基于電動(dòng)汽車充電樁管理系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研究

石啟飛

摘 要：通過開發(fā)相應(yīng)的科技技術(shù)去有效利用電力來保護(hù)生態(tài)環(huán)境是全球熱門的趨勢之一，因此電動(dòng)汽車就成為人們感興趣的一個(gè)重要領(lǐng)域。為了使這些策略在長期內(nèi)取得成功，未來的工程師在大學(xué)畢業(yè)后就必須熟悉這些技術(shù)的概念和問題。在此背景下，本文主要介紹了電動(dòng)汽車充電樁管理系統(tǒng)的物理規(guī)模模型設(shè)計(jì)、構(gòu)建和預(yù)期運(yùn)行結(jié)果。該模型用于演示所開發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行，將作為一個(gè)平臺(tái)去賦予電氣工程專業(yè)的學(xué)生和電動(dòng)汽車愛好者，研究電動(dòng)汽車充電和多個(gè)充電樁的高效管理問題。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 充電樁 實(shí)訓(xùn)平臺(tái) 研究

隨著電動(dòng)汽車（EV）數(shù)量的顯著增加，需求更多的私人和公共充電樁基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)電網(wǎng)性能和效率的影響較大，如超載、效率降低、電能質(zhì)量問題和干擾，以及電壓調(diào)節(jié)，特別是配電層面[1-3]。電動(dòng)汽車具有許多優(yōu)勢，如效率更高、啟動(dòng)扭矩更高、維護(hù)和運(yùn)行成本更低，以及使用可再生能源。然而，電動(dòng)汽車電池生產(chǎn)原料鋰的開采和轉(zhuǎn)化成本高昂，公共充電基礎(chǔ)設(shè)施也處于起步階段。此外，電動(dòng)汽車不受控制的批量充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生重大干擾[4-6]。所以通過對(duì)電動(dòng)汽車充電樁進(jìn)行合理化的管理和優(yōu)化，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)通過高峰時(shí)段提供輔助服務(wù)支持電網(wǎng)的解決方案，將是未來研究工作的主要方向。對(duì)于車輛工程專業(yè)的學(xué)生來說，掌握更好的充電技術(shù)會(huì)使得他們有更高發(fā)展，因此開展電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)管理實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研究是極其有必要的[7-8]。

1 電動(dòng)汽車充電樁管理系統(tǒng)功能

開發(fā)的SMEVCS的優(yōu)點(diǎn)是管理能量并將其重定向到充電樁，允許以低功率同時(shí)為幾輛電動(dòng)汽車充電?？赡苡龅降闹饕秉c(diǎn)是充電時(shí)間長，充電時(shí)間與同時(shí)充電的車輛數(shù)量成正比。然而，考慮到該SMEVCS是在車輛充電時(shí)間較長的地區(qū)開發(fā)實(shí)施的，例如辦公樓的停車位，這一劣勢就得到了緩解。除了管理多輛電動(dòng)汽車同時(shí)充電的主要功能外，SMEVCS還有兩個(gè)附加功能：（1）操作時(shí)處于“逆變”狀態(tài)，當(dāng)車輛連接充電樁時(shí)可作為電源。（2）具有故障報(bào)警功能。創(chuàng)建一個(gè)WEB頁面來顯示模擬充電樁和系統(tǒng)狀態(tài)的信息。

2 電動(dòng)汽車充電樁管理系統(tǒng)方案模塊和工作原理

開發(fā)的電動(dòng)汽車充電樁管理系統(tǒng) （SMEVCS） 旨在通過將充電樁直接連接到供電網(wǎng)絡(luò)來增加可以同時(shí)充電的電動(dòng)汽車的數(shù)量。向潛在建筑物的主要用戶傳送的電力由SMEVCS監(jiān)測已知變電站的電力，SMEVCS實(shí)時(shí)計(jì)算充電樁的可用電力。電力將不會(huì)完全傳輸，將會(huì)保留一個(gè)“備用”。 這樣做的目的第一個(gè)是為了供稍后連接的消耗品使用，第二個(gè)則是避免使變電站過載，因?yàn)槌d會(huì)產(chǎn)生額外成本，超出供應(yīng)商規(guī)定的負(fù)荷限額，或可能觸發(fā)長期保護(hù)。（圖１）

接收和分析的第一個(gè)數(shù)據(jù)是與可分配給充電樁的電力有關(guān)的數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)后，隨后測量到達(dá)主開關(guān)的電壓，管理系統(tǒng)檢查它是否在規(guī)定的限制范圍內(nèi)。通過測量電壓和系統(tǒng)參數(shù)，等待連接到它管理的充電樁。在第一輛電動(dòng)汽車接通后，主接觸器和與充電樁關(guān)聯(lián)的接觸器閉合。檢查終端是否存在電壓，并在確認(rèn)后檢查可以傳輸?shù)杰囕v的可用電力，系統(tǒng)設(shè)置為所有連接的車輛提供相等的電力。完成所有設(shè)置后，在系統(tǒng)和車輛之間開始充電。在這個(gè)意義上，該系統(tǒng)還可以選擇加快電動(dòng)汽車的充電速度。充電信息和測量值都會(huì)顯示在顯示屏上。

為了更加便捷和生動(dòng)說明和展示充電樁管理系統(tǒng)（SMEVCS）的操作給學(xué)生，擬建一個(gè)模型。該模型在電源方面進(jìn)行了簡化，單相，配備（模擬）五個(gè)充電樁；通過設(shè)計(jì)WEB頁面遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)和信息可視化。此外，為盡可能接近真實(shí)地模擬充電樁管理系統(tǒng)的運(yùn)行，該模型使用電動(dòng)汽車模擬器，更準(zhǔn)確地說是處理其電池充電管理的部分。該模擬器可在充電和逆變器模式兩種模式下運(yùn)行。

“充電”模式是系統(tǒng)的主要狀態(tài)，意在從電源中獲取能量，注入車輛的電池，并控制其充電，它以接收電池電壓和充電時(shí)吸收的電流作為輸入數(shù)據(jù)。

而“逆變”模式是指電動(dòng)汽車在一定條件和情況下可以作為能源使用的狀態(tài)。SMEVCS的這個(gè)特性可能很有用，例如在停電的情況下。

3 充電樁管理系統(tǒng)模型系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

擬建立的SMEVCS模型由用戶可見部分、充電樁、信息顯示部分和用戶隱藏部分組成，用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制。（圖２）

模型的主要組成部分主要有主接觸器、顯示器、電位計(jì)、讀卡器、接觸器、連接器控制系統(tǒng)、傳感器、傳感器、繼電器、電源、電動(dòng)汽車模擬器及部分組成。其中汽車模擬器由三個(gè)主要部件組成：（1）電壓為12V、容量為7Ah的電池；（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、與工位通信和兩種工作模式切換的指揮控制板；（3）充電模式下起降低電壓等級(jí)作用的變壓器，逆變模式下起升電壓作用的變壓器，電壓比為12/230V，50Hz。

擬創(chuàng)建WEB頁面來顯示模擬充電樁和系統(tǒng)狀態(tài)的信息。顯示變電站數(shù)據(jù);充電樁信息。

（1）變電站顯示信息為：標(biāo)稱功率（kW）;充電狀態(tài)，以存儲(chǔ)單元最大容量的百分比表示;充電樁耗電量（百分比）;總充電水平，即消耗品吸收的功率與充電樁吸收的功率之和。

（2）充電樁顯示的信息為：裝機(jī)功率，即各充電樁所能提供的最大功率，單位為kW；注入功率，表示向車輛電池輸送了多少功率，充電期間可用的信息，以千瓦表示；電壓和充電電流，以伏特和安培表示；電池充電水平，以百分比表示的值；顯示站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的兩個(gè)變量：變量“狀態(tài)”傳輸有關(guān)站點(diǎn)模式的信息，“就緒”—站點(diǎn)準(zhǔn)備好提供能量，“充電”—站點(diǎn)為車輛電池充電， “逆變”站從電池中提取能量并將其傳輸給外部消耗品，“服務(wù)” — 已斷開連接，正在維修或需要維修。“狀態(tài)”變量顯示：“就緒”，在運(yùn)行期間沒有負(fù)面事件，“故障”表示在運(yùn)行期間發(fā)生故障。

4 充電樁管理系統(tǒng)模型調(diào)試結(jié)果

電動(dòng)汽車充電樁管理系統(tǒng)的操作中，SMEVCS模型的操作將涉及微控制器的編程，其中擬使用c++編程，以及WEB頁面的實(shí)現(xiàn)，其中還會(huì)用到HTML、JavaScript和CSS編程。在研制過程中，將進(jìn)行多次測試，以核實(shí)所傳送信息的準(zhǔn)確性。所開發(fā)的模型計(jì)劃在以下兩種狀態(tài)下運(yùn)行：（1）充電（模擬多輛汽車同時(shí)充電的狀態(tài)）和（2）逆變（模擬連接到充電樁的電動(dòng)汽車電池的使用狀態(tài)）。逆變器會(huì)通過他們建立連接，進(jìn)一步為變電站提供電壓缺口或斷電的能量。 此外，還將設(shè)置和介紹（3）“故障”狀態(tài)的模擬給學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)的展示。

“充電”模式下SMEVCS模型的操作，SMEVCS 模型在“充電”模式下的運(yùn)行通過設(shè)置變電站的裝機(jī)功率開始。 計(jì)劃給出實(shí)驗(yàn)展示示例中，功率被認(rèn)為是 5kW，五個(gè)充電樁中的每一個(gè)都具有 1kW 的最大功率。 在電位器的幫助下，模擬充電水平（連接到系統(tǒng)的日常消耗品持續(xù)使用的能量）；在示例中，將以 60% 的閾值開始進(jìn)行，模擬電動(dòng)汽車連接到 4 號(hào)充電站插座，進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)嘗試。（表１）

如果在可用功率不再覆蓋兩輛車最大功率的情況下，可以接近變電站支持的最大負(fù)載。 那么在可用功率減少且未實(shí)施 SMEVCS 的情況下，變壓器以過載模式運(yùn)行，存在斷開長期保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，消耗品受到電源損失的影響。 SMEVCS 的使用將限制并適應(yīng)已經(jīng)連接到變壓器可用電源的車輛的充電，結(jié)果是同時(shí)為兩輛電動(dòng)汽車充電，變壓器將正常運(yùn)行，缺點(diǎn)是充電時(shí)間在所述情況下會(huì)加倍。（表2、表3）

SMECVS 模型在“逆變”模式下的操作中，如果在“逆變”模式下模擬 SMEVCS 模型的操作是通過斷開充電樁與網(wǎng)絡(luò)的連接并使用一個(gè)燈泡作為消費(fèi)者來執(zhí)行的，該燈泡的消耗量已相乘（在編程代碼中）以獲得所消耗的所需功率。如果保持燈泡的最大功率，則在汽車充電正常電壓下會(huì)產(chǎn)生非常低的電流。（表4）

SMEVCS模型的操作的“故障”狀態(tài)下，可能由于安裝和電氣設(shè)備故障頻繁，該型號(hào)將會(huì)展示出SMEVCS“故障報(bào)告”。例如在操作不當(dāng)?shù)那闆r下，WEB頁面會(huì)生成錯(cuò)誤消息。為了之后模擬生成“故障”消息的 SMEVCS 模型的故障，電動(dòng)汽車和車樁之間的電源線已斷開，僅留下通信部分。（表5）

5 結(jié)語

建立以SMEVCS 模型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，可在線上環(huán)境中使用生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)方式讓車輛工程領(lǐng)域的學(xué)生熟悉電動(dòng)汽車充電相關(guān)優(yōu)化和管理的具體內(nèi)容。而且重點(diǎn)介紹了電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和充電樁的技術(shù)指標(biāo)，提出的解決方案，這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來在電動(dòng)汽車智能充電和電力系統(tǒng)干擾減緩的最新解決方案方面的研究工作的前景。這次研究展示部分電動(dòng)汽車和全電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀和主要特點(diǎn)，綜述了基于電池的電動(dòng)汽車充電方法（類型、基礎(chǔ)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)）以及電力電子體系結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展。

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（2022AH052767）；安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（2022AH052769）；安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2022zmgj042）；安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2023sdxx261）。

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