基于风光互补的电动汽车充电系统设计

摘  要：随着风光互补发电的的普及及电动汽车行业的迅速发展，探讨利用风光互补发电技术为电动汽车充电，在介绍风光互补电动汽车供电电系统主体结构的基础上，对风力发电机、光伏电池、蓄电池、电动汽车动力电池等各个组成部分进行选型，为后续智能充电系统的研究分析奠定基础。

关键词：风光互补;电动汽车;智能充电

汽车的广泛使用方便了人们的出行，然而随着石油能源的过度开采，汽车的传统燃料面临枯竭，而且排放的尾气也造成空气的严重污染。这使电动汽车成为人们关注的热点，它气体排放少，污染小，噪声低，能效高。但电池的成本高，续航能力弱等缺点却影响了它的大范围使用。为更好的将风光互补充电技术与电动汽车相结合，在介绍风光互补电动汽车充电系统主体结构的基础上，对各个组成部分进行选型，为后续的智能充电系统的研究分析奠定基础。

1 风光互补电动汽车充电系统的结构

风光互补电动汽车供电系统的结构（如图1）由风力发电机、太阳能电池板、AC/DC整流电路、降压斩波电路、控制模块、蓄电池和车载动力电池组成。在整个系统中，太阳能电池板和风力发电机产生电能;AC/DC和降压DC/DC变换器主要实现电能变换;蓄电池不仅储存电能，还能调节电能及平衡负载;负载部分为车载动力电池;控制模块由PWM产生模块和内部控制算法等构成，主要是对风力发电机、光伏电池的电流和电压进行控制，不仅能保证蓄电池平稳、快速、高效的充电，避免出现过放、过充等情况，而且还能延长蓄电池的寿命。

2 风光互补电动汽车充电系统设计

（1）风力发电机的选型

风力发电机是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成，叶片用来接受风力并通过机头转为电能，尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能，转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能，机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。按照风机转轴的方向分水平轴和垂直轴两种，本设计采用水平轴风力发电机。参数如表1所示。

在某个风速，风机的输出功率是跟随转速变化的，总有一个最佳转速，此时风机输出最大功率。风力发电机的输出功率为：

式中， 为风轮扫过面积风的功率; 为风能利用系数，它随风速变化;A为风扫过叶片的垂直截面积;D为风轮直径; 是空气密度; 是风速大小。

（2）太阳能电池的选型

太阳能电池是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件，是一种非线性直流电源。输出电压在大部分电压范围内稳定，电压超过一定值，电流迅速降为零，在一定的电池温度和光照强度下，必然存在最大功率点，日照强度对太阳能电池的影响较大，选用合适的控制策略来捕捉太阳能电池的最大功率点以提高输出功率。太阳能电池选型如表2所示。

风力发电机输出电压经三相整流后，输出电压平均值为561.6V～588V，要与光伏电池输出端并联，必须要和输出电压相匹配，选用16块光伏电池单体串联的方式，输出电压达到：16*36V=576V，为提供足够大的功率，选取16串联8并联的结构，使最大功率达到33.28KW。

（3）蓄电池的选型

所用蓄电池为铅酸蓄电池，主要参数如表3。

（4）电动汽车动力电池的选型

电动汽车动力电池常见的有铅酸电池、镍铬电池和锂电池等类型，具体参数如表4。

目前对锂离子电池的研究较为成熟，并且能量高，续航能力强，因此绝大多数电动汽车采用锂离子电池作为动力电池。

与其它电池相比，锂电池的优点如下：

提升电量，增加汽车续航里程;提升充电倍率，缩短充电时间;低温性能好，在低温环境下电动汽车能正常驾驶，简化设计并能降低成本;电芯组合封装，便于管理，制造过程自动化程度高。

锂电池单体电压为3.6V，需要上千个电池单体串并联形成电池组为汽车提供动力。

（5）车载动力电池的充电控制策略

车载动力电池目前主要以锂电池组的形式出现，目前锂电池的充电策略主要有：（1）阶段充电法：恒流恒压充电法应用较广泛，它又分为二阶段式和三阶段式。（2）脉冲充电：周期性的脉冲对电池进行充電。（3）间歇充电（4）智能充电：即将智能控制技术应用到电池的智能控制技术中。它能通过智能整定参数使充电曲线进一步趋近最佳充电曲线。但由于智能控制技术较难实现，更多的研究将粒子群算法和模糊控制技术应用到电池充电控制技术中去，以提高充电过程中的各项指标。

3 结论

本文将风光互补充电技术与电动汽车相结合，在介绍风光互补电动汽车供电系统主体结构的基础上，对风力发电机、太阳能电池、蓄电池、电动汽车动力电池等各个组成部分进行选型，为后续智能充电系统的研究奠定基础。

参考文献

[1]  林玉婷.新能源电动汽车充电技术的研究[D].成都：西华大学，2019.

[2]  王升鸿，丁成功. 一种风光互补型电动汽车充电桩[J]，电子质量，2019年第05期：30-34.

[3]  葛笑寒.基于风光互补发电系统的充电桩设计与仿真[J].湖南职业技术学院学报，2019年第2：66-69.

[4]  申曜荣.电动汽车智能充电系统的分析与设计[D].长沙：湖南大学，2017.

基金项目：滁州职业技术学院科研重点项目（YJZ-2018-20）：基于风光互补的电动汽车智能充电系统设计;滁州职业技术学院骨干教师（YG2019005）：优秀骨干教师—变流技术。

作者简介：孙素军（1979-02），女，河南省汝州人，硕士，滁州职业技术学院电气工程学院讲师，研究方向：电气自动化及新能源。