《储能式电动汽车充电桩的设计及MATLAB仿真研究》9800字

储能式电动汽车充电桩的设计及MATLAB仿真研究摘要在当今的时代,世界上庞大数量的汽车每天都在消耗着世界上有限的化石燃料，并且汽车排放的污染气造成了严重的空气质量下降、全球变暖、水平面上升等一系列的环境问题，使得地球的环境越来越不适合人类的生存，无时无刻不在威胁着人类的健康。在这样一个背景下就继续加快新能源车的发展。想要新能源能够快速普及开就需要打好基础，必须快速建造足够的充电桩。本次设计的充电桩的原理是:当在用电低峰期时，电网的发电量过剩，220V三相交流电网作为供电电源通过充电桩的整流器，先将电网的交流电转变成较高的直流电，再通过双向三相电压型PMW脉宽调制变换器(Buck)进行降压输送给储能电池进行储能以备用电高峰期使用，另一方面新能源汽车也可以用充电桩来充电。当到了用电量大的时候，这时就可以将电桩的储能电池里边的电通过Boost变换器升压后再通过SPWM逆变器将直流电逆变成交流电回馈到电网，这样做不仅能够节省电能以免浪费电能，而且也保证了电网能够安全运行。做到了削峰填谷平滑负载,改善电网特性的效果。关键词：储能式，PMW脉宽调制，SPWM逆变器，新能源汽车充电桩目录TOC\o"1-3"\h\u228631绪论 绪论背景及意义随着全球环境污染日益严重，各个国家都在改善自己国家的环境，现在汽车的数量以及每天排放的废气量让人担忧，种种环境问题都在督促着各国的电动汽车和清洁能源行业快速地发展。但由于电动汽车的数量日益的增加，庞大数量的电动汽车消耗的电能也是不可小觑的，而且由于时代的变迁，现在的时代每天全国的家用电量都在不断的增加，用电高峰期电网承受的压力非常大，一天也有用电低峰期电网输送的公率很大但是却没人用，这造成电网供电系统供需不平衡现象，一天有好几个用电高峰，用电高峰期间电力短缺给局部人们的正常生活用电带来了很大的不便，当在一天的用电低峰期时，一方面电网需要调节发电量，另一方面造成大量的电能浪费，可见随着充电桩的快速发展普及，以上出现的问题会更加明显严重，这就需要储能技术的大力支持。随着我国科学技术的快速的进步和发展，并且随着不可再生能源不断的加速消耗，能源危机问题时时刻刻都在迫使各个国家加大对新能源的研发。节能是一个迫在眉睫的问题。我国目前己经是世界第一的汽车产销国，大量的汽车对环境无疑造成了很大的破坏。所以，我国更要注重对新能源汽车的开发。想要大力推广新能源电动汽车必须要增加新能源车的充电的效率，解决这个棘手的问题最好的方法就是建造更多的充电站而且必须要求能够快充，那么这就对新能源汽车充电设备有了更加严格的要求，需要尽快研发新一代新能源汽车充电装置，确保新能源汽车可以在我国快速地被推广开。目前，我国的新能源发电主要是依靠的是没有污染的清洁能源，主要靠风和光。据调查显示，预计2021年全国用电量7.8万亿度，占比11%大约是8590千瓦时，可见光伏，风电板块的走势不言而喻。我们都知道我国能源供应和能源需分布极不均匀，西部和北部多，东部和南部少，再需求上西部和北部少，东部和南部多。这就给电能的运输造成了极大的不便，在西部和北部甚至有发出的点多的没处用，就是所谓的“弃风弃光”现象，造成了大量的电能的浪费，如果这时候能很好地运用储能技术不仅能够改善“弃风弃光”的浪费资源现象，而且可以减轻电网的供电负担。充电桩国内外现状国外研究现状：西方国家电动汽车充电桩发展的比较早，但是发展的比较缓慢，由于近几年中国国内造车商以及国家对新能源车的重视，国内的新能源汽车领域迅速崛起并赶超西方发达国家，并且由于目前的环境问题，西方，欧洲一些国家感到了危机，各个国家都在加快电动汽车充电桩的建设，竞争力非常大，在美国联邦政府一直在加大补贴力度，促进新能源汽车的发展。在德国每个加油站都必须安装有电动汽车充电桩以供电动汽车充电。据相关调查显示，到2019年6月25日，美国共建设并投入使用的充电桩共60652个。荷兰虽然国家不大但这个国家的充电桩的数量非常多，仅次于美国的充电桩的数量，可见国外充电桩领域竞争力还是比较激烈的。但是对于储能式充电桩来说，每个国家拥有的数量还不太多。这说明储能式充电桩的发展空间很大。国内研究现状：2020年全国电动共用车和乘用车将超430万台，2019年3月我国快慢式电动汽车充电桩大约有38.4万个，并且每一个月平均新增快慢式充电桩约有8000个。此外，2019年版电动汽车的国家财政补贴将会偏向充电设施的建设和运营上来，这将会有助于加速电动汽车充电桩的建设，到2020年公共桩的拥有量将可能突破50万个规划目标。由中国充电桩行业的发展趋势推断，直流快速充电桩将是电动汽车充电桩未来的发展方向，引入储能式充电系统有助于解决电网负荷不足的问题。目前在国内交流充电桩技术已经发展的比较成熟了,但是它有先天性的缺点，充电速度慢很难提上去。然而直流充电桩的功率大多都是几百瓦，最大的可以达到500KW,未来有望达到900KW。功率越大充电速度就会越快，这样车辆的充电时间会进一步缩短，电动车的充电速度将会大大增加。由于科学技术的进步以及人们生活水平的提高,传统充电桩慢慢的已经不能够满足人们的需要,因此直流快充技术以及储能技术急需快速研发改进以满足人们的需要,直流快充及储能式充电桩的优点毋庸置疑,它对电网具有改善电网特性的众多优点，特别是对于用电大国来说，在用电高峰期电网承受的压力是十分大的。就目前而言，美国、日本、欧洲、中国等许多发达国家及靠前的发展中国家都开始重视对储能式充电桩的研发和使用，并且鼓励使用储能式充电桩。传统充电桩与储能式充电桩的特点传统式充电桩没有储能功能的电动汽车充电桩的充电方式是由220V交流电网给充电桩供电的,现在在国内发展比较早比较成熟的电动汽车充电桩一般是两种：直流充电和交流充电两种,这两种充电方式都有他们自己的优点和缺点，但是直流充电比较受欢迎。直流充电方式一般是把电网的交流电通过电力电子技术中的整流、升压后变为所需要的直流电，然后通过电动汽车充电枪将变换好的高压直流电能输送给电动汽车的电池里。其中直流电不经过车载电机直接通过直流电给电车充电，所以电压一般越高冲的也就越快，但对电池的伤害很大，这是在锂电池能接受的范围内而言的。虽然直流充电功率很大，但是成本也比较高，如果能进行改进降低成本，那就可以迅速推广开了。直流汽车充电桩大部分都是装在室外的，例如比较大的居民区、大商场、高速公路上的服务区、公共停车场、电动汽车充电站等场所。交流新能源汽车的充电桩充电速度是它的先天性缺点，充电功率比较小一般充一次电需要十几个小时，非常不方便。这种充电桩是直接由高压电网作为充电桩的电源的，通过将220V交流电网的交流电供给充电桩后，再由充电桩的单片机控制系统对交流电进行处理，然后再将变换后的交流电能输送给安装在新能源车上的车载充电机，将交流转化直流电给电动汽车进行充电。本质上交流充电桩是不具有对电动汽车充电的功能的，真正能给电动汽车充电的是电动汽车上自带的车载充电机，因此想要快速充电必须加大充电机的功率。但是这种交流充电桩的弊端在于必须需连接车载充电机将交流转化为直流才能为电动汽车的锂电池充电，这就决定了交流充电桩充电的速度很慢，锂电池只能接受直流电，锂电池充放电的时候都是直流电，所以对于给电动汽车充电都必须要直流电。所以总结下来，直流充电桩较交流充电桩有很大的优势，因为直流充电桩能够给人们带来更多的方便节约时间。上边介绍的两种充电桩都没有带储能电池组,它们只有为电动汽车充电的功能,没有其他的功能,既不能减轻电网的负担又不能起到节约资源的效果。图SEQ图\*ARABIC1不含储能电池的充电桩储能式的充电桩储能式汽车充电桩是通过在传统充电桩之上加一个高性能大容量储能锂电池组，其主要工作原理是：当在一天当中的用电低峰期的时候，将220V交流电网引下来的交流电通过充电桩内部的整流装置将电网的交流电进行整流得到直流电，然后再通过升降压变换器进行升降压处理，然后直流电快速给充电桩储能电池和给电动汽车充电；当到中午或者是傍晚吃饭就是一天当中的用电高峰时刻，这时正处在用电高峰期，电网输电公率过大这时如果充电桩的用电量不多的情况下可以将充电桩的电池组里边储存的电通过DC/DC变换器（Buck）升压后再通过DC/AC逆变器，得到交流电，在经过升压变压器进行升压后转变成高压交流电回馈给电网，这样做不仅能够节省电能以免浪费电能，而且也保证了电网能够安全运行。从两幅图片里我们可以发现传统充电桩体积比较小，价格低成本低；储能式充电桩体积大，成本高的特点，但是储能式充电桩的优点也是非常大的主要可以减小电力网络的负担。图SEQ图\*ARABIC2含有储能电池的充电桩储能式充电桩的储能方式简介现在用在电动汽车上的储能方式主要是锂电池储能的方式。目前很多汽车制造商用的都是性能比较好的锂电池组,现在市场上使用的储能电池一般是钴酸锂，锰酸锂电池。钴酸锂的密度比较大，储能能力也比较大。例如，现在排名比较靠前的新能源汽车，一般使用的是钴酸锂电池，是将上万个锂钴氧化物电池串联连接，作为新能源车的引擎。这种电池的高能量密度将电池成本降低到美国汽油的4倍左右。使用寿命较长，体积较小，成本低等优点。后来，造车领域出现了更便宜的电池，即三元锂电池。这种电池的成本大大降低，仅为美国汽油的1倍左右。综上考虑到成本和性能以及技术的成熟度本次设计选择锂电池蓄电池组作为储能式充电桩的储能电池组。储能式充电桩的总体设计思路本设计的框架以及思路储能式充电桩主要分为电网的供电、电力电子变换装置、控制模块、充电枪输出四步，其中电力电子的功率变换装置又包含三相交流整流电路，升降压变换电路，双向升降压变换电路以及全桥式逆变电路组成。控制系统主要是对电车和充电桩的锂电池剩余电量的检测，充电方式的自动选择，人机交互，通信模块，电流监测,电压监测，语音提示，结算，收据的打印等等。充电的使用的整个过程是:首先插上电枪,系统检测到链接完好无误后进行提示，再用手机端扫充电桩上的二维码，扫码成功后充电桩通信模块接收信号，控制模块按照实时用电情况选择对应的充电模式开始充电，正处于充电中时，一旦设备出现故障那么就立即切断电源，停止充电；然后计算结费打印语音提示以及发送手机端提示；当充电完毕后，储能式充电桩的控制系统监测充电所消耗的电量，后断开电源结算，再有通信模块发信号给app客户端发出提示电动汽车已充满以及发送扣费通知，扣费完毕后，拔掉充电枪，汽车充电整个过程执行完毕。图SEQ图\*ARABIC3本设计的整体框架图本次设计的整体设计思路如上，设计主要是突出了电网与储能式电动汽车充电桩的电能相互转化相互配合的一个过程。详细论述过程在一下小节。电网供电运行当处在电网供电负荷比较小的时间段，控制电路监测电网供电负担较小，首先由电网的高压交流电通过两个线路，一方面经过如图4中线路1经过了整流器后将电网220V交流电变为相应的直流电，再通过降压变换器（Buck）得到可以给储能电池和电动汽车电池充电的较高直流电,以供充电桩给电车供电使用，另一方面经过图4中的第2条线路经过同样的变换得到的直流电给储能电池快速充电，储能电池充满后，控制系统检测到电量充满断开电源停止充电。图SEQ图\*ARABIC4通过交流电网供电储能电池供电运行当处在一天的用电量比较高的时间段，控制系统的电流检测模块检测到电网的电流比较小，这时就启动储能电池的反馈作用，将储能电池的能量反馈给电网，能量反馈电路如图5所示，这样在一定程度上减小了电网的负担。也不影响电动汽车的正常使用。可谓是达到了一举多得的效果。图SEQ图\*ARABIC5储能电池对电网的反馈200V直流快充充电枪的链接头在国内市场上出现的电动汽车充电枪有好几种，不过最常用的就有两种，一个是慢充一个是快充，有些新能源车为了能达到更好的兼容性，车上会有两个充电插头，一个可以实现慢充另一个可以实现快充，这里只对快充充电枪进行介绍。如图对于直流快充电动汽车充电枪主要有S-，S+，CC-，CC+，DC-，DC+，A-，A+几个插口组成。各个插口的功能如下：S+：充电can-h，通信线用于电量检测等充电桩与汽车的信息传送。S-：充电can-L，通信线用于电量检测等充电桩与汽车的信息传送。CC1：充电桩一端链接确认。CC2：电动汽车一端链接确认。DC+：充电桩200V正极端口。DC-：充电桩200V负极端口。A+：控制电路电源正极性端口。A-：控制电路电源负极性端口。PE：防止外壳漏电，保障人身安全。(a)(b)图SEQ图\*ARABIC6插头结构示意图变换器PWM的控制原理本次设计选用的是脉宽调制方式，PWM脉宽调制的工作基本原理是对于提前设定的参考电压Ut信号与输出电压Uo共同输入误差放大器的正负输入端，经过误差放大器输出的Uw控制信号与锯齿波电压信号进行对比，如果Uw>Ust则输出为较高电压的控制信号，如果Uw<Ust则输出为较低的电压信号，好高电压信号可以使开关管打开，较低的电压信号使得开关管断开，就这样合理适当的控制开关管的导通就可以得到我们自己想要的幅值的电压的平均值。锯齿波的频率影响着开关管的导通与关断的速度。改变Uw的电压值就可以改变占空比，进而改变输出电压的大小。图SEQ图\*ARABIC7PWM控制原理220V三相整流电路如下图10为PWM控制的将220V交流电转化为310V的直流电的三相整流电路的拓扑结构，理想情况下经过整流电路接近380V但是由于线路损耗，最后得到的只有310V，交流电与直流电相互转化的过程，就是利用电力电子器件的可控开关特性，通过PWM的控制策略有序的控制每个桥臂上的开关管的导通状态和关断状态，进而将交流电变为我们想要的直流电的一种电路变换装置。图SEQ图\*ARABIC9220V三相交流整流电路250V-300V的升压变换器升压变压器的原理升压变换器的工作原理是快速控制导通管的导通状态和关断状态，进而改变PWM的方波占空比来实现升压的。当通电的一瞬间，等效电路如图10的（a），初期电感的电流比较小，电压也较小，这时电感的电势小于电容的正极电势，二极管正极的电压小于负极的电压，处于截至状态，所以电流从VT导通，当电感稳态时刻(即0+时刻后)，等效电路如图10（b），之前电容充电储存的能量在此时提供给负载所消耗，导致了电容的电压不断下降，这时二极管处于正向导通状态，从二极管流，VT关断，开始给电容充电同时给负载供电，当电容两端电压高于二极管正极电势时，二极管又截止，然后这样一直重复。在电路达到稳定后，电感的电压在一个周期内的正半轴的面积等于负半轴的面积，也就是说和为零，当开关管处于导通状态的时间段叫做Ton，处于关断状态的时间断叫做为Toff，两个时间段加起来刚好是一个周期。由在一个周期内积分为0即总面积为零0，所以由伏秒平衡原理，可推出升压变换器输入与输出与占空比的关系为：

因为D=(Ton/Ts)，D永远小于1的，所以Uo大于Ud起到升压的作用。(a)VT通态下的等效电路图(b)VT断态下的等效电路图图SEQ图\*ARABIC10开关管切换电路250V-330V升压变换器在本次设计的充电桩中，当在用电高峰期的时侯，需要将充电桩内的安装的储能电池的电量回馈给电网中，来减轻电网的供电压力，储能电池两端的电压为250V，必须将电池的直流电经过升压到330V然后经过桥式逆变电路将直流电转变为220V交流电。图SEQ图\*ARABIC11250V-330V升压变换器降压变换器降压变压器的原理降压变压器首先要让输出的电压有效值要小于输入的电压值，对于降压变压器，它与升压变压器工作原理类似。Buck变换器的工作状态下的电路原理如图12，首先VT开关管开通，等效电路如图12(a)所示，一次侧电源一方面给电感充电，另一方面给电容充电以及给负载供电，当开关管的触发脉冲达到Toff时，开关管处在断开状态后，其工作电路图如图12(b)，电源脱离了电路不能为电路供电，只能靠电感储存的能量释放出来给负载供电，由于开关管打开关断的频率十分的高，所以等不到电感电能释放完就又到了充电时刻，一个周期是非常短的，所以虽然电源不是连续供电的但是负载接受到的电能确实连续的，由伏秒平衡原理最后可推出的降压公式为:UO=D*Ud其中D=(Ton/Ts)，由于D永远小于1，所以整个电路起到一个降压的作用。(a)VT通态下的等效电路图(b)VT断态下的等效电路图图SEQ图\*ARABIC12降压变压器310V-250V降压变换器由于交流电网的220V通过整流后的电压为310V，需要对其降压至250V给充电桩的储能电池充电，其中开关管的开关频率为40KHZ。参数设置完成后，控制开关管的通断就可以实现降压，具体电路如图13。其工作原理就是前边章节所分析的。图SEQ图\*ARABIC13310V-250V降压变换器310V-200V降压变换器从220V交流电整流后，另一条支路是通过310V-200V的降压变换器，经过降压后的电压为200V直流电，给电动汽车的电池快速充电，其中开关管的开关频率仍为40KHZ。具体电路如图14。图SEQ图\*ARABIC14310V-200V降压变换器双向DC/DC变换器310V-250V双向DC/DC变换器是在两个方向情况下都能使用，并且运行方式的功能也不一样，其中正向是从电网到充电桩，其实这里代表的就是一个升压变换器，与众不同之处在于反向相当于一个降压变换器将储能电池放出的高压直流电进一步升高在通过逆变电路转变为高压交流电回馈到电网，起到减小电网的负担。这个双向DC/DC变换器在变换电路中可以充当两个角色。在不改变变化换器端口的前提下，双向DC/DC变换器从两端看进去别是Buck变化器和Boost变换器两种工作状。本次设计由于要变换电压，因此选用双向电压型DC/DC变换器。一般来说现在的新能源轿车的充电电压都在200-500V之间。本次设计需要将310V和250V互转所以需要双向DC/DC变换器。图SEQ图\*ARABIC15双向DC/DC变换器330V直流-220交流三相全桥电压型逆变器逆变变换器就是将一定的直流电转变为另一种交流电的装置，本次设计中需要将330V的交流电逆变为三相交流电网的220V交流电，其中三相SPWM逆变在现在应用中最为广泛非常重要的。因为我国国内输电线路绝大多数都是三相输电线器路，大多数情况下是都需要将直流电转化为三相交流电进而传送到高压电网以供全国各地的用电用户使用。图SEQ图\*ARABIC16330V电压型逆变电路在储能电池回馈点电能给电网时，需要将升压后得到的330V直流电转化为220V交流电，即将直流电转化为三相交流电，其改变的原理图如图16所示，本次设计选用的是电压型逆变电路，因为本设计是需要将储能式充电桩的储能电池的直流电转化为交流电，意思就是说逆变电路的直流侧接的是电压源。其中三相电压型逆变器就是这一部分的主要。最后得到的正弦交流电的图形如图17所示，图SEQ图\*ARABIC17三相电压型逆变器电压电流波形驱动电路驱动信号对于电力电子器件是否能够正常打开与关断起着至关重要的作用，一旦驱动信号出现差错，就会导致整个器件的无法正常打开，电力电子器件驱动不了，整个电路就无法导通，造成的后果是无法想象的，因此，在设计电路的时侯，必须要保证驱动信号不误发信，而且能够快速发信驱动电力电子器件导通。没有驱动信号就无法工作，要知道控制芯片都只是发信号，没有驱动能力，必须要加驱动信号整个电路才能有真正的作用。场效应管的驱动电路由于控制芯片所需要提供的电压一般都是5V以内的，对于功率比较大的场效应管来说，这个电压不足以驱动场效应管正常工作，或者不能够保证场效应管的准确驱动电路导通，因此必须要考虑场效应管的驱动电路来保证电路可靠的工作，并且在器件关断的同时为了延长电力电子器件的使用寿命，驱动信号应该使电流大一些，这样可以电流快速上升，使得电力电子门极电压降下来有助于减少通态损耗。图SEQ图\*ARABIC18场效应管驱动电路继电器的驱动电路继电器在电路中也是很常见的，而且非常重要的，如图17是继电器驱动电路，构成非常简单也很可靠，这种电路在电子产品上很多件见只要用芯片控制基极的电流就可以控制三极管的导通和关断，三极管是具有电流放大的作用，其实最主要的用处就是图SEQ图\*ARABIC19继电器驱动电路用弱电来控制强电的作用，原理图中的D1是为了防止三极管被击穿而设置的，当三极管关断后，感应线圈会产生加大的感应电压再加上5V电源的的作用可能会把三极管击穿，加一个二极管后，感应电流优先通过二极管形成环流，逐渐消耗掉，这样就不用在担心三极管被击穿。监测模块储能电池的电量监测依据本次设计的储能电池充电桩的储能电池以及车辆的电池的剩余电量的监测是依据现在估算电量用的最的SOC估算，另一种说法就是电池的荷电状态，大多数情况下用电池的剩余的电量与电池的额定的电量的百分比表示。事实上，电池余量不能仅仅用这一个简单的公式表示，大多数情况下，电池的电量是一个非线性变化的量，如果要精确的估算出电池的电量就需要处理好这一非线性关系。各个造车厂商的控制方法都是不太一样的，在不同条件下电池的余量都会有所不同，因为电池的余量跟很多因素有关，需要不断的修正干扰信号带来的误差。这样才能比较准确的测量电池的电量。鉴于前人的经验，本次设计选用卡尔曼滤波法，而卡尔曼滤波法又分为好几种，这里选用无迹卡尔曼法对充电桩的电量进行估算。这种方法在前人经过大量的试验后可以说是现在的几个估算方法当中，比较准确比较靠谱的一种方法。由于条件有限，本次设计用手动按键代替模拟传感器动作，来实现整体的功能测试。电压电流采集监测电压电流的采集检测的目的，主要有两方面的作用，一方面目的是为了实时了解线路的电压电流的值是否在正常工作的范围之内，一旦检测到电压过于高就马上急停，另一方面通过检测电压和电流来确定电网是处在用电高峰期还是用电低峰期，进而使系统判断不同的充电模式。充电桩的控制部分微处理器端口分配及接线图充电桩的控制部分是充电桩的精髓，只有控制方面做的全面可靠，才真正能够带来便捷，本次设计利用AT89C51单片机来控制整个充电桩的有序运行，控制部分主要分为：通讯模块，人机交换模块，费用结算模块，电压电流监测模块，语音模块，打印收据，工作状态的选择，充电枪的链接确认以及电池电量的监测等等。图SEQ图\*ARABIC20微处理器控制如图21，包含了单片机的复位按键电路，最小系统，以及三个功能按键开关和7个输出口，其中三个按键S1,S2,S3分别是模式切换，充电桩的电量检测模拟开关，电动汽车的储能电池电量检测的模拟开关。其中K1,K2,K3分别为对应的输出端；K5,K6两个端口是给Buck电路和Boost电路的功率管提供40KHZ的PWM高频方波信号的，K4,K7,K8分别是控制输出端。图SEQ图\*ARABIC21单片机端口分配接线图工作流程图在整个过程系统应该不停地自检是否内部出现故障，一旦发现立即断电。充电桩内部可以自动监测和判断充电桩的运行状态，在用电低峰和用电高峰下，充电桩会在不同的运行模式运行，已达到对电网