基于感应电能传输技术的光伏充电站的建模与仿真研究

迪姆科·米什科夫斯基 / 谢尔登·威廉姆森

摘 要 环境问题的日益凸显和油价的持续上涨，使电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)得以发展并逐步商业化，并将很快助力相关配套设备的上市。这其中，电动汽车充电站可能会是整条运输系统更换链中最重要的一环。作为一种非接触式电能传输的装置，电动汽车光伏公共充电站将会被设置在大型购物中心的停车场、旅游景区、体育场、机场等。与公路上的大功率充电站不同，这种类型的光伏充电站将只提供电动汽车储能系统(ESS)的部分能量。比如，在1～2h内，只提供电动汽车电池容量的30%左右。它配备的储能系统由锂离子电池串并联组成，依赖光伏系统和一个网格接口来进行储能。当它给电动汽车充电时，其通过由谐振转换器和空心变压器(ACT)组成的感应电能传输(IPT)系统来进行操作，这可能是电动汽车最方便的充电方式了，IPT系统的无绳操作最大可能地保障了充电期间的安全性。有线充电因为可能出现的火花和电插头的机械损坏等问题正在被逐步淘汰。然而，若要将IPT设计为一种高效系统，还必须要考虑几个重要问题，包括大的空气间隙、良好的偏差耐受性、安全的电磁辐射度、系统的精巧性。这是设计电动汽车充电站的基本(通用)方法。根据预定参数，系统元件的评估将通过其布局设计和仿真实验来证实，在标准开发条件下，这些系统元件将是决定系统效率和成本的根源。

基于感应电能传输技术的光伏充电站的建模与仿真研究

迪姆科·米什科夫斯基 / 谢尔登·威廉姆森

摘 要 环境问题的日益凸显和油价的持续上涨，使电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)得以发展并逐步商业化，并将很快助力相关配套设备的上市。这其中，电动汽车充电站可能会是整条运输系统更换链中最重要的一环。作为一种非接触式电能传输的装置，电动汽车光伏公共充电站将会被设置在大型购物中心的停车场、旅游景区、体育场、机场等。与公路上的大功率充电站不同，这种类型的光伏充电站将只提供电动汽车储能系统(ESS)的部分能量。比如，在1～2h内，只提供电动汽车电池容量的30%左右。它配备的储能系统由锂离子电池串并联组成，依赖光伏系统和一个网格接口来进行储能。当它给电动汽车充电时，其通过由谐振转换器和空心变压器(ACT)组成的感应电能传输(IPT)系统来进行操作，这可能是电动汽车最方便的充电方式了，IPT系统的无绳操作最大可能地保障了充电期间的安全性。有线充电因为可能出现的火花和电插头的机械损坏等问题正在被逐步淘汰。然而，若要将IPT设计为一种高效系统，还必须要考虑几个重要问题，包括大的空气间隙、良好的偏差耐受性、安全的电磁辐射度、系统的精巧性。这是设计电动汽车充电站的基本(通用)方法。根据预定参数，系统元件的评估将通过其布局设计和仿真实验来证实，在标准开发条件下，这些系统元件将是决定系统效率和成本的根源。

光伏充电站 电动汽车 感应电能传输

1 引言

电动汽车光伏公共充电站的通用设计方法一般遵循如图1所示的几个步骤。整个流程将提供系统元件(和特定的电力电路)的精准概述以及根据(在电力传输过程中利用太阳能和电网)设定的输入参数和近似成本分析得到的完善体系。

利用三维工程设计软件Pro/Engineer对系统进行布局设计，并考虑空心机械装置的设计。此外，系统硬件(包括太阳能电池板、电池)、电动汽车的尺寸等将被划入充电站的构造设计中。

充电站的储能系统基于戴维南等效电路进行建模，选用结合MPPT(最大功率点跟踪)功能的爬山算法，将蓄电池等效电路通过基于PSIM软件的光伏矩阵MPPT控制器进行充电仿真。

图1 电动汽车光伏公共充电站

从仿真结果看，该储能系统的电力传输和系统的效率分析是同步进行的。这里电网接口被设计为一个三相交流变换器，在DC链路电压下，将被用于充电站储能系统的备用电源。

IPT系统也将基于PSIM软件进行建模和仿真，其组成包括直流并联谐振DC/AC转换器、空心变压器(系统最重要组成部分)。前者的电压和电流特定，将为后者提供高频信号；而在后者的建模中，其机械参数(包括矩形线圈、其在EV中的最大可用空间、初级线圈与次级线圈之间的距离等)要进行初始化，空心会被设计为等效电路，同时考虑到变压器的补偿，其中所有空心参数都是由C#语言编写的程序在Windows系统下执行计算得到的。

在IPT系统的仿真实验中，整个系统的操作起于充电站的储能系统、止在电动汽车电池组，其中每个部分的功率都会被自动收集并用于系统的效率分析。一旦所有的电力电子电路都配备好硬件开关装置，系统的效率也将随之确定。又由于空心变压器的初级线圈和次级线圈的偏差会在一定程度上影响其等效电路参数以及系统的电力传输和效率分析，所以针对这类偏差，会额外进行分析仿真。将该情况下确定的效率与理想无偏差情况下的既定效率进行比较分析，进而确定总系统的效率，并与标准充电系统(充电100%)的效率进行比较，以方便进行节约成本的分析。

2 系统基本组成和布局

由于电动汽车光伏充电站的精准设计是以确定好系统最重要的输入参数为前提的。因此，充电站ESS(电子开关系统)容量、光伏系统和电网接口的供给电能将被计算。

考虑到电动汽车的发展潜力，本文将未来紧凑型车辆的ESS容量近似为30kW·h，该值被众多专家认为是充电站最优的ESS容量。如果假设充电站每日工作9h，且每小时的充电量为EV ESS容量的1/3，那么，充电站每日将需要得到90 kW·h左右的电能。相较于电网供给，确实不如最大化地利用太阳能发电进行供能。

为了确定系统布局和必要的仿真实验，需要选择特定类型的汽车电池和太阳能电池板。因此本文中选用科士达HiPower HP-50160282(3.2V/100Ah)UPS电源及锂电池(LiFePO4)模型，以及夏普NU-U235F3(235W/ 994×1 640mm)太阳能电池板。

根据电池的规格，可以计算出用于支撑EV和ESS的电池数量。设定直流母线电压为300V，则：

Vbat=94×3.2V=300.8V

式中，Nser是实现直流电压的串联HP-50160282电池的数量。那么蓄电池的容量为：

Eser=100Ah×300.8V=30 080W·h≈30kW·h

因此，94个HP-50160282电池串联将能满足30kW·hESS容量的EV。而根据前文中的计算数据，对于充电站的90kW·h的ESS容量来说，将对应的需要3组分别由94个电池板组成的元件。这里尤其要注意的是，根据HP-50160282电池的规格，其充电上限电压Vchmax和放电终止电压Vdischmin为：

Vchmax=3.85V×94=361.9V

Vdischmin=2V×94=188V

对于电动汽车和充电站而言，这些值在进行充电节能控制设计时是非常重要的。

如果根据太阳能电池板夏普NU-U235F3的规格尺寸和EV的最大尺寸(l×w×h=5m×1.8m×1.5m)来计算的话，能够得到停车场屋顶上需要铺设的太阳能电池板的数量以及充电站设备(ESS和相关控制器)的数量。因此，在这个特定区域内，可以将12块电池板铺设成4行3列的光伏矩阵，每列的电池板串联，再3列并联，则将得到光伏系统参数：

Vpvmax=4×30.1V=120.4V

Ipvmax=3×7.81A=23.43A

Vpvoc=4×37V=148V

Ipvsc=3×8.5A=25.5A

充电站的MPPT控制器将能提供足以满足蓄热太阳能的最大功率工作点和为充电站ESS充电的必要输出电压。本文中选用的太阳能电池板夏普NU-U235F3在太阳能热辐射功率为1kW/m2时能产生的最大功率为235W。因此，在特定的太阳能热辐射功率下，该光伏系统的最大功率为Ppvmax=12×235W=2 820W，而该光伏系统的实验地点蒙特利尔市每天可以提供的平均太阳能为：

24h×12panels=9 950Wh

由于文中设定充电站ESS容量为90kw·h，又考

虑到太阳能电池板不总是全面受辐射，所以，设定光伏系统只提供其10%的能量来为电动汽车充电。

在上文的设定中，一个标准的紧凑/中型的电动汽车尺寸为l×w×h=5m×1.8m×1.5m，并且是电动汽车充电站的一部分。光伏矩阵铺设于充电桩的顶部，其斜率的确定依据蒙特利尔市一年中最长日光(6月21日)中的实测数据，令该斜率正好垂直于太阳能电池板，以获得最佳的光伏系统效率。同时，提出采用ACT(主动控制技术)，令初级线圈安装于地、次级线圈距离EV0.2m，每个线圈的预留空间为0.8m×0.8m×0.05m(以后会详细说到)。此外，在系统的其他布局设计中，将ESS连同电池组安装在专用隔间(电气柜)，并安装光伏MPPT控制器和三相电源(电网接口)，使谐振转换器提供通信和高频信号，以及EV定位及充电计费设备(见图2)。

图2 电动车充电站规划图

岳文姣编译自2013 IEEE transportation electrification conference and expo: ITEC 2013，了解更多详细内容可登陆http://users.encs.concordia.ca/～peer/index.html。

Modeling and Simulation of a Pnotovoltaic (PV) based Inductive Power Transfer Electric Vehicle Public Chenging Station

Dimko Miskovski / Sheldon S. Williamson