基于場地電動車柔性分配功率充電機的研究與應用

摘 要：隨著場地電動車的廣泛應用，其充電需求日益增長，特別是對于內置電池多樣性的充電解決方案。針對這一問題，研究并設計了一種非車載低壓快速充電機，該充電機能夠智能地分配功率，以適應不同電動車的充電需求。首先詳細闡述了柔性功率分配的技術原理，以及優化功率分配算法。然后介紹了充電機硬件構成的幾個核心模塊，包括：主控制器、功率模塊（分為前級AC/DC和后級DC/DC）和功率分配單元。最后介紹了充電機的軟件業務實現邏輯，通過硬件和軟件的綜合設計，實現了充電過程的智能化和自動化。該研究的創新之處在于提出了一種新型的快速充電解決方案，通過柔性分配功率，達到減少充電時長，節能增效的目標。

關鍵詞：場地電動車 低壓充電機 功率柔性分配 功率模塊

1 引言

隨著全球對可持續交通解決方案的需求不斷增長，場地電動車因其環保無噪、低速安全、經濟便利等優點而被廣泛應用于旅游景點、園林小區、高爾夫球場、街道巡邏、清潔環衛、智能倉儲等各個領域。然而，電動車的廣泛普及受限于充電基礎設施的完善程度，尤其是快速充電技術的發展，這對于提升用戶體驗和推動場地電動車市場發展至關重要。

目前，場地電動車的充電方式主要有兩種：車載充電機和非車載專用低壓充電機。車載充電機通過電源線和市電相連即可充電，使用簡單方便，但存在成本較高、占用車輛空間、充電功率較小等缺點。非車載充電機則通過將市電交流電整流為低壓直流電為電池充電[1]，具有充電功率可定制、實現快速充電、不占用車輛空間等優點，但需要簡單培訓才能使用。

這兩種充電方式均為固定功率充電，存在最大功率受限和冗余功率無法利用的局限性。當電池快充滿時，充電功率會快速減小，若充電機為多臺電動車同時充電，會造成充電功率的浪費，尤其是功率較大的充電機。因此，固定功率充電由于缺乏靈活性，無法根據電池的實際充電狀態調整功率，導致充電效率不高，充電時間較長，增加了能耗和運營成本。

針對現有技術的局限性，本文提出了一種新型的快速充電解決方案——柔性功率分配的非車載低壓充電機。該技術的核心在于評估合適的最小顆粒度的充電功率模塊，將它們組合后，再依據各個車輛的充電狀態柔性分配功率，從而減少充電時長，節能增效。

2 柔性分配功率的技術原理

本方案的核心由三大模塊構成：主控模塊、功率分配模塊和電源模塊。電源模塊又分為兩級架構，前級是AC/DC整流電路，產生恒定的110V直流母線電壓，后級是由M個最小功率顆粒度的DC/DC模塊并聯而成。柔性分配功率的技術方案原理示意圖１所示。

場地電動車的快速充電過程，涉及復雜的數據交互和智能功率管理，以確保充電既快速又符合車輛的具體需求。以下是充電過程中的關鍵步驟：

2.1 數據交互與參數獲取

當充電機與電動車建立連接后，主控模塊通過工業總線與車輛的電池管理系統（BMS）進行數據交互。充電機獲取關于電池狀態的實時參數，包括充電需求電壓、充電需求電流等。這些參數對于確定充電策略和保障充電安全至關重要。

2.2 充電需求分析

根據從BMS獲取的充電需求電壓，充電機計算出各個DC/DC轉換模塊可以提供的最大充電電流值。不同電動車的充電電壓是可能存在差異的，例如48V或72V。

2.3 最優模塊組合計算

考慮到不同車輛的充電需求電流和DC/DC模塊的最大功率輸出，充電機將計算出最優的模塊組合方案。這一方案旨在在滿足充電電流需求的同時，最小化充電功率的浪費，從而提高充電效率。

2.4 充電過程的實時調整

一旦確定最優的模塊組合，充電機將對相應的功率分配模塊發送指令，開始對電動車進行充電。在充電過程中，主控模塊將持續監測充電需求的電壓和電流，并根據這些參數的實時變化，通過功率分配模塊來動態調整功率的分配。

2.5 冗余功率的柔性分配

在充電過程中，如果檢測到某些模塊的功率未被充分利用，充電機將智能地重新分配這些冗余功率，以滿足其他車輛的充電需求。這種柔性功率分配策略不僅提高了充電機的整體效率，也為充電場地的運營商帶來了經濟效益。

3 柔性分配功率的控制策略

3.1 功率分配的初步設定

參考圖1，首先，當場地電動車連接到充電機時，BMS會實時發送當前電池所需的充電電壓U和充電電流I至充電機。充電機的主控模塊接收到這些信息后，進行以下步驟：

（1）最大電流計算：主控模塊根據給定的電壓U，已知單個DC/DC模塊的最大功率條件下，可計算單個DC/DC模塊在該電壓下能夠輸出的最大電流Id_max。

（2）DC/DC模塊數量確定：通過公式（n-1）*Id_max<I<n*Id_max，計算出所需的最少DC/DC模塊數量n，以滿足電動車的充電需求。

（3）功率分配控制：一旦確定了所需的DC/DC模塊數量，主控模塊將控制功率分配模塊，閉合n個空閑DC/DC模塊的充電通路，以向電動車提供所需的電流。

（4）電流分配及控制指令：主控模塊進一步計算每個DC/DC模塊實際應輸出的電流Id_rt，滿足公式Id_rt=I/n。并向相關的n個模塊發出控制指令，確保電流的平均分配。

3.2 需求功率變化時的調整策略

隨著電動車電池接近充滿狀態，所需的充電電流會迅速下降，此時進入涓流充電階段以保護電池。充電機的主控模塊通過與車輛的BMS持續通信，實時監測到充電需求電流I′的變化。

（1）最優DC/DC模塊數量重新計算：根據新的充電需求電流I′，主控模塊利用公式 （m-1）*Id_max<I’<m*Id_max，重新計算最優的DC/DC模塊數量m（其中m<n），以適應當前的充電需求。

（2）DC/DC模塊冗余識別與釋放：通過比較當前的DC/DC模塊數量n與新的最優數量m，主控模塊識別出冗余的模塊數量（n-m），并決定釋放這些模塊，以便為其他電動車提供充電服務。

4 智能低壓充電機的硬件實現

本文基于上述功率柔性分配原理和策略，設計實現了雙槍和四槍充電機，分別能支持兩臺和四臺場地電動車同時快速充電。其中雙槍充電機柔性分配功率的電氣控制原理圖如圖２所示（四槍充電機同理）。

4.1 主控制器

主控制器，是基于GD32F105RBT6 在Keil V5開發環境上開發的。該MCU是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位通用微控制器，有128KB的Flash和64KB的SRAM，最高主頻達108MHZ[2]，確保了快速的指令執行和處理速度。具有2路CAN接口，支持CAN 2.0B協議，可以高速、可靠地分別與車輛的電池管理系統（BMS）以及充電機內部的功率模塊進行通信。還包含5路USART，可用于和顯示屏或后臺監控系統保持實時通訊，傳遞充電數據或設置用戶參數。

4.2 功率模塊前級AC/DC

功率模塊前級AC/DC的主要作用是將三相交流電轉換為穩定的直流母線電壓。在本設計中，目標是產生110V的直流母線電壓，為后級DC/DC轉換器提供穩定的電源支撐。這一步驟對于整個充電系統的穩定性和可靠性至關重要。

它采用三相維也納（Vienna）拓撲架構，通過提供三個電平的輸出電壓，從而減少了開關損耗和電磁干擾（EMI）。這種拓撲結構特別適合于三相輸入系統，能夠實現高效率和高功率密度的電力轉換[3]。

半導體開關器件的選擇至關重要。MOSFET因其快速開關特性、較低的導通電阻和良好的熱穩定性而被采用。

軟件控制采用電壓電流雙閉環PI控制，保證直流輸出母線電壓的持續穩定[4]。

4.3 功率模塊后級DC/DC

后級DC/DC采用三電平移相全橋拓撲電路，這種設計可以提供更平滑的輸出電壓波形，減少電壓紋波，從而提高整個系統的效率和性能[5]。

該DC/DC能夠實現0-100V的寬范圍輸出電壓調節，這種靈活性使得系統可以適應不同的負載需求和電池充電階段。

通過精確的控制策略和優化的電路設計，后級DC/DC轉換器能夠將輸出電壓紋波控制在很小的范圍內。這對于保護敏感電子設備和延長電池壽命至關重要。

4.4 功率分配單元

功率分配單元是柔性分配功率的充電系統中的一個關鍵組件，它負責根據充電需求和策略，動態地分配功率到各個DC/DC模塊。

該單元實際上是由多個并聯的繼電器組合模塊構成，每個繼電器對應控制一個DC/DC模塊的充電回路。它們負責在主控模塊的指令下，斷開或閉合DC/DC模塊的充電回路。這種控制方式允許系統根據實時的充電需求，靈活地調整參與工作的DC/DC模塊數量。

功率分配單元在設計時還需考慮電磁兼容性問題。繼電器的切換會產生瞬態電流，可能對系統的其他部分造成干擾。因此，需要采取適當的濾波和屏蔽措施，以滿足EMC標準[6]。

安全更是充電機設計的首要考慮。功率分配單元應具備過流、短路和過熱保護功能，以防止意外情況對系統造成損害。

5 充電機的軟件實現

5.1 啟動和自檢

在充電機初次上電時，系統自動進入自檢狀態。此階段的主要任務包括：

（1）內部故障檢測：系統執行一系列預定的故障檢測程序，以確保所有內部組件正常工作。

（2）模擬-數字轉換器（ADC）采樣：通過ADC對電壓和電流進行采樣，確保充電機的輸入信號準確無誤。

（3）按鍵輸入采集：收集用戶通過按鍵輸入的指令，以供后續處理。

（4）告警判斷與處理：對檢測到的任何異常情況進行判斷，并執行相應的告警處理機制。

在自檢狀態下，充電機不會響應任何與充電相關的控制命令，以確保安全和系統的可靠性。

5.2 待機與通訊握手

自檢完成后，充電機進入待機狀態，此時內部功率模塊保持關閉。若用戶通過按鍵下達啟動命令，充電機將與電池管理系統（BMS）進行通訊匹配。匹配成功后，若滿足啟動充電的條件，充電機將設置開關機控制狀態為開機狀態。此時，電壓和電流的設定值將根據BMS的給定值或人工設置進行配置。

5.3 充電過程

充電機啟動后，進入充電階段，分為以下幾個步驟：

（1）恒流充電階段：在這個階段，充電機的輸出電流嚴格遵循BMS設定的電流值，同時充電電壓與電池電壓保持一致。

（2）功率模塊最優分配判斷：當個別車輛接近充滿時，充電機會按照柔性分配功率策略，釋放冗余的功率模塊，同時分配給其他需求充電車輛。

（3）充電完成判斷：當電池電壓達到其最大可充電電壓值時，充電機判斷充電過程完成，并進入充電完成狀態。

5.4 運行監控與異常處理

在充電過程中，充電機持續進行監控，以確保充電安全和效率。監控內容包括：

（1）交流異常檢測：監測交流電源的穩定性，確保電源供應符合充電要求。

（2）直流輸出過欠壓保護：實時監測直流輸出電壓，防止電壓異常對電池造成損害。

（3）直流輸出過流和短路保護：實時監測直流輸出電流，防止電流異常對電池或充電機造成損害。

（4）過溫告警：通過溫度傳感器監控充電機的內部溫度，避免過熱導致的安全隱患。

若在運行過程中檢測到任何異常情況，充電機將立即進入告警狀態，并終止充電過程，以保護電池和充電設備的安全。

6 結語

本文針對場地電動車充電需求的多樣性和快速增長，提出了一種基于柔性功率分配的非車載低壓快速充電機。通過綜合設計，本研究實現了對多臺車輛同時充電過程中，根據車輛實時所需的充電功率大小變化，動態地調整功率分配，從而顯著提高了整個系統的充電效率。同時，本充電機的設計充分考慮了充電過程的穩定性和安全性，確保了充電操作的可靠性。

柔性功率分配策略的應用，使得充電機能夠適應不同場地電動車的充電需求，實現了資源的最優配置。與傳統的固定功率充電方式相比，本充電機展現出更高的靈活性和效率，減少了因功率不匹配導致的能源浪費，降低了運營成本，提高了經濟效益。

本研究為場地電動車的充電問題提供了一種創新的解決方案，有望推動場地電動車充電技術的發展，為實現更加綠色、高效、智能的充電服務做出貢獻。

參考文獻：

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