電動汽車充電樁設計智能優化

韓平軍 張昉 朱思成

摘 要：隨著石油資源的枯竭和全球能源結構的戰略轉型，以電動汽車為代表的新能源汽車將逐步取代傳統的燃油車成為轎乘用車市場上的主流。電動汽車作為新能源車的代表在其中占據著較大的比例，做好電動汽車充電站的建設將會對電動汽車市場的快速發展提供強大的助推力。電動汽車充電樁是電動汽車充能的重要設備，應當積極開展對于電動汽車充電樁的研究以便提高電動汽車充電樁的智能化水平，將電動汽車充電樁輸出的電能曲線控制在電動汽車車載電池所能接受的最佳曲線，提高電動汽車的使用壽命。

關鍵詞：電動汽車；充電樁；智能控制系統

中圖分類號：U46 文獻標志碼：A

0 前言

電動汽車充電樁是電動汽車市場快速發展的重要基石，為保證電動汽車市場順利發展需要積極做好電動汽車充電樁的建設與優化，從而使得電動汽車充電樁能夠為電動汽車提供優質的充能服務。應當積極做好電動汽車充電樁的優化設計，結合電動汽車車載電池的特性對電動汽車充電樁的輸出電流進行優化以確保電動汽車充電樁的輸出電流能夠逼近車載電池所能接受的最佳電流曲線，延長電動汽車車載電池的壽命。

1 電動汽車充電樁的充電原理與功能

電動汽車充電樁是一種固定于地面以便為電動汽車提供DC/AC電流的充電裝置，并附加了數據（電流、電壓等數據）顯示、刷卡、計費等功能。直流充電樁主要是通過交流電網對電動汽車動力電池進行直接充電的充電裝置，也被稱之為“快充”，而電動汽車交流充電樁則主要是由交流電網向電動汽車所配置的車載充電機供電并由車載充電機將交流電轉變為可供車載電池所使用的直流電，從而實現對于電動汽車車載電池的充電，電動汽車交流充電樁的充電效率較低耗時較長也被稱之為“慢充”。交直流充電樁之間的區別還體現在充電樁輸出功率方面的差別，相比較而言直流充電樁的輸出功率要更大一些。電動汽車充電樁由于需要長時間高負荷工作，因此在對電動汽車充電樁進行設計時需要對電動汽車充電樁的可靠性與穩定性進行重點加強。同時電動汽車充電樁應當具有快速無損充電的能力以確保電動汽車充電樁能夠向電動汽車車載電池進行短時間高負荷的充能，提高電動汽車充電樁的充電效率，電動汽車充電樁在具有高速充電能力的同時還應確保充電電流的平滑性，避免對電池造成過度損傷。

2 電動汽車充電樁的智能優化設計

電動汽車充電樁的相關技術參數如下：

輸入電壓：三相AC380V±15% 輸入頻率：50Hz±10% 輸出功率：<90kW

輸出電壓范圍：300V±100V 穩壓精度：<0.5%

結合電動汽車充電樁的使用需求在對電動汽車充電樁進行智能化設計時主要分為以下幾大部分：充能單元、人機交互界面、數據分析與采集模塊等。充能單元主要是由交流接觸器、電能表或是AC/DC轉換器所組成，交流接觸器控制外接交流電的通斷，而AC/DC轉換器則主要用于直流充電樁向電動汽車直接充電。電能表主要用于電能消耗的測量為智能充電樁中的計量單元，電能表將與電動汽車充電樁的控制單元進行直接通信用以將電能信息直接反饋至電動汽車充電樁的控制測量部分。對于電動汽車充電樁中的人機交互界面將使用MCGS觸摸屏來實現電動汽車充電樁相關數據的顯示，使用Flash作為電動汽車充電樁中的閃存。

電動汽車充電樁的主控單位將以TMS320LF2407型DSP作為主控單元用以對電動汽車充電樁中的各采集信號進行處理和運算，并實現對于電動汽車充電樁外圍電路的控制。人機交互系統主要由人機交互界面和交易結算兩大部分所組成，人機交互界面主要用于通過界面操作完成電動汽車蓄電池的自助充電并存儲相關充電信息。交易結算單元用以完成電動汽車充電費用的計算和使用電量的統計及使用明細等。電動汽車充電樁中的安全防護單元分為緊急中止部分和自動安全防護兩大部分，自動安全防護單元通過對電動汽車充電樁充電過程中的實時電流、電壓等信號進行采集并傳輸至DSP中進行計算以判定電動汽車充電樁的運行狀態是否正常，如數據異常將自動切斷電動汽車充電樁并報警提示工作人員及時對其進行修復。緊急中止部分是用于突發狀況的人工強制中斷，保證電動汽車充電樁的運行安全。

磷酸鐵鋰電池快充方法主要有恒流充電法、恒壓充電法、脈沖充電法以及反射式充電法等幾種方法，上述幾種充電方法各有優缺點。現代電動汽車充電控制要求越來越精確，單一地依靠上述某種充電方法將無法滿足電動汽車充電所要求的快充和精確控制的要求。對于電動汽車充電樁的智能優化可以結合磷酸鐵鋰電池的充電規律，利用分段式充電原理實現車載電池的最優化充電。分段充電主要將電動汽車充電樁的充電分為3個階段：

（1）預充電階段，這一階段車載電池的SOC在10%以內，其主要用于保護電池。

（2）恒流充電模式，結合電池的充電特性選用分段恒流充電模式可以實現對于電池的快速無損充電。

（3）大電流正負脈沖充電模式。最后一階段采用此種充電模式可以有效地加入去極化脈沖消除磷酸鐵鋰電池的極化問題。

第二階段在充電模式的劃分上采用的是SOC控制法，通過電池的SOC來控制本階段的充電電流。最后一階段的正負脈沖充電可以細分為正脈沖階段、停止階段以及負脈沖去極化3個階段。針對各階段車載電池充電特性的不同對車載電池的充電狀態進行建模分析，以便確定電動汽車充電樁的充電參數。需要注意的是在正負脈沖充電階段，負脈沖時間的不斷增加會造成車載電池電壓壓降逐步增大，研究確定磷酸鐵鋰電池的極化電壓為0.171V，通過將去極化負脈沖的時間確定為56ms將能夠實現對充電電池良好的去極化效果，提高充電電池的使用壽命。同時對于磷酸鐵鋰電池充電時的前擱置時間通過試驗分析確定為100ms，而對于磷酸鐵鋰電池的后擱置時間則確定為200ms。分段式充電策略的實施將有助于提高充電的效率和安全性，結合電動汽車車載電池的充電特性合理地確定充電方案用以最大限度地保證電動汽車電池的安全性與可靠性。

3 電動汽車充電樁控制系統的硬件構成

電動汽車充電樁控制系統可以采用UPS進行斷電供電，平時的供電將依靠主電源供電并使用隔離變壓器屏蔽來自于主電源的干擾信號。除了采用隔離變壓器屏蔽主電源的干擾外，對于經過隔離變壓器的供電電源需要經過LM7824進行濾波應以得到安全、穩定的控制系統供電電源。所得到的24V電源可以用作IGBT供電或是接觸器的驅動電源。電動汽車充電樁的充電單元主要由三相橋式整流電路、全橋功率轉換電路以及放電去極化電路三大部分組成，通過對電動汽車充電樁控制電路進行優化用以更好地優化電動汽車充電樁的電流質量。

結語

電動汽車充電樁是電動汽車產業發展的重要基石，積極做好電動汽車充電樁的設計與優化對于提高電動汽車車載電池的使用壽命有著極為重要的意義。本文在分析電動汽車充電樁結構與特性的基礎上對如何做好電動汽車充電樁的智能優化進行了分析介紹。

參考文獻

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