儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

摘要: 本文設(shè)計(jì)了一套3kW的模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(PCS)和控制系統(tǒng)組成，PCS實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池、電動(dòng)汽車電池和交流電網(wǎng)之間的能量轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池在線監(jiān)測(cè)管理和對(duì)PCS的PWM控制。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在保證傳統(tǒng)充電樁的功能下，有效地降低了充電樁對(duì)電網(wǎng)的功率要求。

引言

　　隨著環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)峻，電動(dòng)汽車和新能源發(fā)電應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)汽車也以其綠色環(huán)保、高效率等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向^[1]。發(fā)展電動(dòng)汽車必須建設(shè)與之配套的充電設(shè)施，因此大力發(fā)展電動(dòng)汽車充電設(shè)施已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

　　目前，我國(guó)智能配電網(wǎng)和智能配電居民小區(qū)建設(shè)還很不普及和完善，已有居民小區(qū)的供電容量不能滿足較多電動(dòng)汽車的充電需要。增加配電設(shè)備容量，將會(huì)涉及投資、多部門協(xié)調(diào)及復(fù)雜的施工改造等問題，而且還會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷峰谷差變大，降低設(shè)備利用率，從而限制私家電動(dòng)汽車的進(jìn)一步推廣。

　　針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[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?cè)潆娙萘康那疤嵯?，?shí)現(xiàn)對(duì)多輛電動(dòng)汽車的同時(shí)充電，但其只能實(shí)現(xiàn)慢速充電的需求，對(duì)于快速充電仍無法滿足。文獻(xiàn)[4]根據(jù)配電網(wǎng)調(diào)度對(duì)快速充電站功率變化率的限制需求，提出了含儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)的快速充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。

　　結(jié)合上述文獻(xiàn)，本文提出在傳統(tǒng)的充電樁內(nèi)，增加大容量蓄電池組和附加的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁模擬裝置，可以在不改變配電網(wǎng)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電池組的快速充電。

1 儲(chǔ)能式充電樁的總體結(jié)構(gòu)

　　圖1所示為儲(chǔ)能式充電樁的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)主要由功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(PCS)[7]和DSP控制系統(tǒng)兩部分組成。PCS采用直流母線式結(jié)構(gòu)，是電網(wǎng)與儲(chǔ)能電池組和電動(dòng)汽車電池組、儲(chǔ)能電池組與汽車電池組之間的能量傳輸紐帶;交流電網(wǎng)與直流母線之間采用PWM整流器，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng);直流母線與儲(chǔ)能電池組之間采用雙向Buck-Boost變換器，實(shí)現(xiàn)電池組的充放電功能;直流電網(wǎng)與電池汽車電池組之間采用Buck變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒壓、恒流和脈沖充電?？刂葡到y(tǒng)以TMS320F28335為核心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池組狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和管理以及對(duì)PCS的控制調(diào)度。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件主要包括功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、功率管和繼電器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、相關(guān)參數(shù)采樣系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和輔助電源系統(tǒng)。繼電器采用普通的光隔+三極管驅(qū)動(dòng);功率管采用專門的IGBT驅(qū)動(dòng)芯片M57962;由于功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)^[6]是儲(chǔ)能式充電樁內(nèi)的關(guān)鍵部分，因此下面主要對(duì)單向AC/DC、單向DC/DC和雙向DC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

　　1)交流電網(wǎng)與直流母線之間采用單相不可控整流電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。單相220V交流電通過整流濾波后轉(zhuǎn)變?yōu)?11V直流電;為了防止電容充電電流過大，通過限流電阻R1給電容充電。當(dāng)電容充滿電后吸合開關(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)直流母線與電動(dòng)汽車電池組之間采用圖2(b)所示的Buck變換器，通過電壓閉環(huán)或電流閉環(huán)來調(diào)節(jié)V1的占空比，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒壓或恒流充電;該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。功率管V1采用FF100R12KS4型號(hào)的IGBT，其最高耐壓達(dá)1200V，最大電流達(dá)200A，內(nèi)部集成續(xù)流二極管，續(xù)流二極管采用MURP20040CT，其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)400V/200A的二極管陰極相連，電池側(cè)采用LC濾波。

　　3)直流母線與儲(chǔ)能電池組之間采用圖2(c)所示的Buck-Boost變換器。當(dāng)對(duì)儲(chǔ)能電池充電時(shí)，V1、VD2導(dǎo)通，電路工作于降壓斬波模式;當(dāng)儲(chǔ)能電池放電時(shí)，V2、VD1導(dǎo)通，電路工作于升壓斬波模式;通過電壓或電流閉環(huán)，二者均可實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流充放電功能;該變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有雙向功率輸送能力。功率管V1、V2均采用FF100R12KS4型號(hào)的IGBT;電池側(cè)采用LC濾波。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用DSP控制芯片對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。儲(chǔ)能電池的管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的電壓、充放電電流、溫度和荷電狀態(tài)(SOC)的監(jiān)測(cè)。功率調(diào)度系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒壓或恒流充放電功能。下面主要對(duì)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(shù);K_MOD=1/V_m，為PWM脈寬調(diào)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(shù)。本設(shè)計(jì)中采用數(shù)字P_I調(diào)節(jié)器，其中ωs用于消除穩(wěn)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環(huán)增益以-20dB/十倍頻穿越0dB線;G_vd(s)為Buck變換器的占空比至輸出電壓的傳遞函數(shù)，利用狀態(tài)空間平均法建立Buck變換器的交流小信號(hào)模型，可以求出G_vd(s)為

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

　　在實(shí)際工作中，DSP采樣得到的電壓反饋信號(hào)與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，根據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。PI調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)由DSP內(nèi)部脈沖生成單元與三角載波比較產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過不斷調(diào)節(jié)Buck變換器中開關(guān)管的占空比，來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。利用同樣的方式，可以設(shè)計(jì)恒流輸出時(shí)的PI控制器。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)3kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，技術(shù)參數(shù)為：交流輸入電壓為單相220V;直流母線電壓為311V;電動(dòng)汽車電池組采用4只12V60Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)來模擬;儲(chǔ)能電池組采用4只12V30Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)來模擬。

　　利用本系統(tǒng)對(duì)模擬電動(dòng)汽車電池組以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(chǔ)能電池組和交流電網(wǎng)同時(shí)給模擬電動(dòng)汽車電池組進(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(chǔ)能電池組進(jìn)行充電時(shí)，整個(gè)過程中端電壓和充電電流的變化曲線。開始階段采用0.1C(3A)恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)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(jié)束。由圖6可見，在開始充電瞬間，電池電壓迅速增大，然后趨于穩(wěn)定，恒流充電最后階段電池電壓逐漸增大，在恒壓充電過程中，充電電流逐漸減小，與理論變化過程基本相同。

5 結(jié)論

　　通過以上分析可以看出，采用儲(chǔ)能式充電樁，能使現(xiàn)有城市或家庭的配電系統(tǒng)無需進(jìn)行太大的增容改造，就可以承受電動(dòng)汽車快速大電流充電的要求，且可以減少電費(fèi)支出，同時(shí)具有傳統(tǒng)充電樁具有的常規(guī)充電功能，而且通過儲(chǔ)能電池容量的配置，可以滿足不同容量的充電要求，應(yīng)用靈活。但是由于儲(chǔ)能電池壽命、效率等因素的影響，使其應(yīng)用受到一定的限制。但是隨著電池技術(shù)的不斷提升，將充電樁與電池儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁，對(duì)推動(dòng)電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

　　本文只是針對(duì)一個(gè)用戶進(jìn)行分析，沒有考慮到大量用戶同時(shí)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響，所以今后應(yīng)該針對(duì)某一個(gè)特定住宅小區(qū)來分析所有用戶的出行習(xí)慣、行駛里程數(shù)等數(shù)學(xué)模型，結(jié)合儲(chǔ)能式充電樁的特點(diǎn)，利用有序充電的控制方法，設(shè)計(jì)出更加合理的充放電控制策略。

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