光伏儲能式電動汽車直流充電樁的研究與設(shè)計

李潔 趙崢

摘要：指出了電動汽車的出現(xiàn)深受人們的喜愛，也為環(huán)保和節(jié)能做出了貢獻(xiàn)，但電動汽車充電不方便的問題也十分常見。用于光伏儲能式電動汽車的直流充電樁的出現(xiàn)可以很好的解決這個問題。基于此，介紹了光伏儲能式電動汽車直流充電樁的背景和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了常規(guī)充電和快速充電的方法，然后，詳細(xì)探討了光伏儲能電動汽車直流充電樁理論研究中光伏電池的工作原理和特點，光伏電池的特性，以及光伏儲能式電動汽車直流充電樁的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：光伏儲能式電動汽車;直流充電樁;設(shè)計

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0192-02

1引言

車輛的主要燃料來源是傳統(tǒng)的化石能源，化石能源的使用會產(chǎn)生大量溫室氣體二氧化碳，威脅到全球生態(tài)。因此，電動汽車具有環(huán)保、高效的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向。雖然電動汽車能夠有效緩解環(huán)境污染，但受電池容量和充電困難的影響，為電動汽車的發(fā)展和推廣產(chǎn)生了巨大的影響，所以對光伏儲能式電動汽車直流充電樁進(jìn)行研究與設(shè)計有著重要的意義。

2光伏儲能式電動汽車直流充電樁概述

2.1光伏儲能式電動汽車直流充電樁背景及發(fā)展現(xiàn)狀

目前，城市有越來越多的車輛，在行駛過程中產(chǎn)生大量廢氣，對環(huán)境造成很大危害。在這一背景下，加上近幾年蓄電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車已經(jīng)逐漸引起人們的注意。電動汽車的使用仍然存在著很多問題，例如續(xù)航里程太短、充電時間過長、電耗較大等限制，目前電動汽車充電站數(shù)量有限，給用戶帶來很大的不便，這一問題已經(jīng)引起人們的重視。所以，建立光伏儲能式電動汽車直流充電樁很有必要。

2.2光伏儲能式電動汽車直流充電樁充電方法

目前，光伏儲能電動車的直流充電樁有兩種主要的充電方式：常規(guī)充電和快速充電，一些停車場里面既有交流充電樁也有直流充電樁，這些直流充電樁主要用在快速充電。

（1）常規(guī)充電采用傳統(tǒng)的恒壓、恒流充電方式為電動汽車充電。使用非常低的充電電流為電池充電，電流大小約為15A。該充電模式廣泛用于家用充電設(shè)備（車輛充電器）和電動車輛的小型充電站。

（2）快速充電可稱為快速充電和緊急充電，其目的是使電動汽車的充電時間在短時間內(nèi)接近燃料汽車的充電時間。這種充電模式通常用于大型充電站。大型充電站的快速充電模式主要是為需要快速補(bǔ)充電能的情況充電。充電機(jī)功率一般都大于30kw，380v由三相四線制供電?？焖俪潆妼﹄姵貕勖幸欢ǖ挠绊懀貏e是普通電池?zé)o法快速充電，因為它不能在短時間內(nèi)接受大量電量，這會使蓄電池過熱。由于功率和電流的額定值非常高，這種充電模式對電網(wǎng)有更高的要求。

3光伏儲能式電動汽車直流充電樁理論研究

3.1光伏電池的工作原理

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電源是光伏陣列，其由光伏模塊根據(jù)一定的功率水平串聯(lián)和并聯(lián)組成。光伏效應(yīng)是光伏電池的基本發(fā)電原理。結(jié)果表明：太陽光照射物體，改變電荷的內(nèi)部分布并產(chǎn)生電動勢，并在負(fù)載終止時產(chǎn)生電流。光伏電池是沒有偏置PN結(jié)的器件。在太陽輻射下，光子在電池半導(dǎo)體的P型和N型區(qū)域中產(chǎn)生電子和空穴對，以改變電荷狀態(tài)，然后產(chǎn)生電動勢。

3.2光伏電池的等效特性與分析

太陽能電池等效電路圖如圖1所示，其中Iph為光伏電池發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流，Id為流過半導(dǎo)體二極管的電流，RS為內(nèi)部等效串聯(lián)電阻，Rsh為等效旁路電阻，Ipv為光伏電池輸出時的負(fù)載電流，Upv為光伏電池輸出端電壓。

4光伏儲能式電動汽車直流充電樁的設(shè)計原理

用于光伏儲能式電動汽車的直流充電樁的結(jié)構(gòu)包括太陽能電池陣列、混合儲能裝置、直流母線和電動汽車充電樁。電力電子結(jié)構(gòu)包括太陽能電池陣列與直流母線之間的接口、組合儲能裝置與直流母線之間的接口，以及直流母線與電動汽車充電樁之間的接口。第一部分是太陽能電池陣列、電動直流充電樁和混合儲能裝置;第二部分是太陽能電池陣列、電動汽車直流充電樁、混合儲能裝置和直流母線之間的電力電子結(jié)構(gòu)，包括：①太陽能電池陣列與電力電子結(jié)構(gòu)之間的最大功率跟蹤DC/DC轉(zhuǎn)換器;②混合儲能裝置和直流母線的電力電子結(jié)構(gòu)中的雙向Buck-Boost直流變換器;③電動汽車充電樁與直流母線之間的電力電子結(jié)構(gòu)中的DC/DC變換器充電。

5光伏儲能式電動汽車直流充電樁的硬件軟件設(shè)計

5.1硬件設(shè)計

光電伏儲能式電動汽車直流充電樁有許多構(gòu)件組成，常見的有PLC控制器、觸摸屏、IC卡讀寫器、電能表、打印模塊等。在充電DC/DC輸出直流600V穩(wěn)定定壓時，采用PLC對整個充電過程進(jìn)行控制，整個充電控制電路中包括：接觸器、電能表、充電強(qiáng)制閉合按鈕、觸摸屏、Nand Flash、數(shù)據(jù)采集、打印機(jī)和故障報警。600V穩(wěn)定直流電通過接觸器連接電能表，之后進(jìn)入充電接口，與電池組連接。接觸器的通斷由PLC控制，也可以由外置充電強(qiáng)制閉合按鈕控制。電能表直接對充電所耗的電能傳人PLC中，進(jìn)行費(fèi)用的結(jié)算。觸摸屏與PLC進(jìn)行連接，實現(xiàn)人機(jī)交互，顯示實時充電信息和充電狀態(tài)。Nand Flash為充電樁的存儲器，用于存儲充電信息，方便日后查詢。數(shù)據(jù)采集將電池的端電壓、充電電流、充電過程中溫度信號進(jìn)行采集并傳入到PLC中，使充電過程能夠安全進(jìn)行。打印機(jī)是在用戶需要時打印充電消費(fèi)信息。故障報警是當(dāng)充電過程中出現(xiàn)異常情況發(fā)出報警信號，斷開電源，來保證充電設(shè)備和人身安全。

5.2軟件設(shè)計

軟件部分的設(shè)計是光伏儲能式電動汽車直流充電樁的靈魂，是整個工作的核心。其主要功能是實現(xiàn)觸摸屏、直流電能表和微型打印機(jī)的通信控制，以及充電樁的自檢功能。

在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，程序設(shè)計分為以下兩個部分：PLC控制器程序和觸摸屏程序。觸摸屏程序可以實現(xiàn)觸摸屏配置和相關(guān)的通信參數(shù)配置。PLC控制器與不同硬件模塊之間的通信是必要的，因此PLC控制器的程序應(yīng)分為幾個主控制系統(tǒng)主程序、IC卡讀寫程序、電能表讀取程序等。主程序協(xié)調(diào)軟件子程序根據(jù)要求，滿足整個光伏儲能式電動汽車直流充電樁的不同要求，如查詢、充電等。

6結(jié)語

光伏儲能式電動汽車直流充電樁控是一個整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本文只是進(jìn)行初步的研究，仍然存在很多不足，還有許多問題需要進(jìn)一步分析研究：如何優(yōu)化光伏儲能式電動汽車直流充電樁的軟硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)性能;如何來好好地利用光伏儲能式電動汽車直流充電樁建立需要與當(dāng)?shù)毓庹涨闆r、環(huán)境溫度情況，并以此來提高光伏的利用效率;如何提高混合電池儲能系統(tǒng)組效率，充電樁的數(shù)目應(yīng)該如何優(yōu)化。