基于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的光伏充電站的建模與仿真研究

迪姆科·米什科夫斯基 / 謝爾登·威廉姆森

摘 要 環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯和油價(jià)的持續(xù)上漲，使電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)得以發(fā)展并逐步商業(yè)化，并將很快助力相關(guān)配套設(shè)備的上市。這其中，電動(dòng)汽車(chē)充電站可能會(huì)是整條運(yùn)輸系統(tǒng)更換鏈中最重要的一環(huán)。作為一種非接觸式電能傳輸?shù)难b置，電動(dòng)汽車(chē)光伏公共充電站將會(huì)被設(shè)置在大型購(gòu)物中心的停車(chē)場(chǎng)、旅游景區(qū)、體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等。與公路上的大功率充電站不同，這種類(lèi)型的光伏充電站將只提供電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的部分能量。比如，在1～2h內(nèi)，只提供電動(dòng)汽車(chē)電池容量的30%左右。它配備的儲(chǔ)能系統(tǒng)由鋰離子電池串并聯(lián)組成，依賴(lài)光伏系統(tǒng)和一個(gè)網(wǎng)格接口來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)它給電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，其通過(guò)由諧振轉(zhuǎn)換器和空心變壓器(ACT)組成的感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行操作，這可能是電動(dòng)汽車(chē)最方便的充電方式了，IPT系統(tǒng)的無(wú)繩操作最大可能地保障了充電期間的安全性。有線(xiàn)充電因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)的火花和電插頭的機(jī)械損壞等問(wèn)題正在被逐步淘汰。然而，若要將IPT設(shè)計(jì)為一種高效系統(tǒng)，還必須要考慮幾個(gè)重要問(wèn)題，包括大的空氣間隙、良好的偏差耐受性、安全的電磁輻射度、系統(tǒng)的精巧性。這是設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)充電站的基本(通用)方法。根據(jù)預(yù)定參數(shù)，系統(tǒng)元件的評(píng)估將通過(guò)其布局設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)條件下，這些系統(tǒng)元件將是決定系統(tǒng)效率和成本的根源。

基于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的光伏充電站的建模與仿真研究

迪姆科·米什科夫斯基 / 謝爾登·威廉姆森

摘 要 環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯和油價(jià)的持續(xù)上漲，使電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)得以發(fā)展并逐步商業(yè)化，并將很快助力相關(guān)配套設(shè)備的上市。這其中，電動(dòng)汽車(chē)充電站可能會(huì)是整條運(yùn)輸系統(tǒng)更換鏈中最重要的一環(huán)。作為一種非接觸式電能傳輸?shù)难b置，電動(dòng)汽車(chē)光伏公共充電站將會(huì)被設(shè)置在大型購(gòu)物中心的停車(chē)場(chǎng)、旅游景區(qū)、體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等。與公路上的大功率充電站不同，這種類(lèi)型的光伏充電站將只提供電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的部分能量。比如，在1～2h內(nèi)，只提供電動(dòng)汽車(chē)電池容量的30%左右。它配備的儲(chǔ)能系統(tǒng)由鋰離子電池串并聯(lián)組成，依賴(lài)光伏系統(tǒng)和一個(gè)網(wǎng)格接口來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)它給電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，其通過(guò)由諧振轉(zhuǎn)換器和空心變壓器(ACT)組成的感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行操作，這可能是電動(dòng)汽車(chē)最方便的充電方式了，IPT系統(tǒng)的無(wú)繩操作最大可能地保障了充電期間的安全性。有線(xiàn)充電因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)的火花和電插頭的機(jī)械損壞等問(wèn)題正在被逐步淘汰。然而，若要將IPT設(shè)計(jì)為一種高效系統(tǒng)，還必須要考慮幾個(gè)重要問(wèn)題，包括大的空氣間隙、良好的偏差耐受性、安全的電磁輻射度、系統(tǒng)的精巧性。這是設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)充電站的基本(通用)方法。根據(jù)預(yù)定參數(shù)，系統(tǒng)元件的評(píng)估將通過(guò)其布局設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)條件下，這些系統(tǒng)元件將是決定系統(tǒng)效率和成本的根源。

光伏充電站 電動(dòng)汽車(chē) 感應(yīng)電能傳輸

1 引言

電動(dòng)汽車(chē)光伏公共充電站的通用設(shè)計(jì)方法一般遵循如圖1所示的幾個(gè)步驟。整個(gè)流程將提供系統(tǒng)元件(和特定的電力電路)的精準(zhǔn)概述以及根據(jù)(在電力傳輸過(guò)程中利用太陽(yáng)能和電網(wǎng))設(shè)定的輸入?yún)?shù)和近似成本分析得到的完善體系。

利用三維工程設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，并考慮空心機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)。此外，系統(tǒng)硬件(包括太陽(yáng)能電池板、電池)、電動(dòng)汽車(chē)的尺寸等將被劃入充電站的構(gòu)造設(shè)計(jì)中。

充電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)基于戴維南等效電路進(jìn)行建模，選用結(jié)合MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)功能的爬山算法，將蓄電池等效電路通過(guò)基于PSIM軟件的光伏矩陣MPPT控制器進(jìn)行充電仿真。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)光伏公共充電站

從仿真結(jié)果看，該儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力傳輸和系統(tǒng)的效率分析是同步進(jìn)行的。這里電網(wǎng)接口被設(shè)計(jì)為一個(gè)三相交流變換器，在DC鏈路電壓下，將被用于充電站儲(chǔ)能系統(tǒng)的備用電源。

IPT系統(tǒng)也將基于PSIM軟件進(jìn)行建模和仿真，其組成包括直流并聯(lián)諧振DC/AC轉(zhuǎn)換器、空心變壓器(系統(tǒng)最重要組成部分)。前者的電壓和電流特定，將為后者提供高頻信號(hào)；而在后者的建模中，其機(jī)械參數(shù)(包括矩形線(xiàn)圈、其在EV中的最大可用空間、初級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈之間的距離等)要進(jìn)行初始化，空心會(huì)被設(shè)計(jì)為等效電路，同時(shí)考慮到變壓器的補(bǔ)償，其中所有空心參數(shù)都是由C#語(yǔ)言編寫(xiě)的程序在Windows系統(tǒng)下執(zhí)行計(jì)算得到的。

在IPT系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)系統(tǒng)的操作起于充電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)、止在電動(dòng)汽車(chē)電池組，其中每個(gè)部分的功率都會(huì)被自動(dòng)收集并用于系統(tǒng)的效率分析。一旦所有的電力電子電路都配備好硬件開(kāi)關(guān)裝置，系統(tǒng)的效率也將隨之確定。又由于空心變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的偏差會(huì)在一定程度上影響其等效電路參數(shù)以及系統(tǒng)的電力傳輸和效率分析，所以針對(duì)這類(lèi)偏差，會(huì)額外進(jìn)行分析仿真。將該情況下確定的效率與理想無(wú)偏差情況下的既定效率進(jìn)行比較分析，進(jìn)而確定總系統(tǒng)的效率，并與標(biāo)準(zhǔn)充電系統(tǒng)(充電100%)的效率進(jìn)行比較，以方便進(jìn)行節(jié)約成本的分析。

2 系統(tǒng)基本組成和布局

由于電動(dòng)汽車(chē)光伏充電站的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)是以確定好系統(tǒng)最重要的輸入?yún)?shù)為前提的。因此，充電站ESS(電子開(kāi)關(guān)系統(tǒng))容量、光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)接口的供給電能將被計(jì)算。

考慮到電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展?jié)摿?，本文將未?lái)緊湊型車(chē)輛的ESS容量近似為30kW·h，該值被眾多專(zhuān)家認(rèn)為是充電站最優(yōu)的ESS容量。如果假設(shè)充電站每日工作9h，且每小時(shí)的充電量為EV ESS容量的1/3，那么，充電站每日將需要得到90 kW·h左右的電能。相較于電網(wǎng)供給，確實(shí)不如最大化地利用太陽(yáng)能發(fā)電進(jìn)行供能。

為了確定系統(tǒng)布局和必要的仿真實(shí)驗(yàn)，需要選擇特定類(lèi)型的汽車(chē)電池和太陽(yáng)能電池板。因此本文中選用科士達(dá)HiPower HP-50160282(3.2V/100Ah)UPS電源及鋰電池(LiFePO4)模型，以及夏普NU-U235F3(235W/ 994×1 640mm)太陽(yáng)能電池板。

根據(jù)電池的規(guī)格，可以計(jì)算出用于支撐EV和ESS的電池?cái)?shù)量。設(shè)定直流母線(xiàn)電壓為300V，則：

Vbat=94×3.2V=300.8V

式中，Nser是實(shí)現(xiàn)直流電壓的串聯(lián)HP-50160282電池的數(shù)量。那么蓄電池的容量為：

Eser=100Ah×300.8V=30 080W·h≈30kW·h

因此，94個(gè)HP-50160282電池串聯(lián)將能滿(mǎn)足30kW·hESS容量的EV。而根據(jù)前文中的計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)于充電站的90kW·h的ESS容量來(lái)說(shuō)，將對(duì)應(yīng)的需要3組分別由94個(gè)電池板組成的元件。這里尤其要注意的是，根據(jù)HP-50160282電池的規(guī)格，其充電上限電壓Vchmax和放電終止電壓Vdischmin為：

Vchmax=3.85V×94=361.9V

Vdischmin=2V×94=188V

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)和充電站而言，這些值在進(jìn)行充電節(jié)能控制設(shè)計(jì)時(shí)是非常重要的。

如果根據(jù)太陽(yáng)能電池板夏普NU-U235F3的規(guī)格尺寸和EV的最大尺寸(l×w×h=5m×1.8m×1.5m)來(lái)計(jì)算的話(huà)，能夠得到停車(chē)場(chǎng)屋頂上需要鋪設(shè)的太陽(yáng)能電池板的數(shù)量以及充電站設(shè)備(ESS和相關(guān)控制器)的數(shù)量。因此，在這個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，可以將12塊電池板鋪設(shè)成4行3列的光伏矩陣，每列的電池板串聯(lián)，再3列并聯(lián)，則將得到光伏系統(tǒng)參數(shù)：

Vpvmax=4×30.1V=120.4V

Ipvmax=3×7.81A=23.43A

Vpvoc=4×37V=148V

Ipvsc=3×8.5A=25.5A

充電站的MPPT控制器將能提供足以滿(mǎn)足蓄熱太陽(yáng)能的最大功率工作點(diǎn)和為充電站ESS充電的必要輸出電壓。本文中選用的太陽(yáng)能電池板夏普NU-U235F3在太陽(yáng)能熱輻射功率為1kW/m2時(shí)能產(chǎn)生的最大功率為235W。因此，在特定的太陽(yáng)能熱輻射功率下，該光伏系統(tǒng)的最大功率為Ppvmax=12×235W=2 820W，而該光伏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)蒙特利爾市每天可以提供的平均太陽(yáng)能為：

24h×12panels=9 950Wh

由于文中設(shè)定充電站ESS容量為90kw·h，又考

慮到太陽(yáng)能電池板不總是全面受輻射，所以，設(shè)定光伏系統(tǒng)只提供其10%的能量來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)充電。

在上文的設(shè)定中，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的緊湊/中型的電動(dòng)汽車(chē)尺寸為l×w×h=5m×1.8m×1.5m，并且是電動(dòng)汽車(chē)充電站的一部分。光伏矩陣鋪設(shè)于充電樁的頂部，其斜率的確定依據(jù)蒙特利爾市一年中最長(zhǎng)日光(6月21日)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，令該斜率正好垂直于太陽(yáng)能電池板，以獲得最佳的光伏系統(tǒng)效率。同時(shí)，提出采用ACT(主動(dòng)控制技術(shù))，令初級(jí)線(xiàn)圈安裝于地、次級(jí)線(xiàn)圈距離EV0.2m，每個(gè)線(xiàn)圈的預(yù)留空間為0.8m×0.8m×0.05m(以后會(huì)詳細(xì)說(shuō)到)。此外，在系統(tǒng)的其他布局設(shè)計(jì)中，將ESS連同電池組安裝在專(zhuān)用隔間(電氣柜)，并安裝光伏MPPT控制器和三相電源(電網(wǎng)接口)，使諧振轉(zhuǎn)換器提供通信和高頻信號(hào)，以及EV定位及充電計(jì)費(fèi)設(shè)備(見(jiàn)圖2)。

圖2 電動(dòng)車(chē)充電站規(guī)劃圖

岳文姣編譯自2013 IEEE transportation electrification conference and expo: ITEC 2013，了解更多詳細(xì)內(nèi)容可登陸http://users.encs.concordia.ca/～peer/index.html。

Modeling and Simulation of a Pnotovoltaic (PV) based Inductive Power Transfer Electric Vehicle Public Chenging Station

Dimko Miskovski / Sheldon S. Williamson