基于風(fēng)光互補(bǔ)的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 ?要：隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的的普及及電動(dòng)汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，探討利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)為電動(dòng)汽車充電，在介紹風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車供電電系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、蓄電池、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池等各個(gè)組成部分進(jìn)行選型，為后續(xù)智能充電系統(tǒng)的研究分析奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ);電動(dòng)汽車;智能充電

汽車的廣泛使用方便了人們的出行，然而隨著石油能源的過(guò)度開采，汽車的傳統(tǒng)燃料面臨枯竭，而且排放的尾氣也造成空氣的嚴(yán)重污染。這使電動(dòng)汽車成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，它氣體排放少，污染小，噪聲低，能效高。但電池的成本高，續(xù)航能力弱等缺點(diǎn)卻影響了它的大范圍使用。為更好的將風(fēng)光互補(bǔ)充電技術(shù)與電動(dòng)汽車相結(jié)合，在介紹風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行選型，為后續(xù)的智能充電系統(tǒng)的研究分析奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（如圖1）由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、AC/DC整流電路、降壓斬波電路、控制模塊、蓄電池和車載動(dòng)力電池組成。在整個(gè)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能;AC/DC和降壓DC/DC變換器主要實(shí)現(xiàn)電能變換;蓄電池不僅儲(chǔ)存電能，還能調(diào)節(jié)電能及平衡負(fù)載;負(fù)載部分為車載動(dòng)力電池;控制模塊由PWM產(chǎn)生模塊和內(nèi)部控制算法等構(gòu)成，主要是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池的電流和電壓進(jìn)行控制，不僅能保證蓄電池平穩(wěn)、快速、高效的充電，避免出現(xiàn)過(guò)放、過(guò)充等情況，而且還能延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

2 風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成，葉片用來(lái)接受風(fēng)力并通過(guò)機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能，尾翼使葉片始終對(duì)著來(lái)風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能，轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能，機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。按照風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的方向分水平軸和垂直軸兩種，本設(shè)計(jì)采用水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。參數(shù)如表1所示。

在某個(gè)風(fēng)速，風(fēng)機(jī)的輸出功率是跟隨轉(zhuǎn)速變化的，總有一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速，此時(shí)風(fēng)機(jī)輸出最大功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率為：

式中， 為風(fēng)輪掃過(guò)面積風(fēng)的功率; 為風(fēng)能利用系數(shù)，它隨風(fēng)速變化;A為風(fēng)掃過(guò)葉片的垂直截面積;D為風(fēng)輪直徑; 是空氣密度; 是風(fēng)速大小。

（2）太陽(yáng)能電池的選型

太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，是一種非線性直流電源。輸出電壓在大部分電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定，電壓超過(guò)一定值，電流迅速降為零，在一定的電池溫度和光照強(qiáng)度下，必然存在最大功率點(diǎn)，日照強(qiáng)度對(duì)太陽(yáng)能電池的影響較大，選用合適的控制策略來(lái)捕捉太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)以提高輸出功率。太陽(yáng)能電池選型如表2所示。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)三相整流后，輸出電壓平均值為561.6V～588V，要與光伏電池輸出端并聯(lián)，必須要和輸出電壓相匹配，選用16塊光伏電池單體串聯(lián)的方式，輸出電壓達(dá)到：16*36V=576V，為提供足夠大的功率，選取16串聯(lián)8并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使最大功率達(dá)到33.28KW。

（3）蓄電池的選型

所用蓄電池為鉛酸蓄電池，主要參數(shù)如表3。

（4）電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的選型

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池常見的有鉛酸電池、鎳鉻電池和鋰電池等類型，具體參數(shù)如表4。

目前對(duì)鋰離子電池的研究較為成熟，并且能量高，續(xù)航能力強(qiáng)，因此絕大多數(shù)電動(dòng)汽車采用鋰離子電池作為動(dòng)力電池。

與其它電池相比，鋰電池的優(yōu)點(diǎn)如下：

提升電量，增加汽車?yán)m(xù)航里程;提升充電倍率，縮短充電時(shí)間;低溫性能好，在低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車能正常駕駛，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并能降低成本;電芯組合封裝，便于管理，制造過(guò)程自動(dòng)化程度高。

鋰電池單體電壓為3.6V，需要上千個(gè)電池單體串并聯(lián)形成電池組為汽車提供動(dòng)力。

（5）車載動(dòng)力電池的充電控制策略

車載動(dòng)力電池目前主要以鋰電池組的形式出現(xiàn)，目前鋰電池的充電策略主要有：（1）階段充電法：恒流恒壓充電法應(yīng)用較廣泛，它又分為二階段式和三階段式。（2）脈沖充電：周期性的脈沖對(duì)電池進(jìn)行充電。（3）間歇充電（4）智能充電：即將智能控制技術(shù)應(yīng)用到電池的智能控制技術(shù)中。它能通過(guò)智能整定參數(shù)使充電曲線進(jìn)一步趨近最佳充電曲線。但由于智能控制技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)，更多的研究將粒子群算法和模糊控制技術(shù)應(yīng)用到電池充電控制技術(shù)中去，以提高充電過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)。

3 結(jié)論

本文將風(fēng)光互補(bǔ)充電技術(shù)與電動(dòng)汽車相結(jié)合，在介紹風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車供電系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、蓄電池、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池等各個(gè)組成部分進(jìn)行選型，為后續(xù)智能充電系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研重點(diǎn)項(xiàng)目（YJZ-2018-20）：基于風(fēng)光互補(bǔ)的電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì);滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院骨干教師（YG2019005）：優(yōu)秀骨干教師—變流技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：孫素軍（1979-02），女，河南省汝州人，碩士，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院講師，研究方向：電氣自動(dòng)化及新能源。