电动汽车最优充电系统设计

表3-1所示。表3-SEQ表2-\*ARABIC1充电站类型分类标准充电站类型安装位置车载充电站地面充电站输入电源单相充电站三相充电站连接方式传导式充电站感应式充电站功能普通充电站多功能充电站（1）车载充电站。车载充电站安装于电动汽车上，通过插头和电缆与交流插座连接，因此也可以称之为交流充电站。车载充电站的优点是在蓄电池需要充电的任何时候，只要有可用的供电插座，就可以进行充电。其缺点则是受车上空间所限，因而功率处理能力有限，只能提供小电流慢速充电，充电时间一般较长。（2）地面充电站。地面充电站一般是安装是一个固定的地方，充电站内有输入电源，输出电源与电动车直接连接。地面充电站可以提供多达上百千瓦的功率处理能力，可以对电动汽车进行快速充电。REF_Ref179810251图3-1示出了两种充电站对电动汽车充电时的连接示意图。图3-SEQ图2-\*ARABIC1车载充电站、地面充电站与车辆连接示意图（3）传导式充电站和感应式充电站。传导式充电站的输出直接连接到电动汽车上，两者之间存在实际的物理连接，电动汽车上不装备电力电子电路。感应充电站采用电磁感应耦合方式将电能传输给电动汽车。两者之间没有物理联系。充电站分为地面部分和车辆部分。（4）普通充电站和多功能充电站。普通充电站仅提供电池充电功能。除电池充电功能外，多功能充电站还可以提供电池容量测试、电网谐波抑制、无功补偿、负载平衡等功能。由于目前实际的充电站基本上采用交流电源作为输入电源，充电站的功率转换单元实质上是一个交直流变换器。3.2充电站的电气参数及其技术指标建议作为一个提供电源的电器设备，其铭牌标识的电气参数要以便于消费者选择和使用。在此建议的电气参数及其技术指标如下：输入电源：AC380V；稳流精度：1%；稳压精度：1%；满载效率：>91%；满载功率因数：>0.9；使用环境温度：−20～50；最高输出电压：串联电池的个数×电池充电限制电压×k（k为系数，由电池厂家提供）；最低输出电压：串联电池的个数×电池放电限制电压；最大输出电流：按蓄电池厂家提供数据确定；最低充电电流：按蓄电池厂家提供数据确定；最大输出功率：Umax×Imax。3.3充电站连接器设计充电站通过连接器与被充电对象相连，即连接器是供电系统中非常关键的部件，要求可靠性高、使用方便、标准件齐全。建议连接器数量最多为20000次。通信线路和充电线路的连接器应在同一个连接器上，并锁紧，以保证充电站和充电站操作人员的安全。推荐的连接器平面结构REF_Ref180115138如图3-2，其与充电对象（车辆、电池或充电平台）的连接剖面结构图如REF_Ref180115233图3-3。图3-SEQ图2-\*ARABIC2充电站连接器平面结构图图3-SEQ图2-\*ARABIC3充电站与充电对象的连接剖面结构图

第四章充电站功能模块及其推荐方案如前所述，充电站的拓扑结构有多种，在综合考虑充电站的性能参数的基础上，本节介绍地面充电站的功能模块及其推荐设计方案。充电站的输入电源是三相交流电源，采用高频隔离桥DC/DC转换技术，电动汽车系列电池按预设充电参数充电。电动汽车充电站的功能模块主要包括：①输入整流装置；②DC/DC变换器；③驱动脉冲生成及调节系统；④保护系统；⑤单片机（CPU）控制系统；⑥人机接口等部分组成。电动汽车充电站功能模块组成如REF_Ref180115264图4-1所示。图4-1电动汽车充电站功能模块组成框图4.1输入整流装置输入整流装置对三相交流电进行整流，经过滤波后，形成稳定的直流母线电压，以提供给后级DC/DC变换器。推荐设计原理图如REF_Ref180115324图3-5。4.2DC/CD变换器DC/DC变换器一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。直流-直流变换器（DC-DCconverter）内部一般具有PWM（脉宽调制）模块，E/A（误差放大器模块），比较器模块等几大功能模块。推荐设计原理图如REF_Ref180115547图3-6。DC/DC变换器在控制系统的控制下，采用脉宽调制（PWM）技术，提供恒定电流输出或恒定电压输出，满足蓄电池组的充电要求。4.3驱动脉冲生成、调节及保护系统驱动脉冲生成、调节及保护系统是充电站的低层控制系统，其组成部分主要包括：信号采样和调理电路、PWM生成集成电路、故障保护逻辑电路、闭环控制调节电路和并联运行均流电路等部分，推荐设计原理图如REF_Ref180115553图3-7、REF_Ref180115560图3-8。该系统可以直接控制DC/DC变换器，使其完成功率转换的功能，除此之外还要保护系统的功能。4.4单片机（CPU）控制系统单片机（CPU）控制系统是充电站的最顶层的控制系统，可以控制整个充电站的控制系统。其主要包括单片机（CPU）及其基本外围电路、数字量处理电路、模拟量处理电路、RS-485通信接口、CAN通信接口、按键输入电路及显示电路等部分，推荐设计原理图见REF_Ref180115704图3-9。单片机（CPU）控制系统能够受到人为输入指令和其他输入指令的控制，能够控制系统的启动和停止，从而达到控制整个充电站的功能，并且能够将充电站的一些数据进行显示和上传到数据监控层。4.5人机接口人机接口部分由按键和数码管（或液晶显示屏）组成，并且具有计算机远程监控、车辆充电控制等功能。具有通信接口的充电站可组成计算机监控网络。监控计算机监控和记录各充电站的运行数据，修改各充电站的运行参数，控制充电站的启停。电动汽车既可以通过通信接口对充电站进行控制，也可以通过充电控制逻辑单元控制充电站的启动与停机。充电站要具备完善的保护功能，能够为操作人员和充电站提供安全可靠的保护机制，并且能够提供排除故障说明4.6internet接口设计电动汽车充电站的互联网接口的时候要考虑到与供电所的连接管理，必须满足与电网调度系统的连接，还要考虑到电网通信协议等相关连接。协议统一，实现充电站和无人值守站的统一监控和数据上传。4.7电能计量充电站作为电网的负荷，可以提高我国终端能源消费结构中电能的比重。利用夜间或低负荷时段完成充电，有利于调节电网的峰谷平衡，其电耗的测量是关键环节。所以，充电站用电计量应考虑适应不同用户的需要，适应电网自动化的现状，实现交直流电源显示，并考虑与远程抄表和帐户读取。图4-2输入整流装置设计建议原理结构图图4-3DC/DC变换器设计建议原理结构图图4-4脉冲生成、调节系统设计建议原理结构图图4-5信号输入及故障保护系统设计建议原理结构图图4-6单片机（CPU）控制系统设计建议原理结构图

第五章仿真测试本方案用来测试充电站实现的电气性能、通讯性能和保护功能。5.1测试仪器综合比较现有测试仪器的性能，建议采用日本日置HIOKI3167钳式直流电力电能质量分析仪进行相关测试和分析。该功率分析仪的基本参数如下表：表5-1基本参数接线方式单相二线测量项目电压，电流，有功/无功/视在功率，功率因数，相位，频率，电流/功率累积测量量程电压：15～600V，6档电流：2～500A，12档(因电流钳而定)功率：30W～300kW，（因电流电压量程的组合而定）频率：500Hz/50kHz输入阻抗（DC）电压：1MΩ，电流：200kΩ（钳式传感器输入）W基本精度±0.4%rdg.±0.1%f.s.(45～66Hz)采样速率5次/s频率特性DC、10Hz～50kHz模拟输出V，A，W同时输出/DC±2Vf.s.监控输出V，A，W同时输出（波形输出）/±2Vf.s.功能定标、平均值、过大输入警告、备用电池、保持等接口GP-IB或RS-232C（选件）电源供应DC12V±2V使用9418-10AC电源转换器时：100～240VAC，50/60Hz20VA最大（额定输入时13VA最大）体积及重量215宽×80高×280厚mm，2.4kg（含选件9588和9592）附件9418-10AC电源转换器（1），9179电压线(1)，电源线(1)，接地转换器（1）5.2充电站功能测试建议方案图5-1充电站输入输出图5.2.1充电站电气性能测试（1）稳压精度试验稳压精度试验适用于测量受试设备输出电压稳定偏差程度。1）试验用仪器仪表设备及要求交流电压表、交流电流表、直流电压表、直流电流表、调压装置和可调负载。2）试验部位输出端。3）试验条件和方法a）输入电压为额定值，以负载电流为额定值的50%时，调整受试设备的输出电压至额定值，并以此定点为标准值；b）整流设备有较宽的输出电压范围，则取浮充下限、浮充上限、均衡上限三个输出电压定点的标准值；4）计算方法稳压精度的计算公式：式中：——稳压精度，%；U——分别为测得电压的最大值和最小值；——输出电压标准值。（2）稳流精度试验稳流精度试验适用于测量具有稳流输出性能的受试设备的电流稳定偏差程度。1）试验用仪器仪表设备及要求交流电压表、交流电流表、直流电压表、直流电流表、调压装置和可调负载。2）试验部位输出端。3）试验条件和方法a）受试设备在输入电压允许的变化范围内，输出电压在规定的范围内变化时，负载电流在规定的范围内；b）在输入电压为额定值，分别在规定输出电压范围的中间值处取负载电流的下限值、50%值和额定值为稳流整定值；c）在输入电压的允许范围内，当输出负载电流为下限、50%和额定值时，输出电压测量被测设备在规定变化范围内的输出电流。4）计算方法稳流精度的计算公式：式中：——稳流精度；I——分别为测得电流的最大值和最小值；——输出电流的整定值。（3）效率和功率因数试验效率和功率因数试验适用于测量受试设备在额定输入额定输出条件下的效率和功率因数。整流设备的效率和功率因数试验适用于测量交流输入、直流输出的受试设备的效率和真实功率因数。①试验用仪器仪表设备及要求数字功率计、交流电压表、交流电流表、真实功率因数测量仪、直流电压表、电流表和互感器调压装置及可调负载。②试验部位交流输入端直流输出端。③试验条件和方法（a）按REF_Ref180115919图5-2接入受试设备、测量仪器、仪表和阻性负载；图5-2整流设备效率和功率因数试验电路图（b）输入为额定电压值、输出为额定电流值和稳压上限电压值；（c）直接记录测量数据。注：需在不同工作条件下测量其效率和功率因数时其方法相同。5.2.2充电站通信功能测试依据国家电网公司拟定的《电动汽车充电站通信协议》标准中的通信协议为基础，建立测试平台。按照通信协议中的数据格式，由充电站向测试PC机发送数据，如果测试PC机能接收并正常显示数据，说明充电站通信正常，否则不具备通信功能。5.2.3测试结果为验证本文模型和算法的有效性，以国内外两座大型城市的电动汽车有序充电策略为例进行算例分析。利用上述基于遗传算法的优化方法对B市和N市的峰谷电价政策进行时段优化。仍以两座城市的典型日负荷作为原始负荷，并利用蒙特卡洛法模拟100万辆电动汽车的充电需求，通过本文的模型和方法对两座城市的电动汽车慢充负荷在峰谷电价政策实施前后的典型日负荷曲线进行模拟，并对峰谷电价政策的时段进行寻优处理(电价政策偏好系数取0.9，充电功率取恒定2.5kW，优化结果如下：图6-5城市B实施电价政策前后负荷情况对比

第六章总结与展望电池管理系统对整车的安全运行、整车控制策略的选择、充电模式的选择以及运营成本都有很大的影响。电池管理系统主要是检测电池的参数，包括电压、温度、电流以及对电池进行分析判断，给出电池组的状态，并把测得的电池数据通过网络传输给充电站或者车载设备。本章从电池管理系统的功能和结构两方面介绍了相应的建议方案和推荐指标。电池管理系统的设计主要有如下技术难点：需要采集的数据量大，精度要求高;电池状态的非线性变化严重制约了SOC的预测精度；内部电路复杂，安全性差，抗干扰能力要求高。在电池管理系统的安全管理和控制功能模块设计中，如何解决电池自身的安全性间题，例如:实现电池组均衡充电、避免高电压和高电流的泄漏、防止对人体造成伤害，尤其是在冲力作用条件下(发生碰撞时)对电池安全性的控制等，还需要进行大量的试验研究。目前，许多电池管理系统对一种电池的应用非常有效，但对其他类型的电池的应用却很困难。因此，对更通用的电池管理系统的研究已成为当前的发展方向。

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