儲能式電動汽車充電樁系統的分析與設計

摘要: 本文設計了一套3kW的模擬系統，該系統主要由功率調節系統(PCS)和控制系統組成，PCS實現儲能電池、電動汽車電池和交流電網之間的能量轉換，控制系統實現對電池在線監測管理和對PCS的PWM控制。理論分析與實驗結果表明，該系統在保證傳統充電樁的功能下，有效地降低了充電樁對電網的功率要求。

引言

　　隨著環境和能源問題的日益嚴峻，電動汽車和新能源發電應運而生。電動汽車也以其綠色環保、高效率等優點成為現代汽車工業的重要發展方向^[1]。發展電動汽車必須建設與之配套的充電設施，因此大力發展電動汽車充電設施已成為國內外研究的重點。

　　目前，我國智能配電網和智能配電居民小區建設還很不普及和完善，已有居民小區的供電容量不能滿足較多電動汽車的充電需要。增加配電設備容量，將會涉及投資、多部門協調及復雜的施工改造等問題，而且還會導致負荷峰谷差變大，降低設備利用率，從而限制私家電動汽車的進一步推廣。

　　針對上述問題，文獻[3]基于峰谷分時電價，最大限度利用谷時段進行充電的雙序谷有序充電控制方法;該方法雖能在不改變原配電容量的前提下，實現對多輛電動汽車的同時充電，但其只能實現慢速充電的需求，對于快速充電仍無法滿足。文獻[4]根據配電網調度對快速充電站功率變化率的限制需求，提出了含儲能緩沖系統的快速充電站拓撲結構和控制策略。

　　結合上述文獻，本文提出在傳統的充電樁內，增加大容量蓄電池組和附加的能量轉換系統，設計了一種基于DSP的儲能式電動汽車充電樁模擬裝置，可以在不改變配電網的前提下，實現對電動汽車電池組的快速充電。

1 儲能式充電樁的總體結構

　　圖1所示為儲能式充電樁的系統結構圖，該系統主要由功率調節系統(PCS)[7]和DSP控制系統兩部分組成。PCS采用直流母線式結構，是電網與儲能電池組和電動汽車電池組、儲能電池組與汽車電池組之間的能量傳輸紐帶;交流電網與直流母線之間采用PWM整流器，實現能量的雙向流動;直流母線與儲能電池組之間采用雙向Buck-Boost變換器，實現電池組的充放電功能;直流電網與電池汽車電池組之間采用Buck變換器，實現對電池的恒壓、恒流和脈沖充電。控制系統以TMS320F28335為核心，主要實現對儲能電池組狀態的監測和管理以及對PCS的控制調度。

2 硬件系統設計

　　系統的硬件主要包括功率調節系統、功率管和繼電器驅動系統、相關參數采樣系統、人機交互系統和輔助電源系統。繼電器采用普通的光隔+三極管驅動;功率管采用專門的IGBT驅動芯片M57962;由于功率調節系統^[6]是儲能式充電樁內的關鍵部分，因此下面主要對單向AC/DC、單向DC/DC和雙向DC/DC的拓撲結構進行簡單介紹。

　　1)交流電網與直流母線之間采用單相不可控整流電路，拓撲結構如圖2(a)所示。單相220V交流電通過整流濾波后轉變為311V直流電;為了防止電容充電電流過大，通過限流電阻R1給電容充電。當電容充滿電后吸合開關K2，使R1短路，減少電路損耗;濾波電容由兩個400V/680μF電解電容串聯組成;由于每個電容器的的漏電流存在差別，所以在每個電容兩端并聯一個均壓電阻，提高電容的使用壽命。

　　2)直流母線與電動汽車電池組之間采用圖2(b)所示的Buck變換器，通過電壓閉環或電流閉環來調節V1的占空比，可實現對電池的恒壓或恒流充電;該電路結構簡單，實現容易。功率管V1采用FF100R12KS4型號的IGBT，其最高耐壓達1200V，最大電流達200A，內部集成續流二極管，續流二極管采用MURP20040CT，其內部兩個400V/200A的二極管陰極相連，電池側采用LC濾波。

　　3)直流母線與儲能電池組之間采用圖2(c)所示的Buck-Boost變換器。當對儲能電池充電時，V1、VD2導通，電路工作于降壓斬波模式;當儲能電池放電時，V2、VD1導通，電路工作于升壓斬波模式;通過電壓或電流閉環，二者均可實現恒壓或恒流充放電功能;該變換器結構簡單、具有雙向功率輸送能力。功率管V1、V2均采用FF100R12KS4型號的IGBT;電池側采用LC濾波。

3 軟件系統設計

3.1 控制系統的算法設計

　　本系統采用DSP控制芯片對整個系統進行控制。儲能電池的管理系統主要實現對電池的電壓、充放電電流、溫度和荷電狀態(SOC)的監測。功率調度系統主要實現對電池的恒壓或恒流充放電功能。下面主要對Buck變換器在恒壓控制模式下的閉環控制算法^[9]進行介紹。

　　恒壓控制模式的控制框圖如圖3所示，其中K_FB=V_ref/V_o，為反饋系數;K_MOD=1/V_m，為PWM脈寬調制器的增益，V_m為鋸齒波的幅值;G₁(s)=K_p/(1+ω_s/s)為電壓誤差放大器的傳遞函數。本設計中采用數字P_I調節器，其中ωs用于消除穩態誤差，一般取為G_vd(s)極點的1/10以下，K_p用于使剪切頻率處的開環增益以-20dB/十倍頻穿越0dB線;G_vd(s)為Buck變換器的占空比至輸出電壓的傳遞函數，利用狀態空間平均法建立Buck變換器的交流小信號模型，可以求出G_vd(s)為

　　式中D為占空比，V_o為直流母線的電壓平均值，L和C為輸出的濾波電感和電容，R為負載電阻。

　　在實際工作中，DSP采樣得到的電壓反饋信號與設定電壓進行比較，根據誤差信號進行PI調節。PI調節器輸出信號由DSP內部脈沖生成單元與三角載波比較產生PWM驅動驅動，通過不斷調節Buck變換器中開關管的占空比，來實現穩壓功能。利用同樣的方式，可以設計恒流輸出時的PI控制器。

3.2 控制系統的軟件設計

　　本系統的控制核心采用TI公司新推出的一款浮點型數字信號處理器—TMS320F28335^[10]，工作頻率可達150MHz;內部包含18路PWM輸出端口，6路高分辨率脈寬調制模塊(HRPWM);16路高精度的12位數模轉換器(ADC)，轉換時間可達80ns。整個系統的主程序流程如圖4所示。

4 實驗結果與分析

　　本文設計了一臺3kW的實驗樣機，技術參數為：交流輸入電壓為單相220V;直流母線電壓為311V;電動汽車電池組采用4只12V60Ah的鉛酸蓄電池串聯來模擬;儲能電池組采用4只12V30Ah的鉛酸蓄電池串聯來模擬。

　　利用本系統對模擬電動汽車電池組以1C(60A)進行充電，Buck-Boost變換器工作于Boost恒流放電模式，放電電流為0.5C(30A)，交流電網提供0.5C(30A)的充電電流，功率管的工作頻率為10kHz。圖5為利用模擬儲能電池組和交流電網同時給模擬電動汽車電池組進行恒流充電時，Buck變換器的輸出電壓波形，忽略開通關斷時刻的電壓尖峰，電壓紋波 < 50mV(每格100mV)。圖6為利用最佳充電方案給儲能電池組進行充電時，整個過程中端電壓和充電電流的變化曲線。開始階段采用0.1C(3A)恒流充電，當電壓達到57.6V時，采用恒壓充電，直至充電電流小于0.05C(1.5A)，充電結束。由圖6可見，在開始充電瞬間，電池電壓迅速增大，然后趨于穩定，恒流充電最后階段電池電壓逐漸增大，在恒壓充電過程中，充電電流逐漸減小，與理論變化過程基本相同。

5 結論

　　通過以上分析可以看出，采用儲能式充電樁，能使現有城市或家庭的配電系統無需進行太大的增容改造，就可以承受電動汽車快速大電流充電的要求，且可以減少電費支出，同時具有傳統充電樁具有的常規充電功能，而且通過儲能電池容量的配置，可以滿足不同容量的充電要求，應用靈活。但是由于儲能電池壽命、效率等因素的影響，使其應用受到一定的限制。但是隨著電池技術的不斷提升，將充電樁與電池儲能技術相結合，構建儲能式電動汽車充電樁，對推動電動汽車的廣泛應用具有重要意義。

　　本文只是針對一個用戶進行分析，沒有考慮到大量用戶同時運行時對電網的影響，所以今后應該針對某一個特定住宅小區來分析所有用戶的出行習慣、行駛里程數等數學模型，結合儲能式充電樁的特點，利用有序充電的控制方法，設計出更加合理的充放電控制策略。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第3期第42頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。