增長(zhǎng)的勢(shì)頭，由此帶來(lái)的能源問(wèn)題將更加嚴(yán)重，汽車產(chǎn)業(yè)急需升級(jí)和轉(zhuǎn)型來(lái)應(yīng)對(duì)此問(wèn)題。所以大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車，既是有效化解能源危機(jī)的重要手段，也是縮短我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在汽車產(chǎn)業(yè)上的差距，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)汽車自主創(chuàng)新的重要舉措。要真正實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的大面積普及和使用，我國(guó)還有很長(zhǎng)的路要走，要解決的問(wèn)題還有很多。2012年4月國(guó)家發(fā)發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012一2020年)》,規(guī)劃指出今后將以純電動(dòng)汽車作為主要的戰(zhàn)略取向,其主要任務(wù)包括了積極推進(jìn)充電設(shè)施建設(shè)，因地制宜建設(shè)慢速充電樁、公共快速充換電設(shè)施。與傳統(tǒng)的充電站相比，電動(dòng)汽車充電樁占地面積很少，路邊只需要1平方的空地就能建設(shè)一個(gè)充電樁，成本很低，很適合在城市中的超市、停車場(chǎng)、住宅小區(qū)等車輛密集停放的區(qū)域建設(shè)。近幾年來(lái)國(guó)家出臺(tái)了一系列電動(dòng)汽車方面的優(yōu)惠政策和措施推動(dòng)了電動(dòng)汽車及其配套基礎(chǔ)充電設(shè)施的飛速發(fā)展。(1)2001年“十五”863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)[3];(2)2006年“十一五”863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目;(3)2009年1月“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”，對(duì)試點(diǎn)城市新能源汽車補(bǔ)貼，促進(jìn)試點(diǎn)城市充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);(4)2012年《電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》[5]，促進(jìn)能源供給基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)建設(shè);(5)2012年《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012一2020年)》，積極推進(jìn)充電設(shè)施建設(shè)，因地制宜建設(shè)電動(dòng)汽車充電樁設(shè)施。從國(guó)家出臺(tái)的各項(xiàng)措施可以看出國(guó)家發(fā)展新能源汽車決心之大，可以預(yù)見(jiàn)一旦電動(dòng)汽車生產(chǎn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，配套的充電設(shè)施將有很大的需求量。所以本課題所研制的電動(dòng)汽車充電樁作為充電基礎(chǔ)設(shè)施的一部分對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)汽車的普及具有重要的意義。1.2充電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)從產(chǎn)品和技術(shù)兩個(gè)層面上講，國(guó)外的充電系統(tǒng)都取得了較好的進(jìn)展:①充電產(chǎn)品隨著控制技術(shù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，擺脫了單一型，朝著多功能、更安全智能的方向發(fā)展;②現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線技術(shù)，如CAN,RS485,LIN總線的發(fā)展使得監(jiān)控系統(tǒng)的通信手段多樣化、高速化、安全化。法國(guó)多用核能和水力發(fā)電，其發(fā)電能力充足，據(jù)統(tǒng)計(jì)法國(guó)總發(fā)電量的四分之三來(lái)自核電站，六分之一來(lái)自水電站，因而其發(fā)電源干凈、電價(jià)便宜，汽車工業(yè)發(fā)達(dá)，因而是世界上最早研制和推廣電動(dòng)汽車的國(guó)家之一。法國(guó)政府協(xié)同EDF(法國(guó)電力)公司，并與PSA公司、Renault(雷諾)汽車公司等多家公司合作，開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車。在LaRocheHe(拉羅切里市)投資生產(chǎn)了小型4座電動(dòng)汽車50輛，并建造了12座(包括3座快速和9座普通)充電站，目前己經(jīng)投入使用并進(jìn)行了超過(guò)2年的試驗(yàn)。口本的新能源汽車也一直處于世界領(lǐng)先水平，東京電力公司己宣布其成功研發(fā)出大型快速充電器，該充電器大大縮短了充電時(shí)間，這對(duì)口本電動(dòng)汽車普及提供了較大的可能性。就充電樁的設(shè)計(jì)和控制為主的充電設(shè)施的建設(shè)，美國(guó)的FirstSolar公司最早在加州的高速上建造了5座快速充電樁，能夠在240V/70A條件下，于3.5小時(shí)內(nèi)完成對(duì)電動(dòng)汽車的充電。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀由于技術(shù)發(fā)展的限制，我國(guó)進(jìn)入電動(dòng)汽車充電技術(shù)的研究領(lǐng)域晚于國(guó)外，但是近年來(lái)得益于相關(guān)的扶持政策，以及高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的合作，目前電動(dòng)汽車充電技術(shù)己取得了一定的突破，電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)也呈現(xiàn)良好發(fā)展勢(shì)頭。深圳的比亞迪公司在2006年建立了電動(dòng)汽車研究所，在其廠區(qū)內(nèi)還建設(shè)了一些電動(dòng)汽車快速充電站和充電樁。不得不提的是，2008年北京奧運(yùn)村運(yùn)行的純電動(dòng)公交車，該公交車的充電控制系統(tǒng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其能源補(bǔ)給的方式是快速更換充電電池。該充電站到目前為止仍是世界第一的規(guī)模。2009年12月底，深圳兩座電動(dòng)汽車充電站，134個(gè)充電樁正式投入使用，這是由南方電網(wǎng)在深圳投資建設(shè)的首批充電設(shè)施;2010年3月份，唐山的南湖電動(dòng)汽車充電站也正式地投入了商業(yè)運(yùn)營(yíng)，這是由華北電網(wǎng)建設(shè)的第一座典型大型電動(dòng)汽車充電站。為加快電動(dòng)汽車推廣的進(jìn)程，在地方政府的大力支持下，我國(guó)各地紛紛建立了電動(dòng)車充電站。自2010年起，己有多個(gè)省市開(kāi)始建造充電站，包括了上海、北京、浙江、湖北、河南、重慶等。北京交通大學(xué)研發(fā)的30kw大功率單體充電機(jī)，比較有代表性，該技術(shù)較為成熟，可三臺(tái)并用，其輸出電壓為可調(diào)300V-500V，并可選擇多種充電模式。同時(shí)，包括很多國(guó)內(nèi)高校在內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)在電動(dòng)汽車充電監(jiān)控領(lǐng)域正進(jìn)行著較多的科研工作。我國(guó)2012年前陸續(xù)建設(shè)了包括36200個(gè)快速充電樁和7400個(gè)慢速充電樁，充電樁加快發(fā)展。在“十五”計(jì)劃期間，為實(shí)現(xiàn)能源安全、改善大氣環(huán)境，國(guó)家制定了跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略并設(shè)立了“電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)”，集中了企業(yè)、高校、科研院所的力量進(jìn)行攻關(guān)，把電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺(tái)作為重點(diǎn)研究工作，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了較好地進(jìn)展。1.3研究主要方案簡(jiǎn)介如圖1-1它是基于V2G技術(shù)的整體充電框圖，主要包括PWM整流部分、DC/DC充放電部分及電池組。從網(wǎng)側(cè)直接引交流電經(jīng)整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)DC/DC變換裝置給電池組充放電。圖1-1可逆PWM整流部分選用的是三相電壓型PWM整流器，即可作電動(dòng)汽車的充電電源，又可作電動(dòng)汽車的放電負(fù)載，且在電池的充放電過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，電能雙向流動(dòng)，低諧波污染等;充放電部分采用的是雙向半橋DC/DC變換器，運(yùn)用其獨(dú)特的升降壓功能，自動(dòng)調(diào)節(jié)降壓充電和升壓放電的轉(zhuǎn)換，采用脈沖快速充電技術(shù)，消除電池的極化現(xiàn)象，縮短充電時(shí)間，延長(zhǎng)使用周期。1.4本論文完成的主要工作本課題主要研究純電動(dòng)汽車蓄電池的充電系統(tǒng)，基于V2G技術(shù)充電裝置即結(jié)合三相電壓型PWM整流器和DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)可逆充放電，低諧波污染、提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、避免能量浪費(fèi)。本文主要研究工作有：(1)通過(guò)查閱和搜集各種文獻(xiàn)資料，首先簡(jiǎn)單介紹了課題研究背景和意義;然后闡述了電動(dòng)汽車的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顟B(tài)，最后給出了系統(tǒng)的主要方案框圖。(2)了解電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及電池的充放電特性及模型分析。確定整流逆變器的拓?fù)潆娐愤x型，然后分析三相全橋PWM整流器的工作原理，并對(duì)三相PWM