基于感應電能傳輸技術的光伏充電站的建模與仿真研究

迪姆科·米什科夫斯基 / 謝爾登·威廉姆森

摘 要 環境問題的日益凸顯和油價的持續上漲，使電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)得以發展并逐步商業化，并將很快助力相關配套設備的上市。這其中，電動汽車充電站可能會是整條運輸系統更換鏈中最重要的一環。作為一種非接觸式電能傳輸的裝置，電動汽車光伏公共充電站將會被設置在大型購物中心的停車場、旅游景區、體育場、機場等。與公路上的大功率充電站不同，這種類型的光伏充電站將只提供電動汽車儲能系統(ESS)的部分能量。比如，在1～2h內，只提供電動汽車電池容量的30%左右。它配備的儲能系統由鋰離子電池串并聯組成，依賴光伏系統和一個網格接口來進行儲能。當它給電動汽車充電時，其通過由諧振轉換器和空心變壓器(ACT)組成的感應電能傳輸(IPT)系統來進行操作，這可能是電動汽車最方便的充電方式了，IPT系統的無繩操作最大可能地保障了充電期間的安全性。有線充電因為可能出現的火花和電插頭的機械損壞等問題正在被逐步淘汰。然而，若要將IPT設計為一種高效系統，還必須要考慮幾個重要問題，包括大的空氣間隙、良好的偏差耐受性、安全的電磁輻射度、系統的精巧性。這是設計電動汽車充電站的基本(通用)方法。根據預定參數，系統元件的評估將通過其布局設計和仿真實驗來證實，在標準開發條件下，這些系統元件將是決定系統效率和成本的根源。

基于感應電能傳輸技術的光伏充電站的建模與仿真研究

迪姆科·米什科夫斯基 / 謝爾登·威廉姆森

摘 要 環境問題的日益凸顯和油價的持續上漲，使電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)得以發展并逐步商業化，并將很快助力相關配套設備的上市。這其中，電動汽車充電站可能會是整條運輸系統更換鏈中最重要的一環。作為一種非接觸式電能傳輸的裝置，電動汽車光伏公共充電站將會被設置在大型購物中心的停車場、旅游景區、體育場、機場等。與公路上的大功率充電站不同，這種類型的光伏充電站將只提供電動汽車儲能系統(ESS)的部分能量。比如，在1～2h內，只提供電動汽車電池容量的30%左右。它配備的儲能系統由鋰離子電池串并聯組成，依賴光伏系統和一個網格接口來進行儲能。當它給電動汽車充電時，其通過由諧振轉換器和空心變壓器(ACT)組成的感應電能傳輸(IPT)系統來進行操作，這可能是電動汽車最方便的充電方式了，IPT系統的無繩操作最大可能地保障了充電期間的安全性。有線充電因為可能出現的火花和電插頭的機械損壞等問題正在被逐步淘汰。然而，若要將IPT設計為一種高效系統，還必須要考慮幾個重要問題，包括大的空氣間隙、良好的偏差耐受性、安全的電磁輻射度、系統的精巧性。這是設計電動汽車充電站的基本(通用)方法。根據預定參數，系統元件的評估將通過其布局設計和仿真實驗來證實，在標準開發條件下，這些系統元件將是決定系統效率和成本的根源。

光伏充電站 電動汽車 感應電能傳輸

1 引言

電動汽車光伏公共充電站的通用設計方法一般遵循如圖1所示的幾個步驟。整個流程將提供系統元件(和特定的電力電路)的精準概述以及根據(在電力傳輸過程中利用太陽能和電網)設定的輸入參數和近似成本分析得到的完善體系。

利用三維工程設計軟件Pro/Engineer對系統進行布局設計，并考慮空心機械裝置的設計。此外，系統硬件(包括太陽能電池板、電池)、電動汽車的尺寸等將被劃入充電站的構造設計中。

充電站的儲能系統基于戴維南等效電路進行建模，選用結合MPPT(最大功率點跟蹤)功能的爬山算法，將蓄電池等效電路通過基于PSIM軟件的光伏矩陣MPPT控制器進行充電仿真。

圖1 電動汽車光伏公共充電站

從仿真結果看，該儲能系統的電力傳輸和系統的效率分析是同步進行的。這里電網接口被設計為一個三相交流變換器，在DC鏈路電壓下，將被用于充電站儲能系統的備用電源。

IPT系統也將基于PSIM軟件進行建模和仿真，其組成包括直流并聯諧振DC/AC轉換器、空心變壓器(系統最重要組成部分)。前者的電壓和電流特定，將為后者提供高頻信號；而在后者的建模中，其機械參數(包括矩形線圈、其在EV中的最大可用空間、初級線圈與次級線圈之間的距離等)要進行初始化，空心會被設計為等效電路，同時考慮到變壓器的補償，其中所有空心參數都是由C#語言編寫的程序在Windows系統下執行計算得到的。

在IPT系統的仿真實驗中，整個系統的操作起于充電站的儲能系統、止在電動汽車電池組，其中每個部分的功率都會被自動收集并用于系統的效率分析。一旦所有的電力電子電路都配備好硬件開關裝置，系統的效率也將隨之確定。又由于空心變壓器的初級線圈和次級線圈的偏差會在一定程度上影響其等效電路參數以及系統的電力傳輸和效率分析，所以針對這類偏差，會額外進行分析仿真。將該情況下確定的效率與理想無偏差情況下的既定效率進行比較分析，進而確定總系統的效率，并與標準充電系統(充電100%)的效率進行比較，以方便進行節約成本的分析。

2 系統基本組成和布局

由于電動汽車光伏充電站的精準設計是以確定好系統最重要的輸入參數為前提的。因此，充電站ESS(電子開關系統)容量、光伏系統和電網接口的供給電能將被計算。

考慮到電動汽車的發展潛力，本文將未來緊湊型車輛的ESS容量近似為30kW·h，該值被眾多專家認為是充電站最優的ESS容量。如果假設充電站每日工作9h，且每小時的充電量為EV ESS容量的1/3，那么，充電站每日將需要得到90 kW·h左右的電能。相較于電網供給，確實不如最大化地利用太陽能發電進行供能。

為了確定系統布局和必要的仿真實驗，需要選擇特定類型的汽車電池和太陽能電池板。因此本文中選用科士達HiPower HP-50160282(3.2V/100Ah)UPS電源及鋰電池(LiFePO4)模型，以及夏普NU-U235F3(235W/ 994×1 640mm)太陽能電池板。

根據電池的規格，可以計算出用于支撐EV和ESS的電池數量。設定直流母線電壓為300V，則：

Vbat=94×3.2V=300.8V

式中，Nser是實現直流電壓的串聯HP-50160282電池的數量。那么蓄電池的容量為：

Eser=100Ah×300.8V=30 080W·h≈30kW·h

因此，94個HP-50160282電池串聯將能滿足30kW·hESS容量的EV。而根據前文中的計算數據，對于充電站的90kW·h的ESS容量來說，將對應的需要3組分別由94個電池板組成的元件。這里尤其要注意的是，根據HP-50160282電池的規格，其充電上限電壓Vchmax和放電終止電壓Vdischmin為：

Vchmax=3.85V×94=361.9V

Vdischmin=2V×94=188V

對于電動汽車和充電站而言，這些值在進行充電節能控制設計時是非常重要的。

如果根據太陽能電池板夏普NU-U235F3的規格尺寸和EV的最大尺寸(l×w×h=5m×1.8m×1.5m)來計算的話，能夠得到停車場屋頂上需要鋪設的太陽能電池板的數量以及充電站設備(ESS和相關控制器)的數量。因此，在這個特定區域內，可以將12塊電池板鋪設成4行3列的光伏矩陣，每列的電池板串聯，再3列并聯，則將得到光伏系統參數：

Vpvmax=4×30.1V=120.4V

Ipvmax=3×7.81A=23.43A

Vpvoc=4×37V=148V

Ipvsc=3×8.5A=25.5A

充電站的MPPT控制器將能提供足以滿足蓄熱太陽能的最大功率工作點和為充電站ESS充電的必要輸出電壓。本文中選用的太陽能電池板夏普NU-U235F3在太陽能熱輻射功率為1kW/m2時能產生的最大功率為235W。因此，在特定的太陽能熱輻射功率下，該光伏系統的最大功率為Ppvmax=12×235W=2 820W，而該光伏系統的實驗地點蒙特利爾市每天可以提供的平均太陽能為：

24h×12panels=9 950Wh

由于文中設定充電站ESS容量為90kw·h，又考

慮到太陽能電池板不總是全面受輻射，所以，設定光伏系統只提供其10%的能量來為電動汽車充電。

在上文的設定中，一個標準的緊湊/中型的電動汽車尺寸為l×w×h=5m×1.8m×1.5m，并且是電動汽車充電站的一部分。光伏矩陣鋪設于充電樁的頂部，其斜率的確定依據蒙特利爾市一年中最長日光(6月21日)中的實測數據，令該斜率正好垂直于太陽能電池板，以獲得最佳的光伏系統效率。同時，提出采用ACT(主動控制技術)，令初級線圈安裝于地、次級線圈距離EV0.2m，每個線圈的預留空間為0.8m×0.8m×0.05m(以后會詳細說到)。此外，在系統的其他布局設計中，將ESS連同電池組安裝在專用隔間(電氣柜)，并安裝光伏MPPT控制器和三相電源(電網接口)，使諧振轉換器提供通信和高頻信號，以及EV定位及充電計費設備(見圖2)。

圖2 電動車充電站規劃圖

岳文姣編譯自2013 IEEE transportation electrification conference and expo: ITEC 2013，了解更多詳細內容可登陸http://users.encs.concordia.ca/～peer/index.html。

Modeling and Simulation of a Pnotovoltaic (PV) based Inductive Power Transfer Electric Vehicle Public Chenging Station

Dimko Miskovski / Sheldon S. Williamson