光伏储能式电动汽车直流充电桩的研究与设计

李洁 赵峥

摘要：指出了电动汽车的出现深受人们的喜爱，也为环保和节能做出了贡献，但电动汽车充电不方便的问题也十分常见。用于光伏储能式电动汽车的直流充电桩的出现可以很好的解决这个问题。基于此，介绍了光伏储能式电动汽车直流充电桩的背景和发展现状，分析了常规充电和快速充电的方法，然后，详细探讨了光伏储能电动汽车直流充电桩理论研究中光伏电池的工作原理和特点，光伏电池的特性，以及光伏储能式电动汽车直流充电桩的设计。

关键词：光伏储能式电动汽车;直流充电桩;设计

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0192-02

1引言

车辆的主要燃料来源是传统的化石能源，化石能源的使用会产生大量温室气体二氧化碳，威胁到全球生态。因此，电动汽车具有环保、高效的优点，已成为现代汽车工业的重要发展方向。虽然电动汽车能够有效缓解环境污染，但受电池容量和充电困难的影响，为电动汽车的发展和推广产生了巨大的影响，所以对光伏储能式电动汽车直流充电桩进行研究与设计有着重要的意义。

2光伏储能式电动汽车直流充电桩概述

2.1光伏储能式电动汽车直流充电桩背景及发展现状

目前，城市有越来越多的车辆，在行驶过程中产生大量废气，对环境造成很大危害。在这一背景下，加上近几年蓄电池技术的发展，电动汽车已经逐渐引起人们的注意。电动汽车的使用仍然存在着很多问题，例如续航里程太短、充电时间过长、电耗较大等限制，目前电动汽车充电站数量有限，给用户带来很大的不便，这一问题已经引起人们的重视。所以，建立光伏储能式电动汽车直流充电桩很有必要。

2.2光伏储能式电动汽车直流充电桩充电方法

目前，光伏储能电动车的直流充电桩有两种主要的充电方式：常规充电和快速充电，一些停车场里面既有交流充电桩也有直流充电桩，这些直流充电桩主要用在快速充电。

（1）常规充电采用传统的恒压、恒流充电方式为电动汽车充电。使用非常低的充电电流为电池充电，电流大小约为15A。该充电模式广泛用于家用充电设备（车辆充电器）和电动车辆的小型充电站。

（2）快速充电可称为快速充电和紧急充电，其目的是使电动汽车的充电时间在短时间内接近燃料汽车的充电时间。这种充电模式通常用于大型充电站。大型充电站的快速充电模式主要是为需要快速补充电能的情况充电。充电机功率一般都大于30kw，380v由三相四线制供电。快速充电对电池寿命有一定的影响，特别是普通电池无法快速充电，因为它不能在短时间内接受大量电量，这会使蓄电池过热。由于功率和电流的额定值非常高，这种充电模式对电网有更高的要求。

3光伏储能式电动汽车直流充电桩理论研究

3.1光伏电池的工作原理

在光伏发电系统中，光伏电源是光伏阵列，其由光伏模块根据一定的功率水平串联和并联组成。光伏效应是光伏电池的基本发电原理。结果表明：太阳光照射物体，改变电荷的内部分布并产生电动势，并在负载终止时产生电流。光伏电池是没有偏置PN结的器件。在太阳辐射下，光子在电池半导体的P型和N型区域中产生电子和空穴对，以改变电荷状态，然后产生电动势。

3.2光伏电池的等效特性与分析

太阳能电池等效电路图如图1所示，其中Iph为光伏电池发生光电效应产生的电流，Id为流过半导体二极管的电流，RS为内部等效串联电阻，Rsh为等效旁路电阻，Ipv为光伏电池输出时的负载电流，Upv为光伏电池输出端电压。

4光伏储能式电动汽车直流充电桩的设计原理

用于光伏储能式电动汽车的直流充电桩的结构包括太阳能电池阵列、混合储能装置、直流母线和电动汽车充电桩。电力电子结构包括太阳能电池阵列与直流母线之间的接口、组合储能装置与直流母线之间的接口，以及直流母线与电动汽车充电桩之间的接口。第一部分是太阳能电池阵列、电动直流充电桩和混合储能装置;第二部分是太阳能电池阵列、电动汽车直流充电桩、混合储能装置和直流母线之间的电力电子结构，包括：①太阳能电池阵列与电力电子结构之间的最大功率跟踪DC/DC转换器;②混合储能装置和直流母线的电力电子结构中的双向Buck-Boost直流变换器;③电动汽车充电桩与直流母线之间的电力电子结构中的DC/DC变换器充电。

5光伏储能式电动汽车直流充电桩的硬件软件设计

5.1硬件设计

光电伏储能式电动汽车直流充电桩有许多构件组成，常见的有PLC控制器、触摸屏、IC卡读写器、电能表、打印模块等。在充电DC/DC输出直流600V稳定定压时，采用PLC对整个充电过程进行控制，整个充电控制电路中包括：接触器、电能表、充电强制闭合按钮、触摸屏、Nand Flash、数据采集、打印机和故障报警。600V稳定直流电通过接触器连接电能表，之后进入充电接口，与电池组连接。接触器的通断由PLC控制，也可以由外置充电强制闭合按钮控制。电能表直接对充电所耗的电能传人PLC中，进行费用的结算。触摸屏与PLC进行连接，实现人机交互，显示实时充电信息和充电状态。Nand Flash为充电桩的存储器，用于存储充电信息，方便日后查询。数据采集将电池的端电压、充电电流、充电过程中温度信号进行采集并传入到PLC中，使充电过程能够安全进行。打印机是在用户需要时打印充电消费信息。故障报警是当充电过程中出现异常情况发出报警信号，断开电源，来保证充电设备和人身安全。

5.2软件设计

软件部分的设计是光伏储能式电动汽车直流充电桩的灵魂，是整个工作的核心。其主要功能是实现触摸屏、直流电能表和微型打印机的通信控制，以及充电桩的自检功能。

在控制系统软件设计中，程序设计分为以下两个部分：PLC控制器程序和触摸屏程序。触摸屏程序可以实现触摸屏配置和相关的通信参数配置。PLC控制器与不同硬件模块之间的通信是必要的，因此PLC控制器的程序应分为几个主控制系统主程序、IC卡读写程序、电能表读取程序等。主程序协调软件子程序根據要求，满足整个光伏储能式电动汽车直流充电桩的不同要求，如查询、充电等。

6结语

光伏储能式电动汽车直流充电桩控是一个整体结构比较复杂，本文只是进行初步的研究，仍然存在很多不足，还有许多问题需要进一步分析研究：如何优化光伏储能式电动汽车直流充电桩的软硬件设计，提高系统性能;如何来好好地利用光伏储能式电动汽车直流充电桩建立需要与当地光照情况、环境温度情况，并以此来提高光伏的利用效率;如何提高混合电池储能系统组效率，充电桩的数目应该如何优化。