一種儲能式電動汽車充電站的研究與設計

石錦閃，陳景文

（1.貴州電子信息職業技術學院，貴州 凱里 556000；2.陜西科技大學，陜西 西安 710021）

一種儲能式電動汽車充電站的研究與設計

石錦閃1，陳景文2

（1.貴州電子信息職業技術學院，貴州 凱里 556000；2.陜西科技大學，陜西 西安 710021）

隨著環境保護意識的逐漸提升，人們對于環境保護的關注度也在升高，在這樣的背景下尋求新的能源成為環境保護中的關鍵性問題。電能作為潔凈能源，對電能的使用可以實現能源的節約管理，因此儲能式電動汽車出現并且得到社會各界的認可，但儲能式汽車畢竟對電量的存儲是暫時的。為了保證汽車的能源持續性，需要對儲能式電動汽車進行電能補充，因此需要對充電站進行研究和設計，采用更加科學的管理方法，保證儲能式電動汽車的使用效率提升。文章主要針對一種儲能式電動汽車充電站的研究與設計進行分析研究。

儲能式電動汽車；充電站；交流電

儲能式電動汽車以其環保和節能著稱，適用于我國環境污染較為嚴重的現階段，其得到了社會的認可，使用數量逐漸增加。但是實際管理中我國智能配電網和智能配電小區建設普及率不高，充電問題無法得到充分解決，因此，需要增加配電設備以及充電樁的數量，提高儲能式電動汽車充電樁的充電效率，促進儲能電動式汽車的推廣。

1 儲能式電動汽車充電樁的設計原理

儲能式電動充電樁在設計的過程中需要實現充電效率的最大化，可以最大限度地利用不同時段進行充電的雙序谷充電方式，對不同的充電方式進行控制，可以實現不同型號汽車共用一個充電樁的情況，對快速充電和慢性充電進行合理的調控，對整體的充電進行合理的控制[1]。

充電樁整體運行系統如圖1所示，采樣系統、驅動系統和人機交換系統之間科學合理運行，將系統與電源進行控制，通過信息系統將控制系統與電池儲能系統進行連接，進而實現整個充電樁科學合理的控制。控制系統為了保證系統的運行，建立了輔助電源系統，該系統的建立可以實現電池組的均衡，對電池進行更加合理的控制，并且通過保護單元進行系統的控制，可以防止汽車因為不同功率在充電過程中出現短路，保證充電系統的整體安全。汽車的電源系統則是采用單向充電與雙向充電相結合的方式，將儲能電池組與電動汽車電池組之間進行連接，進而實現整體的充電管理，將直流母線和儲能式電池組之間進行雙向的Buck-Boost轉化，保證電池組的整體充電和放電功能，并對電池進行恒壓、恒流和脈沖式的充電，維持充電的整體質量。

2 儲能式電動汽車充電樁硬件系統設計

儲能式電動汽車充電樁在硬件系統的設計中需要考慮到充電時間、充電功率和充電速度，因此進行硬件設計需要將功率調節系統、管理系統和保護系統進行整體設計，保證相互之間的協調工作，并且在設計工作完成之后，對充電樁工作過程進行控制，進而保證整個充電樁的系統運行質量。具體的硬件系統如下。

圖1 儲能式電動汽車充電樁設計系統

2.1 交流電網與直流母線控制

交流電網和直流母線之間的控制屬于需要采用單相不可控整流電路，如圖2所示，電流的工作過程，220 V電流在運行中通過濾波將其轉化為直流電，并且在運行中為了防止電流過大，設置了限流的電阻R1，防止充電過程中因電流控制問題造成的電流輸送不暢，對電流進行更加科學的管理和控制。同時交流在充滿電后自動關閉K2開關，節省電源的消耗[2]。

圖2 交流電網和直流母線之間的控制關系

2.2 直流母線與電動汽車電池組的線路設計

直流母線與電動汽車電池組也是重要的硬件組成部分，其中母線與電動汽車電池組之間通過Buck變換器進行轉換，這樣內外部的電極可以更好地進行相互之間的通聯，并且在內部集成續流二極管，如圖3所示，該電路構造方式更加的簡潔，并且可以對最大電流進行整體的調節和控制，可以實現200 A的電流控制，并且通過V1進行功率控制，在保證使用安全的基礎上更好地實現整體的控制。

圖3 直流母線與電動汽車電池組的設計

2.3 直流母線與儲能電池組之間的關系

儲能電池與直流母線之間的通聯也是需要關注的問題，在進行控制的過程中，如圖4所示，在進行電池能量儲備時，電池組中的變化器就開始工作，將其中的V1，VD2進行聯通，實現電流的傳輸，保證電流的正常輸送，可以保證電路始終處于降壓斬波的模式，實現電流的合理控制。而在進行儲能電池放電的過程中，V1，VD2進行聯通處于升壓斬波狀態，這樣的工作方式可以在電池充電和放電之間保持平衡，使得相互之間的轉換更加協調，實現線路的雙向輸送，進而保證整體電路的控制和管理，保證儲能電池的合理充電和放電，提升儲能電池的使用質量。

圖4 儲能電池與直流母線之間的通聯

3 儲能式電動汽車充電樁軟件系統設計

軟件系統是充電樁的管理系統，可以將管理方式進行更加規范化的調節和控制，實現整體管理的提升。軟件控制系統低于充電電池樁的使用質量提供更加高效的條件。具體組成部分包括控制計算系統和控制系統軟件設計。

3.1 控制計算系統

控制系統主要是為了實現對電池充電時間、充電電流、溫度和放電狀態之間的管理和控制，通過對功率的調節和對電池電量的控制進行恒壓和恒流的控制，為充電提供更加充分的質量保證。控制系統的設計如圖5所示，在進行控制系統設計中，主要是采用比例積分（Proportional Integral，PI）調節器進行控制，這樣其GVd可以保持在1/10之下，誤差出現的概率也進一步降低，并且可以更好地對信號進行管理，實現函數的控制，并且建立小型的信號傳輸模型，保證GVd可以更好地實現整體的效果。

圖5 控制系統示意

3.2 控制系統軟件設計

對于設計流程也需要進行關注，首先進行初始化設計，將這個電池樁的整體運行方式進行設計，制定更加規范化的使用方法，提升使用的整體質量。其次，對電池樁進行中斷配置，設計必要的中斷系統，在電池充電結束之后進行自動斷電設計，防止電池的不合理充電。最后，需要進行外設初始化和變量初始化控制，并對充電模式進行分析，包括正常充電模式、快速充電模式和放電充電模式，這幾種模式的管理可以更好地對儲能式汽車的充電提供便利，為不同方式的汽車提供各種適宜的充電方式，進而更好地實現電量的全面控制，提升充電電池樁的使用質量（見圖6）。

圖6 充電電池樁整體設計

該系統在整個設計過程中，將各個因素都進行了充分的考慮，并且在工作的過程中，該系統可以對工作頻率進行控制，保證頻率在150 MHz范圍內，其中包括18路的PWM輸出端口、6路高分辨率脈寬調制模塊、16路高精準度的12位數模轉換器，可以實現整體系統的高效轉化。

4 儲能式電動汽車充電樁系統使用效果

在充電樁進行設計之后需要對使用效果進行分析，本系統對電池組進行充電實驗，可以發現設計中的Buck-Boost變換器可以實現整體恒定的放電模式，使得電壓的充電紋波控控制在50 mV之內，這樣的方式可以防止因充電不均造成的充電質量下降，進而影響電池的使用壽命。其次，在整個的充電過程中，充電樁都采用恒壓的充電模式，保證電池在充電過程中保持恒定的狀態，直至電池小于1.5 A時整體的充電結束，這樣的方式可以提升電池的使用壽命，雖然在開始充電時電池的充電電壓增加，但是后期始終維持在穩定的狀態內，并且隨著電池電量的持續增加，電流持續減少，在電流充電完全結束之后電流消失，保證電池在充滿后自動斷電，防止電池充電過量出現事故。最后，該充電樁在進行設計中對不同的汽車型號的充電電流進行控制，結合不同型號汽車的儲能電池點流量，對汽車的充電進行管理和控制，這樣可以實現同一電池樁的多種不同汽車的使用，提升電池樁的整體式使用效率。

5 結語

綜上所述，儲能式電池樁可以在無需較大程度轉變現有家庭配電系統的前提下，實現不同電池的設計和規范，在保證電流合理控制的基礎上，進一步減少經費的各項開支，對電流進行控制，節省電費，并且滿足不同型號汽車的充電需要，應用更加靈活。但是因為儲能電池的使用壽命、使用效率等制約因素，充電電池樁的使用壽命受到了一定的限制，隨著電池技術的提升，這些問題正在不斷地被優化，并且隨著電動汽車的推廣逐漸得到了解決。可見儲能式電動汽車充電樁的實際設計和使用意義具有較大的影響力，也是汽車行業發展的需要，值得推廣使用。

[1]周念成，蒲松林，王強鋼，等.電動汽車快速充電站的儲能緩沖系統控制策略[J].電力系統保護與控制，2013（17）：127-134.

[2]賈龍，胡澤春，宋永華，等.儲能和電動汽車充電站與配電網的聯合規劃研究[J].中國電機工程學報，2017（1）：73-84.

Research and design of a kind of energy storage electric vehicle charging station

Shi Jinshan1, Chen Jingwen2
(1.Guizhou Vocational and Technical College of Electronic and Information, Kaili 556000, China;2.Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

With the gradual improvement of environmental protection awareness, people’s attention to environmental protection is also rising. On this basis, seeking new energy becomes a key issue in environmental protection. Energy as a clean energy, the use of electricity will realize the energy conservation management, so the energy storage electric vehicles appear and get the community recognized,however, the storage of energy storage cars is temporary. In order to ensure the continuity of the energy of the automobile, it is necessary to supplement the electric energy of the energy storage electric vehicle. Therefore, research and design of the charging station are needed,and a more scientific management method is adopted to ensure the efficiency of the energy storage electric vehicle to be improved. This paper mainly focuses on the research and design of an energy storage electric vehicle charging station.

energy storage electric vehicle; charging station; alternating current

石錦閃（1977— ），男，貴州凱里人，副教授，學士；研究方向：高職電力類專業教育。