基于風(fēng)光互補綜合供電的電動汽車充電站

陳滋健

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230088）

引言

當(dāng)今世界，低碳經(jīng)濟(jì)已融入整個社會的主流意識。在此背景下，電動汽車展現(xiàn)出了廣闊的前景。充電配套設(shè)施是電動汽車產(chǎn)業(yè)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)。不論是充電式混合動力汽車還是純電動汽車,都離不開充電站的支持。直接利用現(xiàn)有電網(wǎng)服務(wù)于新能源電動汽車充電存在一定發(fā)展瓶頸。例如，快速充電和電網(wǎng)容量的矛盾、用電離散化問題、大量充電機對電網(wǎng)的諧波污染問題、電網(wǎng)能量儲存與調(diào)配問題，因此發(fā)展新型的綠色能源綜合供電方案顯得尤為迫切。

太陽能和風(fēng)能是兩種重要的可再生資源。但由于受季節(jié)更替和天氣變化的影響，它們都屬于不連續(xù)能源，而風(fēng)光互補儲能電站則充分利用了兩種能源的互補性，能夠把分布不均或斷斷續(xù)續(xù)的太陽電和風(fēng)電儲存下來，讓清潔的“綠電”隨著用電的實際需求適時、適量地輸出。

本文論證并設(shè)計了集太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)能利用、電池儲能技術(shù)、高效DC-DC變換、電動車充電等多種新能源應(yīng)用為一體綜合電源供電電動汽車充電站，探索真正的新能源汽車能量供給解決方法。

1 電動汽車鋰離子動力電池的充電需求

鋰離子動力電池具有能量密度和體積密度高、工作電壓高、無記憶效應(yīng)、自放電低又無環(huán)境污染問題的優(yōu)點，是電動汽車的理想動力源，完全能夠滿足電動汽車的要求。

鋰離子動力電池的物理模型如圖1（a）所示。CE用于描述電池容量和電池的開路電壓（OCV），開路電壓OCV與電池的荷電狀態(tài)（SOC）相關(guān)。用R0表示電池的等效歐姆內(nèi)阻，用時間常數(shù)較小的R1C1描述鋰離子在電極間傳輸受到的阻抗，用時間常數(shù)較大的R2C2描述鋰離子在電極材料中擴散時受到的阻抗。

圖1（b)表明了鋰離子動力電池的充電曲線。其中，a時段為恒流階段，b時段屬于恒壓階段，c時段屬于涓流階段。在恒流階段，充電電流為n×C，其中n為充電系數(shù)，C為電池容量。n越大，則充電速度越快。

電動汽車充電速度太慢不利于電動汽車發(fā)展，對外營業(yè)的充電站必須具備快充功能，時間15～20 min應(yīng)能充80%以上。鋰離子動力電池的最大允許充電電流比相同容量的鉛酸電池大，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較快速的充電，目前一般的鋰離子動力電池可以實現(xiàn)1～2 C充電，新型快速充電鋰電池可達(dá)10 C。而傳統(tǒng)鉛酸電池的推薦值是0.14 C。但是由于鋰電池組是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其最大允許充電電流與電池容量Q、溫度T、電池的荷電狀態(tài)SOC、電池的老化程度SOH以及電池的一致性EQ均有重要關(guān)系，且表現(xiàn)出較強的非線性，鋰電池組的最大允許充電電流Imax為：

由于鋰離子動力電池的過充電能力較弱，不能像鉛酸電池一樣通過充電后期的涓流充電實現(xiàn)均衡，所以即便在電池出廠時進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，使用一段時間后，單體電池之間的容量依然會出現(xiàn)差異，這樣在充電過程中勢必出現(xiàn)部分電池先充滿電的現(xiàn)象發(fā)生。因此必須采用協(xié)調(diào)配合的充電模式，即充電機與電池管理系統(tǒng)(BMS)協(xié)同工作。BMS是對電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設(shè)備,它能使充電機實時地了解電池的信息，從而有效地解決部分電池的過充電問題。

電動汽車是新能源汽車，為其動力電池充電的最終能源供給應(yīng)當(dāng)是清潔綠色能源。如果只用傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電方式，快充時電流很大，巨大的充電電流對電網(wǎng)安全也形成極大的威脅，未來電動車普及以后對整個電網(wǎng)是災(zāi)難性的。電動汽車的目的是為了節(jié)能減排，傳統(tǒng)電網(wǎng)的電力大部分來自火力發(fā)電，這樣只是適當(dāng)改善了城市空氣質(zhì)量，但對于整個地球生態(tài)來說，節(jié)能減排貢獻(xiàn)也不大，因此采用新型能為電動汽車充電是一個重要的研究與發(fā)展課題。

總之，電動汽車對充電設(shè)施的要求主要體現(xiàn)在快速化、智能化、低碳化?；陲L(fēng)光互補綜合供電的電動汽車充電站很好地滿足了電動汽車動力電池的充電要求，具有良好的發(fā)展前景。

2 充電站硬件組成和軟件平臺

2.1 硬件組成

整個充電站系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、風(fēng)機、風(fēng)光互補控制器、儲能蓄電池、非隔離型離網(wǎng)逆變器、快速充電通道組成，如圖2所示。

光伏電池陣列和風(fēng)機通過模式轉(zhuǎn)換器接至風(fēng)光互補控制器，將太陽能或風(fēng)能高效地轉(zhuǎn)為儲能蓄電池的化學(xué)能，由于光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機輸出的能量都是隨著外部條件變化而變化的，因此兩種能源的提供都需要設(shè)置最大功率點跟蹤功能（MPPT）。為使系統(tǒng)性得到提高，滿足電動汽車快速充電需求，儲能蓄電池也采用鋰離子動力電池。用于充電的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用非隔離型式，因儲能電池的電壓選用較高的電壓值，本文所述系統(tǒng)為DC288 V。

儲能電池是直流形式輸出電能，可以通過兩種途徑為電動汽車充電。一種是離網(wǎng)逆變器配合車載充電機模式，另一種是DC/DC快速充電通道模式。

離網(wǎng)逆變器主要適用于小型汽車的車載充電，為其提供交流形式的電力。由于小型電動汽車的車載充電機一般是基于高頻開關(guān)電源的AC/DC變換器，前級多為二極管全橋整流的形式，離網(wǎng)逆變器可采用修正正弦波型。即可提高充電站的性價比，也能省卻車載充電機中的PFC電路。修正正弦波如圖3所示，它容易整流形成平穩(wěn)的直流輸出，對于高頻開關(guān)電源類負(fù)載非常適用，因為此類電源最終需要的是平穩(wěn)的直流母線電壓而不是正弦交流電壓。

圖3 修正正弦波逆變器輸出波形

DC/DC快速充電通道模式是本文所述充電站的亮點。該模式適用于電動大巴和電動小汽車的快速充電，其關(guān)鍵部件是高頻高效軟開關(guān)的能量雙向流動DC/DC變換器。該變換器采用ZVS-CV軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 ZVS-CV軟開關(guān)DC/DC變換器

只要滿足每個開關(guān)周期諧振電感能量能夠抽走開關(guān)并聯(lián)諧振電容的能量，即可實現(xiàn)零電壓開關(guān)：

變換器采用可變電流滯環(huán)控制方法,確保不同電壓電流情況下每一個開關(guān)周期諧振電感都有最小儲能電流Imin，以實現(xiàn)全程軟開關(guān)[3]，大大提高電能轉(zhuǎn)換效率。

由于本文所述的變換器具備能量雙向流動的功能，因此可以電動汽車的能量返回給儲能電站，實現(xiàn)能量的回饋[4]。更為重要的是，雙向的能量流動為正負(fù)脈沖快速充電提供了條件。對于任何放電深度，一個電池的充電接受比與放電電流的對數(shù)成正比，可以通過提高放電電流來增大充電接受比[5]。如圖5所示，經(jīng)過T1時段的正向電流充電后，再經(jīng)過T3時段的放電，會有利于去極化，進(jìn)一步加快充電速度。在傳統(tǒng)電網(wǎng)供電模式中，放電脈沖一般依靠電阻泄放，大大降低了能量轉(zhuǎn)換效率，若采用交流電能回饋的方式，則會系統(tǒng)過于復(fù)雜。

圖5 雙脈沖快速充電波形

2.2 軟件平臺

充電站的軟平臺由底層數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用層信息管理組成。系統(tǒng)具體軟件構(gòu)成主要包括數(shù)據(jù)采集、氣象參數(shù)計算、數(shù)查存儲與查詢、報表輸出等部分。在VB平臺下開發(fā)可視化人機界面，使用MSComm控制實現(xiàn)通訊功能，結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與管理。

車載BMS和充電站之間通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。DC/AC和DC/DC變換器均和監(jiān)控PC相連，實現(xiàn)充電過程的監(jiān)控和起?？刂频?。充電過程被PC機記錄,并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，監(jiān)控PC機與打印機連接，實現(xiàn)統(tǒng)計報表的打印。

應(yīng)用層軟件建設(shè)主要包括充電計費系統(tǒng)管理平臺、充電計費系統(tǒng)運營平臺、充電計費系統(tǒng)查詢平臺，分別對系統(tǒng)涉及到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式管理、電動汽車的充放電及購電用戶的充值進(jìn)行運營管理，以及對它們產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合查詢。

3 系統(tǒng)驗證

本文論述的充電站系統(tǒng)最大發(fā)電功率為30 kWp，其中光伏組件采用120塊多晶硅電池板構(gòu)成，每塊功率240 Wp。充電站每年可發(fā)電近4萬kWh。使用江淮同悅純電動汽車進(jìn)行充電測試，充電8 h即能實現(xiàn)完全的車載充電過程。另外，同過DC/DC直接進(jìn)行快充，充電時間減為3.5 h，節(jié)省了能源和時間。

4 結(jié)束語

基于風(fēng)光互補綜合供電的充電站解決方案是新能源汽車發(fā)展的重要子課題，有效地解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)供電模式和電動汽車充電要求的矛盾。本文系統(tǒng)地提出了風(fēng)光互補的新型充電模式，對電能的產(chǎn)生、存儲、變換和信息處理各個環(huán)節(jié)都進(jìn)行了詳細(xì)闡述和論證。優(yōu)良的測試性能表明，基于風(fēng)光互補綜合供電的充電站具有良好的發(fā)展前景。

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