分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)無(wú)線充電系統(tǒng)研究

陸 鈞 / 付 璐 / 王 艷

(中海陽(yáng)能源集團(tuán)股份有限公司，北京 102200)

分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)無(wú)線充電系統(tǒng)研究

陸 鈞 / 付 璐 / 王 艷

(中海陽(yáng)能源集團(tuán)股份有限公司，北京 102200)

提出分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)無(wú)線充電系統(tǒng)為電動(dòng)汽車提供電能，該系統(tǒng)采用分布式光伏發(fā)電與儲(chǔ)能互補(bǔ)的方式，從根本上解決了電動(dòng)汽車的清潔問(wèn)題；同時(shí)，采用無(wú)線充電的方式替代有線充電，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車全自動(dòng)化充電過(guò)程。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，分布式光伏儲(chǔ)能無(wú)線充電系統(tǒng)將是電動(dòng)汽車的最佳配電及充電選擇方式，是無(wú)人駕駛和車聯(lián)網(wǎng)的必然匹配技術(shù)。

電動(dòng)汽車 無(wú)線充電 光儲(chǔ)互補(bǔ)

0 引言

電動(dòng)汽車是一種發(fā)展前景廣闊的交通工具，綠色無(wú)污染，目前電動(dòng)汽車主要利用現(xiàn)有電網(wǎng)進(jìn)行充電，而現(xiàn)有電網(wǎng)發(fā)電主要是依賴不可再生能源，這將加重環(huán)境污染和能源緊缺問(wèn)題；同時(shí)，電動(dòng)汽車?yán)秒娋W(wǎng)充電，會(huì)造成瞬時(shí)功率增大，對(duì)普通電網(wǎng)造成較大的尖峰干擾，影響電網(wǎng)安全。

分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)充電系統(tǒng)能把光伏發(fā)電的電量?jī)?chǔ)存并及時(shí)提供給電動(dòng)汽車充電使用或是給其他系統(tǒng)供應(yīng)電力，不僅無(wú)污染而且能夠持續(xù)永久利用，也不會(huì)因?yàn)榇笠?guī)模充電產(chǎn)生的瞬時(shí)功率給普通電網(wǎng)的安全造成干擾。只有在光伏發(fā)電量不足以滿足充電站使用時(shí)，才轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電。同樣，當(dāng)國(guó)家電網(wǎng)用電壓力較大時(shí)，也可以利用充電站儲(chǔ)電優(yōu)勢(shì)反供電給電網(wǎng)。

現(xiàn)有電動(dòng)汽車充電方式普遍為有線充電方式，其自動(dòng)化成度低，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，且插拔線纜存在漏電等風(fēng)險(xiǎn)。采用無(wú)線充電的方式代替有線充電，在避免上述缺點(diǎn)的同時(shí)更可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車全自動(dòng)無(wú)人值守的充電模式。

分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)與無(wú)線充電技術(shù)的結(jié)合將為電動(dòng)汽車提供一種零污染、對(duì)電網(wǎng)友好的充電模式，是未來(lái)電動(dòng)汽車充電的發(fā)展方向。

1 無(wú)線電能傳輸技術(shù)

無(wú)線電能傳輸技術(shù)基于松耦合變壓器結(jié)構(gòu)的電磁感應(yīng)原理[1]，利用發(fā)射端和接收端之間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸。由圖1所示，系統(tǒng)可分為供電端和受電端。其中供電端首先通過(guò)整流逆變環(huán)節(jié)將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，在系統(tǒng)進(jìn)行原邊電能變換后，將高頻交流電注入發(fā)射線圈，并在發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)；處于該磁場(chǎng)中的接收線圈會(huì)捕捉到部分交變磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生高頻感應(yīng)電壓，然后通過(guò)次級(jí)電力電子轉(zhuǎn)換裝置將電能儲(chǔ)存到電池中，完成整個(gè)無(wú)線電能傳輸過(guò)程。

圖1 無(wú)線電能傳輸原理圖

圖2 30kW電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)原理框圖

2 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車無(wú)線充電是利用磁場(chǎng)耦合進(jìn)行的非接觸式電力傳輸技術(shù)，當(dāng)充電車輛在充電停車位的正上方對(duì)齊停泊后，就能自動(dòng)通過(guò)無(wú)線方式接入充電站的通信網(wǎng)絡(luò)，建立起地面系統(tǒng)和車載系統(tǒng)的通路連接，并完成車輛相關(guān)信息和數(shù)據(jù)的交換；隨即啟動(dòng)充電過(guò)程，置于停車位下方的發(fā)射線圈將交流電轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)，再被車載接收線圈接收并轉(zhuǎn)換為直流電充入車載電池中。兩個(gè)線圈形成一個(gè)連路，確保沒(méi)有外泄的能量，并讓系統(tǒng)跨越空氣間隔實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

基于磁耦合諧振式30kW電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。圖2中電源輸入三相交流380V/50Hz，經(jīng)整流濾波變換成直流電壓U1，經(jīng)逆變電路變換成高頻交流電壓V1；無(wú)線接收諧振回路接收到的高頻電壓V2，經(jīng)高頻整流電路變換成直流電壓U2，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電。在無(wú)線電能發(fā)射端與接收端分別檢測(cè)電壓電流，經(jīng)通信模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，再由發(fā)射端通過(guò)鎖相環(huán)頻率跟蹤電路對(duì)逆變控制電路進(jìn)行頻率控制。

30kW電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

整體而言，電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)主要分為初級(jí)電能變換裝置、電磁耦合機(jī)構(gòu)和車載端電能變換裝置。如圖3所示，其中電網(wǎng)通過(guò)磁耦合諧振技術(shù)將電能傳輸?shù)杰囕d端共分為3個(gè)階段：1)AC-DC-AC變換：電網(wǎng)電能在初級(jí)電力變換階段經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓和高頻逆變環(huán)節(jié)，使工頻三相交流電變換為高頻交流電并且流入發(fā)射端電磁耦合機(jī)構(gòu)；2)AC-AC變換：當(dāng)發(fā)射端和車載端諧振器達(dá)到共振狀態(tài)時(shí)，高頻交流電以“隧道”的形式高效地傳輸至拾取端，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸；3)AC-DC-DC變換：車載拾取端接收到的交流電在次級(jí)電能變換過(guò)程中經(jīng)歷整流、濾波和調(diào)壓環(huán)節(jié)，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)汽車電池組進(jìn)行電能補(bǔ)充。

3 分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)無(wú)線充電系統(tǒng)

分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)無(wú)線充電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能與電動(dòng)汽車快速充電的有機(jī)結(jié)合。利用太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)作為充電動(dòng)力有利于電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)打破當(dāng)下依賴傳統(tǒng)化石能源供電和充電基礎(chǔ)設(shè)施缺乏的困境；而且無(wú)線充電模式的應(yīng)用，可以將電源和變壓器隱蔽在地下，充電設(shè)施布置靈活，只需改造現(xiàn)有停車場(chǎng)、路邊停車位就能給電動(dòng)汽車充電，徹底避免了漏電隱患，也避免了因?yàn)轳{駛不慎或誤操作撞壞充電樁的情況發(fā)生。

分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)無(wú)線充電系統(tǒng)見(jiàn)圖4，其工作原理：首先，光伏組件通過(guò)智能匯流器，實(shí)現(xiàn)多支路、多角度光伏組件間無(wú)干擾供電，同時(shí)基于先進(jìn)的模糊MPPT控制技術(shù)，可以始終保持光伏組件以最大功率向外輸出能量；其次，對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行存儲(chǔ)和時(shí)序分配，利用蓄電池雙向模塊實(shí)現(xiàn)多余能量存儲(chǔ)，不足能量補(bǔ)償，保障電動(dòng)車充電正常；最后，利用蓄電池充電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的無(wú)線充電。

圖4 分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)無(wú)線充電系統(tǒng)

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)使得電動(dòng)汽車的節(jié)能環(huán)保效果大幅度提升，達(dá)到真正的零排放。通過(guò)靈活布置的分布式光伏系統(tǒng)，可在一定程度上解決目前電力容量不足等實(shí)際問(wèn)題；而無(wú)線充電系統(tǒng)的分散建設(shè)不需要專門征地，可直接利用現(xiàn)有開(kāi)放式停車場(chǎng)甚至路邊車輛暫定區(qū)域進(jìn)行就地改造，全過(guò)程自動(dòng)化無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的全自動(dòng)化。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，分布式光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)與無(wú)線充電系統(tǒng)相結(jié)合形成的分布式光伏儲(chǔ)能無(wú)線充電系統(tǒng)將是電動(dòng)汽車的最佳配電及充電選擇方式，是無(wú)人駕駛和車聯(lián)網(wǎng)的必然匹配技術(shù)。

[1] 高大威，王碩，楊福源．電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2015，6(4)：314-327.

Research on Distributed PV Energy Storage Complement Wireless Charging System

Lu Jun / Fu Lu / Wang Yan

To provide the electric energy for electrical vehicles, the distributed PV energy storage complement wireless charging system is proposed, which applied distributed PV power generation with energy storage in complementary way, and could fundamentally solve the problem of cleanness of electrical vehicles. In the meantime, with wireless charging substitute wired charging could realize the complete automatically charging process of electrical vehicles. In the long run, the distributed PV energy storage complement wireless charging system will be considered as the best distribution and charging option, and inevitably be the matching technique of unmanned and vehicular networking.

electrical vehicles，wireless charging，PV energy storage complement wireless charging