多輸入電動汽車充電裝置的設計

周雅夫 劉邵勛 黃立建

摘 要：為解決退役汽車動力電池資源浪費和傳統電動汽車占用電網資源的問題，文章以退役汽車動力電池儲能為基礎，提出了一種結合了電網，退役儲能系統以及太陽能發電裝置的多輸入電動汽車充電裝置，文章從功能描述，裝置選型及實驗驗證的角度出發，驗證了該多輸入充電裝置方案切實可行，同時證明了該裝置可以緩解電網壓力，增加退役電池的梯次利用率和新能源的利用率。

關鍵詞：退役電池;充電裝置;梯次利用;儲能

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-20-06

Design of Multi-input Electric Vehicle Charging Device*

Zhou Yafu， Liu Shaoxun， Huang Lijian

（ School of Automotive Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural

Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Liaoning Dalian 116024 ）

Abstract： In order to solve the problems of waste of retired power battery resources of vehicles and the occupation of power grid resources by traditional electric vehicles， this paper proposes a multi-input electric vehicle that combines power grid， retired energy storage system and solar power generation device based on the energy storage of retired vehicle power batteries Charging device. From the perspective of functional description， device selection， simulation and experimental verification， the article verifies that the multi-input charging device solution is feasible， and at the same time proves that the device can ease the pressure on the power grid and increase the cascade utilization rate of retired batteries and The utilization rate of new energy.

Keywords： Decommissioned Battery; Charging Device; Echelon Utilization; Energy Storage

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-20-06

前言

近年來，國家大力支持新能源汽車行業發展，隨著一系列的國家政策頒布，新能源汽車行業的迅速發展，同時退役汽車動力電池的數量也急劇上升[1-3]，根據規定，當其能源汽車動力電池容量降低為原標定容量的80%時，已經不能滿足其使用需求，需要做退役處理[4]，但此時電池還有部分容量未經完全利用，直接報廢該類動力電池會造成能源的浪費[5，6]，若將此類電池梯次利用于電池儲能領域，能有效提高退役電池的利用率，避免資源浪費。

退役電池梯次利用時近年來的研究熱門之一，文獻[7，8]從經濟角度出發，在當前退役電池梯次利用的三大主要應用場景：新能源發電、電網以及用戶層面分析明確了退役電池成本具有極為強大的競爭優勢，指出了電池梯次利用經濟層面的可行性。文獻[9，10]指出了風能和太陽能等新能源發電具有能源生產不穩定的問題，需要有相應的儲能裝置保證能源的利用，進而引出了退役電池儲能裝置。文獻[11]提出了針對風場發電中退役電池儲能系統的優化配置。文獻[12]則是針對太陽能發電的儲能系統給出了具體優化措施。文獻[13]通過具體分析電池相應的衰減數據，給出了優化儲能系統中電池健康狀態的一種措施。文獻[14]將鋰電池應用到光伏發電站儲能系統中，并通過數據分析給出了充電時的平穩電池搭建方案。文獻[15]通過分析退役儲能電池搭建新型公交汽車充電站，著重對其經濟性進行分析，并指出其可以提升公交站的經濟效益。文獻[16，17]針對日常樓宇設計了電池儲能系統，并通過經濟角度分析了其可行性。文獻[18]提出了一種退役儲能系統中的主動均衡控制系統，延長了退以電池的使用壽命。

在裝置電路設計和元件選型方面，文獻[19]設計了一種運用于儲能系統中的升壓電路，講述了針對儲能系統升壓的電路器件選型。文獻[20]設計了針對電網向儲能電池充電的一種降壓電路。文獻[21]針對DC/DC轉換器中的電感選型，利用電路仿真提出了一種更為節省成本的方法。

本文通過將退役動力電池作為儲能裝置，結合電網和太陽能發電提出了一種新型的多輸入汽車充電裝置，首先通過裝置選型確定充電裝置中各個元器件的參數，然后利用MATLAB環境中Simulink模塊進行仿真，檢驗所選電路元器件的正確性，最后通過實際臺架試驗檢驗該多輸入充電裝置達到技術要求。

1 多輸入充電裝置整體介紹

1.1 Boost電路

Boost電路是一種開關直流升壓電路，其電路拓撲結構如圖3-1所示。Boost電路的功能是是通過控制IGBT的通斷，使輸出電壓高于輸入電壓，Boost電路采取恒頻率的控制方式，占空比可調節，如圖1所示，在充電過程中，開關閉合（Q導通），此時輸入電流流過電感，由于輸入直流電，所以流經電感的電流以一定的比率增加，隨著電流的增加，電感中儲存了一定的電量。

放電過程中，開關斷開（Q截止），由于電感的電流保持特性，流經電感的電流不會立刻降為0，原有的電路已經斷開，電感只能通過新電路給電容C充電，此時電容兩端的電壓升高，即電路的輸出電壓升高，升壓完成。

圖中，Uin為輸入電壓;L為儲能元件;C為電容器，Q為三極管，Uout為輸出電壓。

1.2 Buck電路

Buck電路是一種降壓式變換器，電路拓撲結構如圖2所示。 其功能是實現輸出電壓小于輸入電壓，圖中，Q為開關管，一般由PWM（Pulse width modulation 脈沖寬度調制）信號控制，若信號周期為Ts，則：

（1）

其中：Ton為導通時間;Toff為關斷時間;信號頻率為 f=1/Ts。

當Q導通時，電感電流增加，電感儲能;當Q關斷時，電感電流減小，電感釋能，電流的增量大于其減少量，則 為一個開關周期內產生的平均感應電勢，在此電勢的作用下，電感電流上升與下降的速度均被減少，最終導致一個開關周期內電感上磁鏈增量小于零。

1.3 整流電路

AC/DC即為交流電轉換為直流電，新型充電裝置采用采用電網為輸入源，所以需要將電網的交流電轉換為直流電，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為整流，拓撲結構如圖3所示：

1.4 整體結構介紹

多輸入充電裝置整體結構包括一個AC/DC變換器和兩個DC/DC變換器，利用上述裝置結合太陽能電池、電網和退役儲能電池，整個裝置通過CAN總線與控制器連接。整體裝置示意圖如圖4所示。

其中，黑色線為電路連接線，藍色虛線為控制線路。

由圖4可知，裝置整體結構可分為退役電池儲能系統，多輸入充電裝置，充電樁和控制系統四大結構。退役電池儲能系統是由廢舊電池經過回收，拆解獲得的電池單體，通過上一章節提到的電池剩余壽命預測技術記性篩選，將電池健康程度良好的一類電池單體進行配對重組，進而組成了退役電池儲能系統。

圖4中的控制系統由監控單元和調度單元組成，其中監控單元用于接收退役電池儲能系統中電池管理系統（Battery Management System，BMS）中傳來的信息，具體包括電池溫度，電池剩余容量（State Of Charge，SOC），電池健康狀態（State Of Health，SOH）以及退役電池組的故障報警等信息。

新型充電裝置中的多輸入充電模塊由DC/DC1、DC/ DC2、AC/DC以及若干個繼電器組成，DC/DC2的作用是將太陽能發電裝置中的電量進行升壓，以便用于退役電池儲能系統充電或新能源汽車供電;DC/DC1的作用是將退役電池儲能系統的端電壓升壓，或是將太陽能發電裝置和電網的電量經過整流升壓對退役電池儲能系統充電;AC/DC的作用是對電網上的三相交流電進行整流升壓，以便于DC/DC1的利用。該裝置中的DC/DC1和DC/DC2主要由輸入濾波電感、電容，升壓電感，IGBT和輸出π型濾波的電感等功率元件構成。

電動汽車充電裝置控制系統系統能夠對該裝置進行自動峰谷充放電控制，具體為：通過控制DC/DC1、DC/DC2和AC/DC上的繼電器K1、K2、K4的通斷，實現系統的多種工作狀態，充電裝置的工作狀態分別表現為：

（1）當電網處于用電低谷期，系統處于退役儲能電池電量不足，無電動汽車充電且太陽能電源無法利用時，控制器識別此狀態，控制繼電器K4閉合，K1、K2關斷，利用電網的電量經過整流調壓后輸送給退役儲能電池;當太陽能電源可用時，利用太陽能和電網電能向退役儲能電池充電。

（2）當電網處于用電高峰期，系統處于退役儲能電池電量不足，無電動汽車充電且太陽能電源無法利用時，控制器識別此狀態，控制繼電器K4閉合，K1、K2關斷，利用電網的電量經過整流調壓后輸送給退役儲能電池;當太陽能電源可用時，為節約使用成本，利用太陽能向退役儲能電池充電。

（3）當電網處于用電低谷期，系統處于退役儲能電池電量充足，無電動汽車充電時，控制器識別此狀態，控制繼電器K1、K2、K4斷開，系統此時處于待機狀態;

（4）當電網處于用電高峰期，系統處于退役儲能電池電量充足，無電動汽車充電時，控制器識別此狀態，控制繼電器K1、K2、K4斷開，系統此時處于待機狀態;

（5）當電網處于用電低谷期，系統處于退役儲能電池電量較低，有電動汽車充電時，控制器識別此狀態，控制繼電器K2斷開，K1、K4閉合，此時電網與太陽能電池產生的電量經整流調壓后，由DC/DC1調壓完成后將電量輸送給電動車充電接口，向電動汽車供電;若太陽能電源不可用，單獨采用電網電量向退役儲能電池充電;

（6）當電網處于用電高峰期，系統處于退役儲能電池電量較低，有電動汽車充電時，控制器識別此狀態，控制繼電器K2斷開，K1、K4閉合，此時電網與太陽能電池產生的電量經整流調壓后，由DC/DC1調壓后供入充電接口，向電動汽車充電;若太陽能電池不可用，單獨使用電網電量向退役儲能電池充電;

（7）當電網處于用電低谷期，系統處于退役儲能電池電量較高，有電動汽車充電時，控制器識別此狀態，控制繼電器K1、K2斷開，K4閉合，此時電網中的電量經過整流，太陽能電池中的電量經過調壓，由DC/DC1調壓后供入充電接口，向電動汽車充電;

（16）

在公式16中，Ud為IGBT穩態下能承受的電壓值，α為設計過程中流出的安全余量值。

公式17為變壓器輸出一側的電流值計算公式，只適用于AC/DC;公式18為關斷時候的峰值電壓計算公式。

（17）

在公式17中，I1為需要計算的變壓器一側的電流值;N為變壓器的匝數比，I2為變壓器輸入一側的電流值。

（18）

在公式18中，Umax為IGBT關斷時候的電壓峰值;Ud為IGBT穩態下能承受的電壓值;α為設計過程中流出的安全余量系數;Up為，DC/DC1，DC/DC2和AC/DC中各自與IGBT搭配的電感帶來的電壓峰值。

公式19為IGBT上額定電流計算公式。

（19）

其中，Ii為裝置需求IGBT的額定電流值，Ie為IGBT承受的電流平均值，其對于AC/DC中的IGBT中，該值等于I1，對于DC/DC1，DC/DC2，該值分別等于裝置最低輸入電流值和太陽能電源的輸出電流值;1.5為電流的過載系數，1.23為電路中的電流通過IGBT的集電極時的電流縮小系數。

本文采用是代號為MBM600GS6CW，耐壓程度為600V的IGBT。

通過對多輸入充電裝置中主要電路元器件的參數計算，為下一章完成該裝置的仿真以及實驗打下了基礎。

3 多輸出充電裝置的實驗

上一章主要介紹了多輸入充電裝置中主要電路元器件參數計算，本節基于D&V公司的EPT-150實驗臺架對多輸入充電裝置中的DC/DC1進行試驗，主要原因是在多輸入充電裝置中，DC/DC1直接連接整個裝置的輸出端，其功能是否正常將直接影響整個裝置的運行。

D&V公司生產的 EPT-150臺架是專為純電動和混合動力系統的電機和驅動器而設計制造的，其內置完全可編程的電池仿真器，完全可以滿足本次實驗的條件。圖7為實驗臺架的照片。

試驗通過分析DC/DC1輸入端電壓為140V，160V，200V時分別測試其輸出電壓，輸出電流以及效率，利用三者的對應關系找出裝置最佳的工作點。圖8，9，10分別為輸入電壓為140V，160V，200V的輸出電流，電壓以及效率的MAP圖。

結合三種輸入電壓條件下的MAP圖分析，在輸入電壓一定時，增加升壓比會導致多輸入充電裝置的效率下降，總而言之，DC/DC1的效率會隨著其輸出功率的升高而下降，但考慮其應用環境，多輸入充電裝置需保證電動汽車用戶的充電體驗，所以該裝置不能為了提高效率而降低其輸出功率，所以為了盡可能的提高裝置的效率，需要盡量使DC/DC1的輸入端電流平穩。

但是考慮在實際運行條件下，DC/DC1輸入端會存在電流波動的可能，同時DC/DC1輸入端電流的提升會導致電流紋波的增加，過大的電流紋波值會對電路中的元器件造成沖擊，影響裝置使用壽命甚至帶來危險，為避免輸入電流增大帶來的電流紋波問題，在DC/DC1的輸入端加入的濾波電感可以解決此問題。圖11和圖12是有無濾波電感時的輸入電流對比圖。

從圖中可以明顯看到，在加入了濾波電感后，該裝置的輸入電流明顯更為穩定，在圖11中，輸入電流的振動幅值為28A，電流紋波為33.3%，在圖12中，輸入電流紋波電流振動較小，電流振動的幅值為0.7A，紋波值為0.83%，屬于裝置輸入端電路元器件可承受范圍內。

4 總結

文章以增加退役電池梯次利用率為目的，提出一種基于退以電池儲能的多輸入電動汽車充電裝置，基于其技術要求和功能模式完成了該裝置的電路選型，并結合實際的臺架實驗對該裝置的可行性進行了有效驗證。結果表明，將退役電池梯次利用于電池儲能裝置，結合電網和太陽能發電裝置的多輸入電動汽車充電裝置在技術上具有可行性，該方案為電動汽車動力電池退役后的處理問題提供了一種解決思路，提高了退役電池的利用率。

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