充換電站電動公交車自動有序充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖鋒，連湛偉，徐鵬，李洪峰，馬少永（.許繼電氣股份有限公司，河南許昌　46000；.山東泰開箱變有限公司，山東泰安　7000）

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充換電站電動公交車自動有序充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖鋒1，連湛偉1，徐鵬1，李洪峰1，馬少永2
（1.許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000；2.山東泰開箱變有限公司，山東泰安271000）

摘要：對于服務(wù)于電動公交車的充換電站，單位時間內(nèi)可供更換的動力電池越多，整站服務(wù)能力就越強(qiáng)。運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃的充電控制策略和動力電池的狀態(tài)評價(jià)體系，借助共享配電數(shù)據(jù)，關(guān)注站內(nèi)負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)充電功率消耗，達(dá)到站內(nèi)自動有序充電的控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)可供更換動力電池?cái)?shù)量最大化。同時，根據(jù)工位需求情況、可換電池組數(shù)等信息，通過充電機(jī)與其電氣連接的充電架，設(shè)計(jì)對放置于電池架的動力電池自動充電功能，制定合適的自動有序充電計(jì)劃。最后，跟蹤電池全壽命周期信息，結(jié)合一段時間換電效率判斷充電監(jiān)控設(shè)計(jì)效果，提高整站自動化水平和運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：充換電站；充電機(jī)；動力電池；充電監(jiān)控；有序充電

隨著人類社會的不斷發(fā)展，環(huán)境污染和化石能源短缺越來越嚴(yán)峻，不斷提高的二氧化碳濃度導(dǎo)致全球氣候變暖，這其中汽車的碳排放占了很大一部分比重。全球面臨嚴(yán)重的氣候危機(jī)，在每年的全球氣候變化大會上各國都承諾減少溫室氣體排放。在中國，由于汽車數(shù)量一直都在增加，霧霾天氣越來越頻繁，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為社會各界的共識[1]。

電動汽車充換電站對于實(shí)施國家能源建設(shè)，促進(jìn)節(jié)能減排有著非同尋常的意義，同時作為國家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，將為數(shù)眾多的電動汽車動力電池作為可以計(jì)劃使用和有效控制的電網(wǎng)儲能設(shè)備，對于電網(wǎng)的削峰填谷和提高電能利用效率也會起到積極的作用，產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益[2]。電動汽車充換電站是新能源產(chǎn)業(yè)重要配套設(shè)施，也是智能電網(wǎng)的重要研究領(lǐng)域[3]。

本文旨在研究服務(wù)電動公交車的充換電站智能有序充電，運(yùn)用文獻(xiàn)[4]提及的動態(tài)規(guī)劃和文獻(xiàn)[5]提及的電池狀態(tài)評價(jià)原理，關(guān)注共享配電數(shù)據(jù)，電池和所在充電機(jī)以及電氣連接的充電機(jī)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全自動單箱電池充電、補(bǔ)電、整組電池均衡電壓等功能，建立動力電池有序自動充電的優(yōu)化模型，增加動力電池可更換率，從而提高充換電站的運(yùn)行效率，間接提升公共交通系統(tǒng)的服務(wù)能力。

1自動有序充電系統(tǒng)

本文系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，基于許繼ICS8000自動化軟件平臺開發(fā)，拓展功能業(yè)務(wù)邏輯處理模塊，增加專用的自動有序充電業(yè)務(wù)模塊；通信平臺在電力IEC104規(guī)約基礎(chǔ)上拓展數(shù)據(jù)包類型，打包采集充換電數(shù)據(jù)；組態(tài)重新規(guī)劃設(shè)計(jì)充換電服務(wù)界面，滿足操作人員要求。

系統(tǒng)包括圖形組態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)存儲、消息中心、進(jìn)程管理、權(quán)限管理、報(bào)表生成、日志策略等模塊，在滿足基本的電力系統(tǒng)SCADA功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)充換電技術(shù)要求。具體的系統(tǒng)功能體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)Fig. 1 The system function architecture

2自動有序充電控制

2.1基于動態(tài)規(guī)劃的有序充電控制策略

動態(tài)規(guī)劃是求解運(yùn)籌決策過程最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。它將一個多階段決策問題轉(zhuǎn)化為一系列單階段決策問題，每個階段都做出決策，以使整個過程取得最優(yōu)效果。多階段決策過程的最優(yōu)策略具有這樣的性質(zhì)：不論初始狀態(tài)和初始決策如何，當(dāng)把其中的任何一級和狀態(tài)再作為初始級和初始狀態(tài)時，其余的決策對此必定也是一個最優(yōu)策略。即若有一個初始狀態(tài)為x（0）的N級決策過程，其最優(yōu)策略為{u（0），u（1），…，u（N-1）}。那么，對于以x（1）為初始狀態(tài)的N-1級決策過程來說，決策集合{u（1），…，u（N-1）}必定是最優(yōu)策略。

將電動汽車動力電池的充電過程劃分為若干個階段，將每個階段結(jié)束時的SOC作為該級狀態(tài)，假設(shè)在各階段，電動汽車動力電池的充電功率為某恒定常數(shù)，電動汽車在該階段的充電功率P即為決策量，充電產(chǎn)生的費(fèi)用或損失為則成相應(yīng)代價(jià)函數(shù)，而動態(tài)方程為：

式中：C為由電池容量和時間尺度所決定的常數(shù)。

因此，已知電動汽車的起始SOC和目標(biāo)SOC，充電計(jì)劃安排可描述為：對各階段選擇最佳的充電功率使得整個充電過程產(chǎn)生的費(fèi)用或損失最小[5-8]。整個充電過程中，系統(tǒng)根據(jù)充電機(jī)和電池BMS信息進(jìn)行充電控制，當(dāng)充電電流接近電池可接受充電電流曲線時，適時地停止充電，然后對充滿的成組電池進(jìn)行微調(diào)補(bǔ)電，使其一組電池均衡性較佳。在此過程中，系統(tǒng)操作工位維護(hù)架對均衡較差的單箱電池進(jìn)行各項(xiàng)測試并充放電，消除極化，使箱內(nèi)單體均衡，進(jìn)而提高電池的充電接收能力，從而大幅提高充電速度。

充換電站的電池?cái)?shù)量包括等待充電的電池、正在充電的電池、充滿待用的電池，以及車輛上的電池。當(dāng)站內(nèi)具備足夠充裕的電池時，自動有序充電系統(tǒng)才有可能對更換下的電池充電進(jìn)行調(diào)節(jié)。分析動力電池充電需求、電池特性及電網(wǎng)管理需求等變量，篩選出主要特征值，為有序智能充電策略的精確建模提供依據(jù)。根據(jù)動力電池拒絕閾值和充電特性，動態(tài)估算出電池的充電能力，提出供需實(shí)時平衡的充電模式，以任意階段的電池SOC為起始和目標(biāo)，然后分層遞階控制，結(jié)合充電需求參數(shù)、充電行為，建立有序充電控制策略。

2.2動力電池狀態(tài)評價(jià)對有序充電控制的影響

電池狀態(tài)包括荷電狀態(tài)SOC、健康狀態(tài)SOH及功能狀態(tài)SOF。SOH由壽命預(yù)測與故障診斷共同確定，SOF需要綜合考慮SOH、SOC、直流內(nèi)阻、溫度范圍、不一致性等多方面因素的影響[9-11]。

電動公交車動力電池一般有大箱24支或者小箱12支單體電池串并聯(lián)組成，其中單體電池之間存在一致性惡化現(xiàn)象。由于電池制造工藝和技術(shù)的影響，一箱內(nèi)的單體電池之間的內(nèi)阻、溫度、電壓存在一致性和均勻性問題。單體電池之間的不一致性導(dǎo)致單體、編組和成套之間的性能差異明顯，不論是單體到編組還是編組到成套，整個能量、質(zhì)量和功率性能的大幅度衰減是明顯的。一輛電動公交車使用九箱動力電池，一組電池之間的性能也存在一致性差異。對一致性參數(shù)表現(xiàn)形式進(jìn)行研究，都能為電池的均衡和高效管理提供有效依據(jù)。

3站內(nèi)有序充電控制目標(biāo)

充換電站有序充電控制目標(biāo)來源于不同的控制層級，各控制層級同時存在時，各層控制的范圍、控制的目標(biāo)存在相互約束的關(guān)系。目前電動汽車充換電站與電網(wǎng)互動中，現(xiàn)有的充電系統(tǒng)對電網(wǎng)沖擊較小，所以涉及的控制目標(biāo)和控制策略關(guān)注度小，而站內(nèi)負(fù)荷控制更為重要。

站內(nèi)系統(tǒng)有序充電控制目標(biāo)，來自于不同的充電設(shè)備主體和動力電池管理系統(tǒng)（BMS）的約束。控制目標(biāo)流程實(shí)現(xiàn)如圖2所示，需要根據(jù)各組動力電池的情況動態(tài)地對各組動力電池下達(dá)充電指令。控制算法中涉及到充電功率的協(xié)調(diào)分配問題，而這需要掌握電池的狀態(tài)，以保證充電過程的安全。

圖2控制目標(biāo)流程實(shí)現(xiàn)圖Fig. 2 Processes to achieve the control objectives

可以通過如圖3所示的高級量測系統(tǒng)、其他配電系統(tǒng)信息共享或電池充放電試驗(yàn)掌握電動汽車（動力電池）的狀態(tài)信息，進(jìn)行引導(dǎo)和控制。

圖3多信息共享圖Fig. 3 Multi-information sharing

站內(nèi)有序充電控制最終目標(biāo)如下：

1）保證站內(nèi)可換電池?cái)?shù)量滿足公交車更換需求；

2）充放電效率（除去電池維護(hù)）最大；

3）最大程度執(zhí)行上級控制命令；

4）最大程度滿足各電動汽車（動力電池）的充電需求。

4有序充電計(jì)劃

由于電動公交車行駛路線特定，專業(yè)司機(jī)駕駛，所以電動公交車的行駛特性比較固定，電動汽車的負(fù)荷特性可以從不同時間尺度進(jìn)行考量，從長期尺度（幾十分鐘至幾小時）電動汽車的負(fù)荷特性體現(xiàn)為其充電曲線的變化，取決于充電方法和電池的狀態(tài)。從短期尺度（數(shù)秒鐘）看電動汽車的負(fù)荷特性由電池和充電機(jī)組成系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性體現(xiàn)，取決于動力電池的特性、充電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及控制方法。

全站的運(yùn)行過程中，電池箱（組）的充電控制全自動完成，根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷及站內(nèi)外運(yùn)行狀況，形成梯次充電策略。如圖4自動有序充電計(jì)劃流程所示，確保在車上換下的電池放到工位電池架上后，連接器安全連接以后，充電設(shè)備自動開啟充電，且在一次充電完成后系統(tǒng)會根據(jù)單箱電池內(nèi)部單體電池的不均衡度和成組電池內(nèi)部的單箱間的不均衡度自行判定是否啟動二次充補(bǔ)電，及調(diào)整修正充補(bǔ)電的充電參數(shù)。充補(bǔ)電的策略來自系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中配置的專家參數(shù)，這個參數(shù)來源于BMS上送的信息和監(jiān)控系統(tǒng)采集的均衡裝置的最優(yōu)值。整組充電完成后，某箱電池未完全充滿，即單體壓差大于階段閾值（3.35 V，3.55 V，3.65 V）時，采用不同補(bǔ)電策略參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)電。

在電動汽車或動力電池進(jìn)行充電的過程中，電池管理系統(tǒng)（BMS）通過采集各動力電池模塊的電壓、溫度等參數(shù)，對動力電池的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，向充電機(jī)發(fā)出充電控制命令，包括充電的開始及停止、充電電壓電流的設(shè)置等，可以將BMS和充電機(jī)看作“主-從”關(guān)系。電動汽車充電過程的充電負(fù)荷即動力電池充電負(fù)荷，交流供電電源經(jīng)充電機(jī)變流后向動力電池充電。當(dāng)前電動公交車采用的動力電池類型多為磷酸鐵鋰動力電池，常規(guī)采用恒流-恒壓兩階段充電方法，充電電流倍率在1倍的電池容量以下。實(shí)際充電過程中動力電池變化曲線如圖5所示。

圖4充電計(jì)劃流程圖Fig. 4 Charging planning process

圖5動力電池變化曲線Fig. 5 Power battery curve

5有序充電功能設(shè)計(jì)驗(yàn)證

基于全站當(dāng)前的用電負(fù)荷、各充電工位可用電池（組）數(shù)量、各工位當(dāng)前換電情況及當(dāng)前預(yù)計(jì)車輛換電情況等綜合條件形成最優(yōu)的充電方案，實(shí)現(xiàn)全自動有序充電過程控制。全自動充電策略形成遵循“安全第一、效率至上”的原則。如圖6所示，充換電監(jiān)控共享配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)配電的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前電網(wǎng)的負(fù)荷，綜合當(dāng)前站內(nèi)實(shí)際換電狀況及動力電池所需容量，結(jié)合當(dāng)前電動公交車運(yùn)轉(zhuǎn)情況，綜合生成一套自動的充電過程控制。充電過程中優(yōu)先考慮成組電池充電控制，根據(jù)當(dāng)前電池的充電狀態(tài)及電池不均衡度，實(shí)時調(diào)整充電控制參數(shù)，自主實(shí)施二次補(bǔ)電，同時綜合各工位當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)情況和電池情況，形成梯次充電控制策略。該控制策略根據(jù)不同充電機(jī)的設(shè)計(jì)模式自適應(yīng)控制模式，支持應(yīng)答式和自主式2種控制模式，且該控制策略支持人工修正，可根據(jù)當(dāng)前電池實(shí)際情況，自適應(yīng)形成充電控制電壓、電流，以靈活的控制策略為基礎(chǔ)，保證該全自動充電控制過程的安全、可靠。

圖6有序充電功能圖Fig. 6 Ordered charging function

系統(tǒng)實(shí)時測量動力電池的電流值、電壓值、溫度、充電次數(shù)，以及充電電量和放電電量，即式（1）中的決策量P，然后運(yùn)用算法對以上測量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，結(jié)合SOC=剩余容量/額定容量，估算出動力電池SOC。在此過程中用溫度以及動力電池的充電次數(shù)數(shù)據(jù)擬合出一個影響SOC精度的修正因子，即式（1）中的C，對SOC值進(jìn)行在線修正。

根據(jù)實(shí)際使用的動力電池特性參數(shù)獲得動力電池容量。動力電池整組充電時，依據(jù)實(shí)時上送的充電數(shù)據(jù)，計(jì)算出充電電量。充電過程中，根據(jù)電池廠家提供的動力電池特性，電池容量需滿足任一單體電壓大于2.1 V，否則過欠壓告警，通過此數(shù)據(jù)來判斷動力電池狀態(tài)固化不變?nèi)萘?。通過不斷的電池狀態(tài)評價(jià)參數(shù)修正動力電池SOC初始值。SOC=（實(shí)際電量/額定電量）×修正因子。

有序自動充電控制策略與電動車充電服務(wù)需求、電動車電池的不同剩余容量、系統(tǒng)負(fù)荷動態(tài)變化密切相關(guān)。這些關(guān)聯(lián)特征中，電池的不同剩余容量在充電中體現(xiàn)在電池SOC、充電電壓、充電電流、單體壓差均衡中，導(dǎo)致充電策略不同，進(jìn)而影響充電服務(wù)需求，而整個過程中如果不計(jì)較電價(jià)的差異，電網(wǎng)側(cè)的影響微乎其微。電動車動力電池（組）間存在差異，動力電池單體之間也存在差異，導(dǎo)致電源供電時可用的輸出容量和功率不同，進(jìn)行集中充電的能量匹配策略亦不同。

系統(tǒng)獲取共享配電數(shù)據(jù)，分析計(jì)算當(dāng)前站內(nèi)負(fù)荷，綜合監(jiān)控系統(tǒng)同時依據(jù)電池組（144.69 kW·h）的組成特性（一組電池由5箱大電池（20.67 kW·h）和4箱小電池（10.335 kW·h）組成），計(jì)算出當(dāng)前站內(nèi)允許同時啟動充電的電池組數(shù)。對于預(yù)充電電池，綜合監(jiān)控系統(tǒng)有序充電模塊依據(jù)動力電池SOC為基礎(chǔ)的動態(tài)估算是否進(jìn)行一次充電，或者二次補(bǔ)電，形成全站電池梯次有序充電控制。同時依據(jù)電池SOC計(jì)算出電池適合的充電電壓和充電電流，自動下發(fā)充電成組控制指令。系統(tǒng)有序充電過程運(yùn)用維護(hù)架根據(jù)電池組間均衡度和電池單體間均衡度不斷調(diào)整充電方式，盡量減少不均衡度，提高電池利用壽命。充電過程中進(jìn)行全周期特性監(jiān)視分析，一旦發(fā)現(xiàn)電池差異超過歷史專業(yè)庫閾值，則綜合監(jiān)控系統(tǒng)自動向充電設(shè)備下發(fā)急停指令，停止充電過程，同時產(chǎn)生越限報(bào)警，提醒人工參與。

6　結(jié)語

通過充換電站電動公交車電池自動有序充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及南京高新園充換電站和國網(wǎng)充換電試驗(yàn)站的示范運(yùn)行，有利于充換電站電池做到最優(yōu)化配置，有效提升站內(nèi)更換電池利用率，全面提高整站運(yùn)營服務(wù)能力。通過現(xiàn)場實(shí)際工程驗(yàn)證，站內(nèi)電池配比達(dá)到1.4∶1，單工位日服務(wù)能力可達(dá)80次。在本系統(tǒng)的支撐下，獲取站內(nèi)負(fù)荷變化，通過有序梯次控制充電，解決電動公交車充換電站安全高效的充電需求，繼而滿足電動公交車換電需求。同時，系統(tǒng)通過對電池組和單體電池SOC等電池特性的分析，有序開展一次充電或二次補(bǔ)電，而且出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能夠快速急停并且產(chǎn)生告警通知操作人員。

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肖鋒（1981—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、繼電保護(hù)及電力系統(tǒng)自動化；

連湛偉（1972—），男，教授級高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與智能電網(wǎng)；

徐鵬（1981—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)和電動汽車充換電產(chǎn)品。

（編輯徐花榮）

Fund Project: the National High Technology Research and Development of China 863 Program（2011AA05A108）.

Design of the Station Electric Bus Automatic Orderly Charging System

XIAO Feng1，LIAN Zhanwei1，XU Peng1，LI Hongfeng1，MA Shaoyong2
（1. XJ Electric Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China；2. Shandong Taikai Co.，Ltd.，Taian 271000，Shandong，China）

ABSTRACT：For the charging station for electric buses，the more batteries available for replacement，the stronger of the whole station service capacity. Using the dynamic programming control strategies and battery charging state evaluation system with the shared distribution data，considering the load change of the station，this paper adjusts the charging power consumption to achieve the control objective of automatic orderly charging and achieve the maximum of the batteries for replacement. At the same time，according to the station demand and information such as the number of batteries for replacement，considering the charger and its electrical connection with the charging rack，the paper designs the automatic charging function of the batteries on the rack and proposes the appropriate automatic and orderly charging scheme. Finally，through tracking the life-cycle information of the battery combined with the batteries replacement efficiency in a certain period of time，the charging monitoring and control design effects are judged in order to improve the automation level of the whole station and its operation efficiency.

KEY WORDS：chargingswapping station；charger；battery；charge monitor；ordered charge

作者簡介：

收稿日期：2015-04-03。

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重大項(xiàng)目（2011AA05A108）。

文章編號：1674- 3814（2016）02- 0122- 05

中圖分類號：TM910.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A