基于风光互补综合供电的电动汽车充电站

陈滋健

（合肥华耀电子工业有限公司，安徽 合肥 230088）

引言

当今世界，低碳经济已融入整个社会的主流意识。在此背景下，电动汽车展现出了广阔的前景。充电配套设施是电动汽车产业赖以发展的基础。不论是充电式混合动力汽车还是纯电动汽车,都离不开充电站的支持。直接利用现有电网服务于新能源电动汽车充电存在一定发展瓶颈。例如，快速充电和电网容量的矛盾、用电离散化问题、大量充电机对电网的谐波污染问题、电网能量储存与调配问题，因此发展新型的绿色能源综合供电方案显得尤为迫切。

太阳能和风能是两种重要的可再生资源。但由于受季节更替和天气变化的影响，它们都属于不连续能源，而风光互补储能电站则充分利用了两种能源的互补性，能够把分布不均或断断续续的太阳电和风电储存下来，让清洁的“绿电”随着用电的实际需求适时、适量地输出。

本文论证并设计了集太阳能光伏发电、风能利用、电池储能技术、高效DC-DC变换、电动车充电等多种新能源应用为一体综合电源供电电动汽车充电站，探索真正的新能源汽车能量供给解决方法。

1 电动汽车锂离子动力电池的充电需求

锂离子动力电池具有能量密度和体积密度高、工作电压高、无记忆效应、自放电低又无环境污染问题的优点，是电动汽车的理想动力源，完全能够满足电动汽车的要求。

锂离子动力电池的物理模型如图1（a）所示。CE用于描述电池容量和电池的开路电压（OCV），开路电压OCV与电池的荷电状态（SOC）相关。用R0表示电池的等效欧姆内阻，用时间常数较小的R1C1描述锂离子在电极间传输受到的阻抗，用时间常数较大的R2C2描述锂离子在电极材料中扩散时受到的阻抗。

图1（b)表明了锂离子动力电池的充电曲线。其中，a时段为恒流阶段，b时段属于恒压阶段，c时段属于涓流阶段。在恒流阶段，充电电流为n×C，其中n为充电系数，C为电池容量。n越大，则充电速度越快。

电动汽车充电速度太慢不利于电动汽车发展，对外营业的充电站必须具备快充功能，时间15～20 min应能充80%以上。锂离子动力电池的最大允许充电电流比相同容量的铅酸电池大，因此能够实现较快速的充电，目前一般的锂离子动力电池可以实现1～2 C充电，新型快速充电锂电池可达10 C。而传统铅酸电池的推荐值是0.14 C。但是由于锂电池组是一个复杂的系统，其最大允许充电电流与电池容量Q、温度T、电池的荷电状态SOC、电池的老化程度SOH以及电池的一致性EQ均有重要关系，且表现出较强的非线性，锂电池组的最大允许充电电流Imax为：

由于锂离子动力电池的过充电能力较弱，不能像铅酸电池一样通过充电后期的涓流充电实现均衡，所以即便在电池出厂时进行了严格的筛选，使用一段时间后，单体电池之间的容量依然会出现差异，这样在充电过程中势必出现部分电池先充满电的现象发生。因此必须采用协调配合的充电模式，即充电机与电池管理系统(BMS)协同工作。BMS是对电池的性能和状态了解最为全面的设备,它能使充电机实时地了解电池的信息，从而有效地解决部分电池的过充电问题。

电动汽车是新能源汽车，为其动力电池充电的最终能源供给应当是清洁绿色能源。如果只用传统的电网供电方式，快充时电流很大，巨大的充电电流对电网安全也形成极大的威胁，未来电动车普及以后对整个电网是灾难性的。电动汽车的目的是为了节能减排，传统电网的电力大部分来自火力发电，这样只是适当改善了城市空气质量，但对于整个地球生态来说，节能减排贡献也不大，因此采用新型能为电动汽车充电是一个重要的研究与发展课题。

总之，电动汽车对充电设施的要求主要体现在快速化、智能化、低碳化。基于风光互补综合供电的电动汽车充电站很好地满足了电动汽车动力电池的充电要求，具有良好的发展前景。

2 充电站硬件组成和软件平台

2.1 硬件组成

整个充电站系统主要由光伏电池阵列、风机、风光互补控制器、储能蓄电池、非隔离型离网逆变器、快速充电通道组成，如图2所示。

光伏电池阵列和风机通过模式转换器接至风光互补控制器，将太阳能或风能高效地转为储能蓄电池的化学能，由于光伏电池板和风力发电机输出的能量都是随着外部条件变化而变化的，因此两种能源的提供都需要设置最大功率点跟踪功能（MPPT）。为使系统性得到提高，满足电动汽车快速充电需求，储能蓄电池也采用锂离子动力电池。用于充电的能量转换环节采用非隔离型式，因储能电池的电压选用较高的电压值，本文所述系统为DC288 V。

储能电池是直流形式输出电能，可以通过两种途径为电动汽车充电。一种是离网逆变器配合车载充电机模式，另一种是DC/DC快速充电通道模式。

离网逆变器主要适用于小型汽车的车载充电，为其提供交流形式的电力。由于小型电动汽车的车载充电机一般是基于高频开关电源的AC/DC变换器，前级多为二极管全桥整流的形式，离网逆变器可采用修正正弦波型。即可提高充电站的性价比，也能省却车载充电机中的PFC电路。修正正弦波如图3所示，它容易整流形成平稳的直流输出，对于高频开关电源类负载非常适用，因为此类电源最终需要的是平稳的直流母线电压而不是正弦交流电压。

图3 修正正弦波逆变器输出波形

DC/DC快速充电通道模式是本文所述充电站的亮点。该模式适用于电动大巴和电动小汽车的快速充电，其关键部件是高频高效软开关的能量双向流动DC/DC变换器。该变换器采用ZVS-CV软开关拓扑结构，如图4所示。

图4 ZVS-CV软开关DC/DC变换器

只要满足每个开关周期谐振电感能量能够抽走开关并联谐振电容的能量，即可实现零电压开关：

变换器采用可变电流滞环控制方法,确保不同电压电流情况下每一个开关周期谐振电感都有最小储能电流Imin，以实现全程软开关[3]，大大提高电能转换效率。

由于本文所述的变换器具备能量双向流动的功能，因此可以电动汽车的能量返回给储能电站，实现能量的回馈[4]。更为重要的是，双向的能量流动为正负脉冲快速充电提供了条件。对于任何放电深度，一个电池的充电接受比与放电电流的对数成正比，可以通过提高放电电流来增大充电接受比[5]。如图5所示，经过T1时段的正向电流充电后，再经过T3时段的放电，会有利于去极化，进一步加快充电速度。在传统电网供电模式中，放电脉冲一般依靠电阻泄放，大大降低了能量转换效率，若采用交流电能回馈的方式，则会系统过于复杂。

图5 双脉冲快速充电波形

2.2 软件平台

充电站的软平台由底层数据管理和应用层信息管理组成。系统具体软件构成主要包括数据采集、气象参数计算、数查存储与查询、报表输出等部分。在VB平台下开发可视化人机界面，使用MSComm控制实现通讯功能，结合Access数据库实现数据采集与管理。

车载BMS和充电站之间通过CAN总线实现数据的交换。DC/AC和DC/DC变换器均和监控PC相连，实现充电过程的监控和起停控制等。充电过程被PC机记录,并进行数据库管理，监控PC机与打印机连接，实现统计报表的打印。

应用层软件建设主要包括充电计费系统管理平台、充电计费系统运营平台、充电计费系统查询平台，分别对系统涉及到的基础数据进行集中式管理、电动汽车的充放电及购电用户的充值进行运营管理，以及对它们产生的相关数据进行综合查询。

3 系统验证

本文论述的充电站系统最大发电功率为30 kWp，其中光伏组件采用120块多晶硅电池板构成，每块功率240 Wp。充电站每年可发电近4万kWh。使用江淮同悦纯电动汽车进行充电测试，充电8 h即能实现完全的车载充电过程。另外，同过DC/DC直接进行快充，充电时间减为3.5 h，节省了能源和时间。

4 结束语

基于风光互补综合供电的充电站解决方案是新能源汽车发展的重要子课题，有效地解决了传统电网供电模式和电动汽车充电要求的矛盾。本文系统地提出了风光互补的新型充电模式，对电能的产生、存储、变换和信息处理各个环节都进行了详细阐述和论证。优良的测试性能表明，基于风光互补综合供电的充电站具有良好的发展前景。

[1]刘均,动力电池管理系统与实现 [D].哈尔滨工业大学,2004.

[2]文峰,等.电动汽车用锂离子电池组充电方法[J].汽车工程,2008(9):792-795.

[3]陈滋健,等.强磁场电源软开关DC-DC变换器的研究[J].电力电子技术,2008(2):16-18.

[4]Ned Mohan.Power Electronics Converters Applications and Design.Beijing High Education Press 2003.

[5]戴海峰,等.利用双卡尔曼滤波算法估计电动汽车用锂离子动力电池的内部状态[J].机械工程学报,2009,45(6):95-101.