基于場地電動(dòng)車柔性分配功率充電機(jī)的研究與應(yīng)用

摘 要：隨著場地電動(dòng)車的廣泛應(yīng)用，其充電需求日益增長，特別是對(duì)于內(nèi)置電池多樣性的充電解決方案。針對(duì)這一問題，研究并設(shè)計(jì)了一種非車載低壓快速充電機(jī)，該充電機(jī)能夠智能地分配功率，以適應(yīng)不同電動(dòng)車的充電需求。首先詳細(xì)闡述了柔性功率分配的技術(shù)原理，以及優(yōu)化功率分配算法。然后介紹了充電機(jī)硬件構(gòu)成的幾個(gè)核心模塊，包括：主控制器、功率模塊（分為前級(jí)AC/DC和后級(jí)DC/DC）和功率分配單元。最后介紹了充電機(jī)的軟件業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)邏輯，通過硬件和軟件的綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了充電過程的智能化和自動(dòng)化。該研究的創(chuàng)新之處在于提出了一種新型的快速充電解決方案，通過柔性分配功率，達(dá)到減少充電時(shí)長，節(jié)能增效的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：場地電動(dòng)車 低壓充電機(jī) 功率柔性分配 功率模塊

1 引言

隨著全球?qū)沙掷m(xù)交通解決方案的需求不斷增長，場地電動(dòng)車因其環(huán)保無噪、低速安全、經(jīng)濟(jì)便利等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于旅游景點(diǎn)、園林小區(qū)、高爾夫球場、街道巡邏、清潔環(huán)衛(wèi)、智能倉儲(chǔ)等各個(gè)領(lǐng)域。然而，電動(dòng)車的廣泛普及受限于充電基礎(chǔ)設(shè)施的完善程度，尤其是快速充電技術(shù)的發(fā)展，這對(duì)于提升用戶體驗(yàn)和推動(dòng)場地電動(dòng)車市場發(fā)展至關(guān)重要。

目前，場地電動(dòng)車的充電方式主要有兩種：車載充電機(jī)和非車載專用低壓充電機(jī)。車載充電機(jī)通過電源線和市電相連即可充電，使用簡單方便，但存在成本較高、占用車輛空間、充電功率較小等缺點(diǎn)。非車載充電機(jī)則通過將市電交流電整流為低壓直流電為電池充電[1]，具有充電功率可定制、實(shí)現(xiàn)快速充電、不占用車輛空間等優(yōu)點(diǎn)，但需要簡單培訓(xùn)才能使用。

這兩種充電方式均為固定功率充電，存在最大功率受限和冗余功率無法利用的局限性。當(dāng)電池快充滿時(shí)，充電功率會(huì)快速減小，若充電機(jī)為多臺(tái)電動(dòng)車同時(shí)充電，會(huì)造成充電功率的浪費(fèi)，尤其是功率較大的充電機(jī)。因此，固定功率充電由于缺乏靈活性，無法根據(jù)電池的實(shí)際充電狀態(tài)調(diào)整功率，導(dǎo)致充電效率不高，充電時(shí)間較長，增加了能耗和運(yùn)營成本。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的局限性，本文提出了一種新型的快速充電解決方案——柔性功率分配的非車載低壓充電機(jī)。該技術(shù)的核心在于評(píng)估合適的最小顆粒度的充電功率模塊，將它們組合后，再依據(jù)各個(gè)車輛的充電狀態(tài)柔性分配功率，從而減少充電時(shí)長，節(jié)能增效。

2 柔性分配功率的技術(shù)原理

本方案的核心由三大模塊構(gòu)成：主控模塊、功率分配模塊和電源模塊。電源模塊又分為兩級(jí)架構(gòu)，前級(jí)是AC/DC整流電路，產(chǎn)生恒定的110V直流母線電壓，后級(jí)是由M個(gè)最小功率顆粒度的DC/DC模塊并聯(lián)而成。柔性分配功率的技術(shù)方案原理示意圖１所示。

場地電動(dòng)車的快速充電過程，涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互和智能功率管理，以確保充電既快速又符合車輛的具體需求。以下是充電過程中的關(guān)鍵步驟：

2.1 數(shù)據(jù)交互與參數(shù)獲取

當(dāng)充電機(jī)與電動(dòng)車建立連接后，主控模塊通過工業(yè)總線與車輛的電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。充電機(jī)獲取關(guān)于電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)，包括充電需求電壓、充電需求電流等。這些參數(shù)對(duì)于確定充電策略和保障充電安全至關(guān)重要。

2.2 充電需求分析

根據(jù)從BMS獲取的充電需求電壓，充電機(jī)計(jì)算出各個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換模塊可以提供的最大充電電流值。不同電動(dòng)車的充電電壓是可能存在差異的，例如48V或72V。

2.3 最優(yōu)模塊組合計(jì)算

考慮到不同車輛的充電需求電流和DC/DC模塊的最大功率輸出，充電機(jī)將計(jì)算出最優(yōu)的模塊組合方案。這一方案旨在在滿足充電電流需求的同時(shí)，最小化充電功率的浪費(fèi)，從而提高充電效率。

2.4 充電過程的實(shí)時(shí)調(diào)整

一旦確定最優(yōu)的模塊組合，充電機(jī)將對(duì)相應(yīng)的功率分配模塊發(fā)送指令，開始對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行充電。在充電過程中，主控模塊將持續(xù)監(jiān)測充電需求的電壓和電流，并根據(jù)這些參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，通過功率分配模塊來動(dòng)態(tài)調(diào)整功率的分配。

2.5 冗余功率的柔性分配

在充電過程中，如果檢測到某些模塊的功率未被充分利用，充電機(jī)將智能地重新分配這些冗余功率，以滿足其他車輛的充電需求。這種柔性功率分配策略不僅提高了充電機(jī)的整體效率，也為充電場地的運(yùn)營商帶來了經(jīng)濟(jì)效益。

3 柔性分配功率的控制策略

3.1 功率分配的初步設(shè)定

參考圖1，首先，當(dāng)場地電動(dòng)車連接到充電機(jī)時(shí)，BMS會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送當(dāng)前電池所需的充電電壓U和充電電流I至充電機(jī)。充電機(jī)的主控模塊接收到這些信息后，進(jìn)行以下步驟：

（1）最大電流計(jì)算：主控模塊根據(jù)給定的電壓U，已知單個(gè)DC/DC模塊的最大功率條件下，可計(jì)算單個(gè)DC/DC模塊在該電壓下能夠輸出的最大電流Id_max。

（2）DC/DC模塊數(shù)量確定：通過公式（n-1）*Id_max<I<n*Id_max，計(jì)算出所需的最少DC/DC模塊數(shù)量n，以滿足電動(dòng)車的充電需求。

（3）功率分配控制：一旦確定了所需的DC/DC模塊數(shù)量，主控模塊將控制功率分配模塊，閉合n個(gè)空閑DC/DC模塊的充電通路，以向電動(dòng)車提供所需的電流。

（4）電流分配及控制指令：主控模塊進(jìn)一步計(jì)算每個(gè)DC/DC模塊實(shí)際應(yīng)輸出的電流Id_rt，滿足公式Id_rt=I/n。并向相關(guān)的n個(gè)模塊發(fā)出控制指令，確保電流的平均分配。

3.2 需求功率變化時(shí)的調(diào)整策略

隨著電動(dòng)車電池接近充滿狀態(tài)，所需的充電電流會(huì)迅速下降，此時(shí)進(jìn)入涓流充電階段以保護(hù)電池。充電機(jī)的主控模塊通過與車輛的BMS持續(xù)通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測到充電需求電流I′的變化。

（1）最優(yōu)DC/DC模塊數(shù)量重新計(jì)算：根據(jù)新的充電需求電流I′，主控模塊利用公式 （m-1）*Id_max<I’<m*Id_max，重新計(jì)算最優(yōu)的DC/DC模塊數(shù)量m（其中m<n），以適應(yīng)當(dāng)前的充電需求。

（2）DC/DC模塊冗余識(shí)別與釋放：通過比較當(dāng)前的DC/DC模塊數(shù)量n與新的最優(yōu)數(shù)量m，主控模塊識(shí)別出冗余的模塊數(shù)量（n-m），并決定釋放這些模塊，以便為其他電動(dòng)車提供充電服務(wù)。

4 智能低壓充電機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)

本文基于上述功率柔性分配原理和策略，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙槍和四槍充電機(jī)，分別能支持兩臺(tái)和四臺(tái)場地電動(dòng)車同時(shí)快速充電。其中雙槍充電機(jī)柔性分配功率的電氣控制原理圖如圖２所示（四槍充電機(jī)同理）。

4.1 主控制器

主控制器，是基于GD32F105RBT6 在Keil V5開發(fā)環(huán)境上開發(fā)的。該MCU是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位通用微控制器，有128KB的Flash和64KB的SRAM，最高主頻達(dá)108MHZ[2]，確保了快速的指令執(zhí)行和處理速度。具有2路CAN接口，支持CAN 2.0B協(xié)議，可以高速、可靠地分別與車輛的電池管理系統(tǒng)（BMS）以及充電機(jī)內(nèi)部的功率模塊進(jìn)行通信。還包含5路USART，可用于和顯示屏或后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)保持實(shí)時(shí)通訊，傳遞充電數(shù)據(jù)或設(shè)置用戶參數(shù)。

4.2 功率模塊前級(jí)AC/DC

功率模塊前級(jí)AC/DC的主要作用是將三相交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流母線電壓。在本設(shè)計(jì)中，目標(biāo)是產(chǎn)生110V的直流母線電壓，為后級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的電源支撐。這一步驟對(duì)于整個(gè)充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。

它采用三相維也納（Vienna）拓?fù)浼軜?gòu)，通過提供三個(gè)電平的輸出電壓，從而減少了開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別適合于三相輸入系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和高功率密度的電力轉(zhuǎn)換[3]。

半導(dǎo)體開關(guān)器件的選擇至關(guān)重要。MOSFET因其快速開關(guān)特性、較低的導(dǎo)通電阻和良好的熱穩(wěn)定性而被采用。

軟件控制采用電壓電流雙閉環(huán)PI控制，保證直流輸出母線電壓的持續(xù)穩(wěn)定[4]。

4.3 功率模塊后級(jí)DC/DC

后級(jí)DC/DC采用三電平移相全橋拓?fù)潆娐罚@種設(shè)計(jì)可以提供更平滑的輸出電壓波形，減少電壓紋波，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能[5]。

該DC/DC能夠?qū)崿F(xiàn)0-100V的寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)，這種靈活性使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的負(fù)載需求和電池充電階段。

通過精確的控制策略和優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)，后級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑤敵鲭妷杭y波控制在很小的范圍內(nèi)。這對(duì)于保護(hù)敏感電子設(shè)備和延長電池壽命至關(guān)重要。

4.4 功率分配單元

功率分配單元是柔性分配功率的充電系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，它負(fù)責(zé)根據(jù)充電需求和策略，動(dòng)態(tài)地分配功率到各個(gè)DC/DC模塊。

該單元實(shí)際上是由多個(gè)并聯(lián)的繼電器組合模塊構(gòu)成，每個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)控制一個(gè)DC/DC模塊的充電回路。它們負(fù)責(zé)在主控模塊的指令下，斷開或閉合DC/DC模塊的充電回路。這種控制方式允許系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)的充電需求，靈活地調(diào)整參與工作的DC/DC模塊數(shù)量。

功率分配單元在設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮電磁兼容性問題。繼電器的切換會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，可能對(duì)系統(tǒng)的其他部分造成干擾。因此，需要采取適當(dāng)?shù)臑V波和屏蔽措施，以滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)[6]。

安全更是充電機(jī)設(shè)計(jì)的首要考慮。功率分配單元應(yīng)具備過流、短路和過熱保護(hù)功能，以防止意外情況對(duì)系統(tǒng)造成損害。

5 充電機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)

5.1 啟動(dòng)和自檢

在充電機(jī)初次上電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入自檢狀態(tài)。此階段的主要任務(wù)包括：

（1）內(nèi)部故障檢測：系統(tǒng)執(zhí)行一系列預(yù)定的故障檢測程序，以確保所有內(nèi)部組件正常工作。

（2）模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣：通過ADC對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，確保充電機(jī)的輸入信號(hào)準(zhǔn)確無誤。

（3）按鍵輸入采集：收集用戶通過按鍵輸入的指令，以供后續(xù)處理。

（4）告警判斷與處理：對(duì)檢測到的任何異常情況進(jìn)行判斷，并執(zhí)行相應(yīng)的告警處理機(jī)制。

在自檢狀態(tài)下，充電機(jī)不會(huì)響應(yīng)任何與充電相關(guān)的控制命令，以確保安全和系統(tǒng)的可靠性。

5.2 待機(jī)與通訊握手

自檢完成后，充電機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)部功率模塊保持關(guān)閉。若用戶通過按鍵下達(dá)啟動(dòng)命令，充電機(jī)將與電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行通訊匹配。匹配成功后，若滿足啟動(dòng)充電的條件，充電機(jī)將設(shè)置開關(guān)機(jī)控制狀態(tài)為開機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，電壓和電流的設(shè)定值將根據(jù)BMS的給定值或人工設(shè)置進(jìn)行配置。

5.3 充電過程

充電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入充電階段，分為以下幾個(gè)步驟：

（1）恒流充電階段：在這個(gè)階段，充電機(jī)的輸出電流嚴(yán)格遵循BMS設(shè)定的電流值，同時(shí)充電電壓與電池電壓保持一致。

（2）功率模塊最優(yōu)分配判斷：當(dāng)個(gè)別車輛接近充滿時(shí)，充電機(jī)會(huì)按照柔性分配功率策略，釋放冗余的功率模塊，同時(shí)分配給其他需求充電車輛。

（3）充電完成判斷：當(dāng)電池電壓達(dá)到其最大可充電電壓值時(shí)，充電機(jī)判斷充電過程完成，并進(jìn)入充電完成狀態(tài)。

5.4 運(yùn)行監(jiān)控與異常處理

在充電過程中，充電機(jī)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控，以確保充電安全和效率。監(jiān)控內(nèi)容包括：

（1）交流異常檢測：監(jiān)測交流電源的穩(wěn)定性，確保電源供應(yīng)符合充電要求。

（2）直流輸出過欠壓保護(hù)：實(shí)時(shí)監(jiān)測直流輸出電壓，防止電壓異常對(duì)電池造成損害。

（3）直流輸出過流和短路保護(hù)：實(shí)時(shí)監(jiān)測直流輸出電流，防止電流異常對(duì)電池或充電機(jī)造成損害。

（4）過溫告警：通過溫度傳感器監(jiān)控充電機(jī)的內(nèi)部溫度，避免過熱導(dǎo)致的安全隱患。

若在運(yùn)行過程中檢測到任何異常情況，充電機(jī)將立即進(jìn)入告警狀態(tài)，并終止充電過程，以保護(hù)電池和充電設(shè)備的安全。

6 結(jié)語

本文針對(duì)場地電動(dòng)車充電需求的多樣性和快速增長，提出了一種基于柔性功率分配的非車載低壓快速充電機(jī)。通過綜合設(shè)計(jì)，本研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)多臺(tái)車輛同時(shí)充電過程中，根據(jù)車輛實(shí)時(shí)所需的充電功率大小變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)整功率分配，從而顯著提高了整個(gè)系統(tǒng)的充電效率。同時(shí)，本充電機(jī)的設(shè)計(jì)充分考慮了充電過程的穩(wěn)定性和安全性，確保了充電操作的可靠性。

柔性功率分配策略的應(yīng)用，使得充電機(jī)能夠適應(yīng)不同場地電動(dòng)車的充電需求，實(shí)現(xiàn)了資源的最優(yōu)配置。與傳統(tǒng)的固定功率充電方式相比，本充電機(jī)展現(xiàn)出更高的靈活性和效率，減少了因功率不匹配導(dǎo)致的能源浪費(fèi)，降低了運(yùn)營成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

本研究為場地電動(dòng)車的充電問題提供了一種創(chuàng)新的解決方案，有望推動(dòng)場地電動(dòng)車充電技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)更加綠色、高效、智能的充電服務(wù)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?jiān)倮?，陳偉?一種叉車用快速充電方法的研究[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2021，26（10）：200-202.

[2] GD32F105XXDatasheet[Z].2013：22.

[3]馮興田，崔曉，陶媛媛.三相三線制Vienna整流器系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020，39（3）：102-105，145.

[4]朱文杰，任聰，許贏，等.基于滑?？刂频木S也納整流器電流諧波抑制[J].電工技術(shù)，2022，11：36-39.

[5]劉計(jì)龍，肖飛，陳偉，等.一種三電平全橋直流變換器新型控制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（33）：5854-5860.

[6]翟國富，薄凱，周學(xué)，等.直流大功率繼電器電弧研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（22）：251-263.