储能式电动汽车充电桩系统的分析与设计

  ：本文设计了一套3kW的模拟系统，该系统主要由功率调节系统(PCS)和控制管理系统组成，PCS实现储能电池、电动汽车电池和交流电网之间的能量转换，控制管理系统实现对电池在线监测管理和对PCS的PWM控制。理论分析与实验根据结果得出，该系统在保证传统充电桩的功能下，有效地降低了充电桩对电网的功率要求。

  摘要: 本文设计了一套3kW的模拟系统，该系统主要由功率调节系统(PCS)和控制管理系统组成，PCS实现储能电池、电动汽车电池和交流电网之间的能量转换，控制管理系统实现对电池在线监测管理和对PCS的PWM控制。理论分析与实验根据结果得出，该系统在保证传统充电桩的功能下，有效地降低了充电桩对电网的功率要求。

  随着环境和能源问题的日益严峻，电动汽车和新能源发电应运而生。电动汽车也以其绿色环保、高效率等优点成为现代汽车工业的重要发展趋势[1]。发展电动汽车必须建设与之配套的充电设施，因此全力发展电动汽车充电设施已成为国内外研究的重点。

  目前，我国智能配电网和智能配电居民小区建设还很不普及和完善，已有居民小区的供电容量不能够满足较多电动汽车的充电需要。增加配电设备容量，将会涉及投资、多部门协调及复杂的施工改造等问题，而且还会导致负荷峰谷差变大，降低设备利用率，从而限制私家电动汽车的进一步推广。

  针对以上问题，文献[3]基于峰谷分时电价，最大限度利用谷时段进行充电的双序谷有序充电操控方法;该方法虽能在不改变原配电容量的前提下，实现对多辆电动汽车的同时充电，但其只能实现慢速充电的需求，对于快充仍不足以满足。文献[4]根据配电网调度对快速充电站功率变化率的限制需求，提出了含储能缓冲系统的快速充电站拓扑结构和控制策略。

  结合上述文献，本文提出在传统的充电桩内，增加大容量蓄电池组和附加的能量转换系统，设计了一种基于DSP的储能式电动汽车充电桩模拟装置，可以在不改变配电网的前提下，实现对电动汽车电池组的快速充电。

  图1所示为储能式充电桩的系统结构图，该系统主要由功率调节系统(PCS)[7]和DSP控制管理系统两部分所组成。PCS采用直流母线式结构，是电网与储能电池组和电动汽车电池组、储能电池组与汽车电池组之间的能量传输纽带;交流电网与直流母线之间采用PWM整流器，实现能量的双向流动;直流母线与储能电池组之间采用双向Buck-Boost变换器，实现电池组的充放电功能;直流电网与电池汽车电池组之间采用Buck变换器，实现对电池的恒压、恒流和脉冲充电。控制管理系统以TMS320F28335为核心，主要实现对储能电池组状态的监测和管理以及对PCS的控制调度。

  系统的硬件最重要的包含功率调节系统、功率管和继电器驱动系统、相关参数采样系统、人机交互系统和辅助电源系统。继电器采用普通的光隔+三极管驱动;功率管采用专门的IGBT驱动芯片M57962;由于功率调节系统[6]是储能式充电桩内的关键部分，因此下面主要对单向AC/DC、单向DC/DC和双向DC/DC的拓扑结构可以进行简单介绍。

  1)交流电网与直流母线之间采用单相不可控整流电路，拓扑结构如图2(a)所示。单相220V交流电通过整流滤波后转变为311V直流电;为避免电容充电电流过大，通过限流电阻R1给电容充电。当电容充满电后吸合开关K2，使R1短路，减少电路损耗;滤波电容由两个400V/680μF电解电容串联组成;由于每个电容器的的漏电流存在差别，所以在每个电容两端并联一个均压电阻，提高电容的使用寿命。

  2)直流母线与电动汽车电池组之间采用图2(b)所示的Buck变换器，通过电压闭环或电流闭环来调节V1的占空比，可实现对电池的恒压或恒流充电;该电路结构相对比较简单，实现容易。功率管V1采用FF100R12KS4型号的IGBT，其最高耐压达1200V，最大电流达200A，内部集成续流二极管，续流二极管采用MURP20040CT，其内部两个400V/200A的二极管阴极相连，电池侧采用LC滤波。

  3)直流母线与储能电池组之间采用图2(c)所示的Buck-Boost变换器。当对储能电池充电时，V1、VD2导通，电路工作于降压斩波模式;当储能电池放电时，V2、VD1导通，电路工作于升压斩波模式;通过电压或电流闭环，二者均可实现恒压或恒流充放电功能;该变换器结构相对比较简单、具有双向功率输送能力。功率管V1、V2均采用FF100R12KS4型号的IGBT;电池侧采用LC滤波。

  本系统采用DSP控制芯片对总系统进行控制。储能电池的管理系统主要实现对电池的电压、充放电电流、温度和荷电状态(SOC)的监测。功率调度系统主要实现对电池的恒压或恒流充放电功能。下面主要对Buck变换器在恒压控制模式下的闭环控制算法[9]进行介绍。

  恒压控制模式的控制框图如图3所示，其中KFB=Vref/Vo，为反馈系数;KMOD=1/Vm，为PWM脉宽调制器的增益，Vm为锯齿波的幅值;G1(s)=Kp/(1+ωs/s)为电压误差放大器的传递函数。本设计中采用数字PI调节器，其中ωs用于消除稳态误差，一般取为Gvd(s)极点的1/10以下，Kp用于使剪切频率处的开环增益以-20dB/十倍频穿越0dB线;Gvd(s)为Buck变换器的占空比至输出电压的传递函数，利用状态空间平均法建立Buck变换器的交流小信号模型，可以求出Gvd(s)为

  式中D为占空比，Vo为直流母线的电压平均值，L和C为输出的滤波电感和电容，R为负载电阻。

  在实际工作中，DSP采样得到的电压反馈信号与设定电压作比较，根据误差信号进行PI调节。PI调节器输出信号由DSP内部脉冲生成单元与三角载波比较产生PWM驱动驱动，通过不断调节Buck变换器中开关管的占空比，来实现稳压功能。利用同样的方式，可以设计恒流输出时的PI控制器。

  本系统的控制核心采用TI公司新推出的一款浮点型数字信号处理器—TMS320F28335[10]，工作频率可达150MHz;内部包含18路PWM输出端口，6路高分辨率脉宽调制模块(HRPWM);16路高精度的12位数模转换器(ADC)，转换时间可达80ns。总系统的主程序流程如图4所示。

  本文设计了一台3kW的实验样机，技术参数为：交流输入电压为单相220V;直流母线V;电动汽车电池组采用4只12V60Ah的铅酸蓄电池串联来模拟;储能电池组采用4只12V30Ah的铅酸蓄电池串联来模拟。

  利用本系统对模拟电动汽车电池组以1C(60A)进行充电，Buck-Boost变换器工作于Boost恒流放电模式，放电电流为0.5C(30A)，交流电网提供0.5C(30A)的充电电流，功率管的工作频率为10kHz。图5为利用模拟储能电池组和交流电网同时给模拟电动汽车电池组做恒流充电时，Buck变换器的输出电压波形，忽略开通关断时刻的电压尖峰，电压纹波 50mV(每格100mV)。图6为利用最佳充电方案给储能电池组做充电时，整一个完整的过程中端电压和充电电流的变化曲线A)恒流充电，当电压达到57.6V时，采用恒压充电，直至充电电流小于0.05C(1.5A)，充电结束。由图6可见，在开始充电瞬间，电池电压迅速增大，然后趋于稳定，恒流充电最后阶段电池电压逐渐增大，在恒压充电过程中，充电电流逐渐减小，与理论变化过程基本相同。

  通过以上分析能够准确的看出，采用储能式充电桩，能使现有城市或家庭的配电系统无需进行太大的增容改造，就能承受电动汽车快速大电流充电的要求，且能够大大减少电费支出，同时具有传统充电桩具有的常规充电功能，而且通过储能电池容量的配置，能够完全满足不同容量的充电要求，应用灵活。但是由于储能电池使用寿命、效率等因素的影响，使其应用受到一定的限制。但是随着电池技术的不断的提高，将充电桩与电池储能技术相结合，构建储能式电动汽车充电桩，对推动电动汽车的广泛应用具备极其重大意义。

  本文只是针对一个用户做多元化的分析，没有考虑到大量用户同时运行时对电网的影响，所以今后应该要针对某一个特定居住小区来分析全用户的出行习惯、行驶里程数等数学模型，结合储能式充电桩的特点，利用有序充电的操控方法，设计出更加合理的充放电控制策略。

  [2]段朝伟,张雷,.电动汽车铅酸电池脉冲快充系统设计[J].自动化仪表,2013,34(7):75-77

  [3]苏海锋,梁志瑞.基于峰谷电价的家用电动汽车居民小区有序充电操控方法[J].电力自动化设备,2015,06:17-22

  [4]周念成,蒲松林,王强钢等.电动汽车快速充电站的储能缓冲系统控制策略[J].电力系统保护与控制,2013,(17):127-134

  [6]鲍冠南,陆超,袁志昌.基于动态规划的电池储能系统削峰填谷实时优化[J].电力系统自动化,2012,36(12):11-16

  [7]房新雨,黄克捷,冯俊淇等.电动汽车充放储一体化电站四种变流装置对比[J].电力电子技术,2013,47(7):64-66

  [8]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2005: 95-110

  [9]刘陵顺,高艳丽,张树团等.TMS320F28335 DSP原理及开发编程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社

  本文来源于中国科技期刊《电子科技类产品世界》2016年第3期第42页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。