電動汽車充電站試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

電動汽車充電站試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

0直流無隔離供電系統(tǒng)充電站是電動汽車最重要的輔助設(shè)備。隨著中國電動汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電動汽車充電站也進(jìn)入了建設(shè)階段。例如，北京奧運(yùn)會充電站和上海世博會充電站已經(jīng)運(yùn)營了幾天?，F(xiàn)有的充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上都是采用交流的隔離供電方式,交流母線接入后將電能分配到各充電機(jī),充電機(jī)內(nèi)的變流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為電池組充電所需的直流電。工況運(yùn)行條件下對交流供電方式下的效率統(tǒng)計(jì)表明,能量轉(zhuǎn)化效率僅為70%左右。對于輸電損耗和充電機(jī)轉(zhuǎn)化效率損耗,如果采用較高電壓等級的直流無隔離供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將有利于充電站轉(zhuǎn)換效率的提高。直流母線接入的充電站在將交流電通過變壓器接入電站后先由脈沖寬度調(diào)制PWM(pulsewidthmodulation)整流器轉(zhuǎn)換為高壓直流電,掛接在直流母線上的無隔離DC/DC充電機(jī)將母線直流高壓轉(zhuǎn)換為電池充電所需的電壓等級。直流母線供電系統(tǒng)中充電機(jī)設(shè)計(jì)簡單,直流母線電壓高,線路損耗小。目前電動汽車的電能補(bǔ)給模式主要有三種:交流慢充、直流快充和電池快速更換。慢充模式占地面積小、投資少、有利于延長電池使用壽命,但充電時(shí)間較長;快充模式的特點(diǎn)幾乎與慢充模式相反,其充電策略的好壞會嚴(yán)重影響電池壽命;快換模式能夠提高車輛利用率、便于集中管理,但快換充電站占地面積大、設(shè)備成本高、運(yùn)行控制復(fù)雜。本文提出的交直流一體電動汽車充換電站模擬實(shí)驗(yàn)平臺將交流與直流,充電與換電結(jié)合在一個(gè)平臺中,可對交流和直流供電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,進(jìn)行諧波擾動等試驗(yàn),是對充電站能源供給模式進(jìn)行研究的理想平臺。1幾種充電站模式根據(jù)功能和定位的不同,現(xiàn)階段電動汽車充電站可分為以下幾種模式:(1)停車場交流充電樁模式。在公用停車場或住宅小區(qū)安裝交流充電樁為電動汽車提供220V交流電源接口,交流充電樁功率小,占地面積小,建設(shè)難度低,以慢充方式為主,該模式適用于小型家用電動車。(2)快充充電站模式。在這種模式下,充電站類似于加油站,充電機(jī)連接到電動汽車的充電專用接口為車載電池充電,能為電動汽車快速補(bǔ)充電能。該模式的充電站適合建在公共道路兩旁,為社會車輛服務(wù)。(3)電池更換站模式。站內(nèi)配備為電動車更換電池的機(jī)械臂,將電量即將耗盡電池箱換為充滿并且經(jīng)過維護(hù)的電池箱,更換電池所需時(shí)間少于快充,電池便于集中管理維護(hù)。這種模式的缺陷是:各電池廠家電池標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,電池尺寸、容量、性能不同,統(tǒng)一所有電池規(guī)格在短期內(nèi)很難做到;各車廠電池品質(zhì)、串并聯(lián)方式、在車內(nèi)的放置方式不同,機(jī)械更換裝置不可能做到適應(yīng)所有類型電動汽車電池箱的更換需求;在電池的流通過程中會存在電池新舊程度的差異,這對收費(fèi)和管理方法提出了挑戰(zhàn)。鑒于電池更換站的這些特點(diǎn),該模式適用于公交、環(huán)衛(wèi)用車或者園區(qū)電動車。2平臺設(shè)計(jì)方案2.1交流充電系統(tǒng)平臺輸入側(cè)并接有源電力濾波器,以抑制充電機(jī)產(chǎn)生的諧波。三相交流電進(jìn)入配電柜后被分配到雙向變流器、分箱充電機(jī)、直流充電機(jī)、交流充電樁。直流部分,雙向變流器將三相交流電壓整流為直流高壓作為雙向DC/DC的母線電壓,由DC/DC降壓后給電池組充電。其余的充電設(shè)備都運(yùn)行在交流供電系統(tǒng)下。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2平臺采用電力濾波器、apf、gm技術(shù),增加系統(tǒng)諧波無論是直流供電系統(tǒng)還是交流供電系統(tǒng)的充電站,由于電動汽車充電機(jī)都是電網(wǎng)的非線性負(fù)荷,會產(chǎn)生注入電網(wǎng)的電流諧波,且主要為6k±1次諧波,為將充電站對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響降到最低,需要采取技術(shù)措施減小系統(tǒng)諧波含量,一般采用的方法是:(1)增加換流設(shè)備的脈動數(shù);(2)采用無源濾波裝置或有源濾波裝置;充電機(jī)負(fù)荷特性變化快,濾波、無功補(bǔ)償、調(diào)壓有時(shí)難以協(xié)調(diào),無源濾波無法滿足各項(xiàng)要求,所以綜合考慮技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性等各方面因素,平臺采用有源電力濾波器APF(ActivePowerFilter),它以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng),通過實(shí)時(shí)檢測負(fù)載的諧波和無功分量,采用PWM技術(shù),將與諧波和無功分量大小相等、方向相反的電流注入供配電系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)抑制諧波、動態(tài)補(bǔ)償無功的功能。其工作原理如圖2所示。2.3雙向dc/dc充放電雙向變流器從原理上來講就是雙向DC/AC變流器,兼具整流和逆變的功能,在對電池充電時(shí),它工作在整流狀態(tài);在電池作為儲能裝置放電時(shí),雙向變流器工作在逆變狀態(tài),將輸入的直流電變換為交流電回饋到電網(wǎng),這樣就使使能量可以在電池和電網(wǎng)之接雙向流動。雙向DC/AC變流器利用脈沖寬度調(diào)制原理將輸入的線電壓為380V的交流電整流為直流電,考慮到PWM整流器電壓變換范圍,直流接觸器耐壓等級限制等因素,選擇直流母線電壓為700V。較高的直流電壓降低了直流母線中的電流,減小了線損,并且增加了DC/DC的調(diào)壓范圍。無隔離雙向DC/DC變換器掛接于系統(tǒng)直流母線上,電池充電時(shí),DC/DC變換器的輸入側(cè)電壓為700VDC,輸出側(cè)電壓為300~600VDC,可工作于恒流與恒壓狀態(tài),滿足從小客車到大巴車電池包的充電電壓需求;電池放電時(shí),雙向DC/DC起到升壓功能,將電池電壓加載到直流母線。由于雙向DC/DC調(diào)壓范圍較寬,所以可以為不同電壓等級,不同串并聯(lián)方式的電池組充放電,使得電池配置更加靈活。在雙向變流器功率允許的范圍內(nèi),一條直流母線上可以設(shè)計(jì)掛接多套雙向DC/DC充電機(jī),方便擴(kuò)容,極大的提高了系統(tǒng)的靈活性,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4為雙向DC/DC給電池組恒壓充電時(shí)波形,DC/DC輸出端電壓為350V。2.4分箱充電模式在交流母線上并聯(lián)接入大功率快充充電機(jī)、分箱充電機(jī)和交流充電樁,其分別針對不同的應(yīng)用場合。大功率快充充電機(jī)用于快速充電,在這種充電模式下,不需要將電池箱從車內(nèi)取出,充電速度快。分箱充電機(jī)用于對單箱電池充電,這是電動汽車換電站常用的電池充電方式,在實(shí)際的充電站運(yùn)行中,由于電池質(zhì)量較大,常配合機(jī)械臂取放電池箱。通過交流充電樁和車載充電機(jī)對電動汽車電池包進(jìn)行充電的方式適用于家用車在車庫或小區(qū)內(nèi)有民用電源的停車位充電。受到體積和重量的限制,車載充電機(jī)功率不能做到很大,充電電流較小。2.5電池管理系統(tǒng)bms電池箱是本試驗(yàn)平臺的終端,各類充電機(jī)的作用對象,以國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電池箱為例,每箱電池由24只60Ah的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)而成,額定電壓為76.8V,內(nèi)置電池管理系統(tǒng)BMS(BatteryManagementSystem),BMS與充電機(jī)之間按照國標(biāo)通信協(xié)議進(jìn)行通信。單箱電池可配合分箱充電機(jī)充電,模擬換電式充電站的工況。多箱電池串聯(lián)后可模擬從小型電動汽車到電動大巴車等各種不同類型電動汽車的電池包。換電式充電站內(nèi)電池存儲量較大,可選擇在夜間等用電低谷期對電池充電,既經(jīng)濟(jì)又能調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷,在用電高峰期電池電能通過變流器回饋到電網(wǎng)。這樣電池儲能系統(tǒng)就對電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了削峰填谷、負(fù)荷調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)等提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。3監(jiān)控管理及通信模式鋰離子電池抗濫充能力差,不當(dāng)?shù)某潆姇﹄姵卦斐珊艽髶p傷,甚至引發(fā)電池過熱而燃燒。充電站構(gòu)成設(shè)備數(shù)量多,都是高壓用電設(shè)備,完全由人工操作充電機(jī)人力勞動強(qiáng)度大,安全隱患多。監(jiān)控系統(tǒng)可提高充電站的運(yùn)行管理水平,最大限度的保證人員和設(shè)備安全。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)監(jiān)控所有充電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障報(bào)警信號;監(jiān)控所有充電電池組的總電壓、總電流、單體電壓、溫度、電池荷電狀態(tài)SOC(StateofCharge)等信息;管理人員可以在監(jiān)控中心對充電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行查看和修改,啟動和停止充電過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺的規(guī)模,采用控制器局域網(wǎng)總線通信方式。充電機(jī)是高頻開關(guān)電源,工作時(shí)有很大的電磁輻射,實(shí)驗(yàn)平臺通信網(wǎng)絡(luò)處于很強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境中,為提高監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力,平臺采用了雙絞屏蔽網(wǎng)絡(luò)通信線,隔離通信接口使用隔離電源。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證,系統(tǒng)通信可靠。4兩種供電方式的效率分析4.1流輸入式充電機(jī)計(jì)算平臺直流母線上接兩臺25kW雙向DC/DC充放電機(jī),交流母線上接兩臺25kW交流輸入式充電機(jī),所用交、直流母線參數(shù)和損耗計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,由于直流母線供電系統(tǒng)電壓等級高,且只需要2條銅排即可構(gòu)成供電回路,所以其線路損耗相比于交流母線供電系統(tǒng)降低了40%,這在使用長距離母線的大型充電站中節(jié)能效果會很明顯。4.2無隔離雙向充放電機(jī)與傳統(tǒng)充放電機(jī)的性能對比,u雙向充放電機(jī)和單向充電機(jī)都分為帶隔離變壓器和無隔離變壓器兩類拓?fù)?。帶隔離變壓器拓?fù)溆捎谠黾恿烁綦x變壓器,因此增加了設(shè)備的損耗,此外隔離型充放電機(jī)一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,需要更多的開關(guān)器件,因此將進(jìn)一步增加設(shè)備的損耗,圖5所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,相同功率的無隔離雙向充放電機(jī)效率較隔離型充放電機(jī)有明顯的提高。相對于傳統(tǒng)的直流母線供電充電站,采用更高電壓等級母線的直流供電充電站在能量利用率上將有很大提升。在電動汽車充電站大規(guī)模建設(shè)的背景下,充電效率的提升將為充電站運(yùn)營和電動汽車的普及提供更大的支持。5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用效果本文通過對電動汽車充電站運(yùn)行方式的分析,設(shè)計(jì)了一整套交流和直流供電系統(tǒng)共存的充電站模擬實(shí)驗(yàn)平臺。