电动汽车充电站试验平台设计

电动汽车充电站试验平台设计

0直流无隔离供电系统充电站是电动汽车最重要的辅助设备。随着中国电动汽车产业的蓬勃发展，电动汽车充电站也进入了建设阶段。例如，北京奥运会充电站和上海世博会充电站已经运营了几天。现有的充电站拓扑结构基本上都是采用交流的隔离供电方式,交流母线接入后将电能分配到各充电机,充电机内的变流装置将交流电转换为电池组充电所需的直流电。工况运行条件下对交流供电方式下的效率统计表明,能量转化效率仅为70%左右。对于输电损耗和充电机转化效率损耗,如果采用较高电压等级的直流无隔离供电拓扑结构,将有利于充电站转换效率的提高。直流母线接入的充电站在将交流电通过变压器接入电站后先由脉冲宽度调制PWM(pulsewidthmodulation)整流器转换为高压直流电,挂接在直流母线上的无隔离DC/DC充电机将母线直流高压转换为电池充电所需的电压等级。直流母线供电系统中充电机设计简单,直流母线电压高,线路损耗小。目前电动汽车的电能补给模式主要有三种:交流慢充、直流快充和电池快速更换。慢充模式占地面积小、投资少、有利于延长电池使用寿命,但充电时间较长;快充模式的特点几乎与慢充模式相反,其充电策略的好坏会严重影响电池寿命;快换模式能够提高车辆利用率、便于集中管理,但快换充电站占地面积大、设备成本高、运行控制复杂。本文提出的交直流一体电动汽车充换电站模拟实验平台将交流与直流,充电与换电结合在一个平台中,可对交流和直流供电系统的转化效率进行统计分析,进行谐波扰动等试验,是对充电站能源供给模式进行研究的理想平台。1几种充电站模式根据功能和定位的不同,现阶段电动汽车充电站可分为以下几种模式:(1)停车场交流充电桩模式。在公用停车场或住宅小区安装交流充电桩为电动汽车提供220V交流电源接口,交流充电桩功率小,占地面积小,建设难度低,以慢充方式为主,该模式适用于小型家用电动车。(2)快充充电站模式。在这种模式下,充电站类似于加油站,充电机连接到电动汽车的充电专用接口为车载电池充电,能为电动汽车快速补充电能。该模式的充电站适合建在公共道路两旁,为社会车辆服务。(3)电池更换站模式。站内配备为电动车更换电池的机械臂,将电量即将耗尽电池箱换为充满并且经过维护的电池箱,更换电池所需时间少于快充,电池便于集中管理维护。这种模式的缺陷是:各电池厂家电池标准不统一,电池尺寸、容量、性能不同,统一所有电池规格在短期内很难做到;各车厂电池品质、串并联方式、在车内的放置方式不同,机械更换装置不可能做到适应所有类型电动汽车电池箱的更换需求;在电池的流通过程中会存在电池新旧程度的差异,这对收费和管理方法提出了挑战。鉴于电池更换站的这些特点,该模式适用于公交、环卫用车或者园区电动车。2平台设计方案2.1交流充电系统平台输入侧并接有源电力滤波器,以抑制充电机产生的谐波。三相交流电进入配电柜后被分配到双向变流器、分箱充电机、直流充电机、交流充电桩。直流部分,双向变流器将三相交流电压整流为直流高压作为双向DC/DC的母线电压,由DC/DC降压后给电池组充电。其余的充电设备都运行在交流供电系统下。总体结构如图1所示。2.2平台采用电力滤波器、apf、gm技术,增加系统谐波无论是直流供电系统还是交流供电系统的充电站,由于电动汽车充电机都是电网的非线性负荷,会产生注入电网的电流谐波,且主要为6k±1次谐波,为将充电站对电网电能质量的影响降到最低,需要采取技术措施减小系统谐波含量,一般采用的方法是:(1)增加换流设备的脉动数;(2)采用无源滤波装置或有源滤波装置;充电机负荷特性变化快,滤波、无功补偿、调压有时难以协调,无源滤波无法满足各项要求,所以综合考虑技术性、经济性等各方面因素,平台采用有源电力滤波器APF(ActivePowerFilter),它以并联的方式接入电网,通过实时检测负载的谐波和无功分量,采用PWM技术,将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中,实现抑制谐波、动态补偿无功的功能。其工作原理如图2所示。2.3双向dc/dc充放电双向变流器从原理上来讲就是双向DC/AC变流器,兼具整流和逆变的功能,在对电池充电时,它工作在整流状态;在电池作为储能装置放电时,双向变流器工作在逆变状态,将输入的直流电变换为交流电回馈到电网,这样就使使能量可以在电池和电网之接双向流动。双向DC/AC变流器利用脉冲宽度调制原理将输入的线电压为380V的交流电整流为直流电,考虑到PWM整流器电压变换范围,直流接触器耐压等级限制等因素,选择直流母线电压为700V。较高的直流电压降低了直流母线中的电流,减小了线损,并且增加了DC/DC的调压范围。无隔离双向DC/DC变换器挂接于系统直流母线上,电池充电时,DC/DC变换器的输入侧电压为700VDC,输出侧电压为300~600VDC,可工作于恒流与恒压状态,满足从小客车到大巴车电池包的充电电压需求;电池放电时,双向DC/DC起到升压功能,将电池电压加载到直流母线。由于双向DC/DC调压范围较宽,所以可以为不同电压等级,不同串并联方式的电池组充放电,使得电池配置更加灵活。在双向变流器功率允许的范围内,一条直流母线上可以设计挂接多套双向DC/DC充电机,方便扩容,极大的提高了系统的灵活性,其拓扑结构如图3所示。图4为双向DC/DC给电池组恒压充电时波形,DC/DC输出端电压为350V。2.4分箱充电模式在交流母线上并联接入大功率快充充电机、分箱充电机和交流充电桩,其分别针对不同的应用场合。大功率快充充电机用于快速充电,在这种充电模式下,不需要将电池箱从车内取出,充电速度快。分箱充电机用于对单箱电池充电,这是电动汽车换电站常用的电池充电方式,在实际的充电站运行中,由于电池质量较大,常配合机械臂取放电池箱。通过交流充电桩和车载充电机对电动汽车电池包进行充电的方式适用于家用车在车库或小区内有民用电源的停车位充电。受到体积和重量的限制,车载充电机功率不能做到很大,充电电流较小。2.5电池管理系统bms电池箱是本试验平台的终端,各类充电机的作用对象,以国网标准电池箱为例,每箱电池由24只60Ah的磷酸铁锂电池串联而成,额定电压为76.8V,内置电池管理系统BMS(BatteryManagementSystem),BMS与充电机之间按照国标通信协议进行通信。单箱电池可配合分箱充电机充电,模拟换电式充电站的工况。多箱电池串联后可模拟从小型电动汽车到电动大巴车等各种不同类型电动汽车的电池包。换电式充电站内电池存储量较大,可选择在夜间等用电低谷期对电池充电,既经济又能调节电网负荷,在用电高峰期电池电能通过变流器回馈到电网。这样电池储能系统就对电网实现了削峰填谷、负荷调节、频率调节等提高电力系统稳定性的作用。3监控管理及通信模式锂离子电池抗滥充能力差,不当的充电会对电池造成很大损伤,甚至引发电池过热而燃烧。充电站构成设备数量多,都是高压用电设备,完全由人工操作充电机人力劳动强度大,安全隐患多。监控系统可提高充电站的运行管理水平,最大限度的保证人员和设备安全。监控中心负责监控所有充电机的运行数据、故障报警信号;监控所有充电电池组的总电压、总电流、单体电压、温度、电池荷电状态SOC(StateofCharge)等信息;管理人员可以在监控中心对充电机的运行参数进行查看和修改,启动和停止充电过程。根据实验平台的规模,采用控制器局域网总线通信方式。充电机是高频开关电源,工作时有很大的电磁辐射,实验平台通信网络处于很强的电磁干扰环境中,为提高监控系统抗干扰能力,平台采用了双绞屏蔽网络通信线,隔离通信接口使用隔离电源。经过现场验证,系统通信可靠。4两种供电方式的效率分析4.1流输入式充电机计算平台直流母线上接两台25kW双向DC/DC充放电机,交流母线上接两台25kW交流输入式充电机,所用交、直流母线参数和损耗计算结果如表1所示。从表中可以看出,由于直流母线供电系统电压等级高,且只需要2条铜排即可构成供电回路,所以其线路损耗相比于交流母线供电系统降低了40%,这在使用长距离母线的大型充电站中节能效果会很明显。4.2无隔离双向充放电机与传统充放电机的性能对比,u双向充放电机和单向充电机都分为带隔离变压器和无隔离变压器两类拓扑。带隔离变压器拓扑由于增加了隔离变压器,因此增加了设备的损耗,此外隔离型充放电机一般结构较复杂,需要更多的开关器件,因此将进一步增加设备的损耗,图5所示的实验结果证明,相同功率的无隔离双向充放电机效率较隔离型充放电机有明显的提高。相对于传统的直流母线供电充电站,采用更高电压等级母线的直流供电充电站在能量利用率上将有很大提升。在电动汽车充电站大规模建设的背景下,充电效率的提升将为充电站运营和电动汽车的普及提供更大的支持。5实验验证和应用效果本文通过对电动汽车充电站运行方式的分析,设计了一整套交流和直流供电系统共存的充电站模拟实验平台。