基于风光互补发电系统的电动汽车充电桩

郑伟

摘 要：开发和采用新能源将有助于建立适当的充电设施。本文分析了新能源传统充电模式的需求和瓶颈，提出基于风电互补性电动汽车充电桩解决方案，探讨系统的硬件结构和软件平台，数据表明，新型汽车绿色能源系统，解决了快速充电、独立供电、节能减排等技术难关。

关键词：新能源 电动汽车 充电站 风光互补

Electric Vehicle Charging Pile based on Wind-solar Hybrid Power Generation System

Zheng Wei

Abstract：The development and adoption of new energy sources will help establish appropriate charging facilities. This paper analyzes the needs and bottlenecks of traditional charging modes of new energy， proposes a charging pile solution for electric vehicles based on wind power complementarity， discusses the hardware structure and software platform of the system， and shows that the new automotive green energy system solves the technical difficulties such as fast charging， independent power supply， energy conservation and emission reduction.

Key words：new energy， electric vehicles， charging stations， wind and solar complementarity

當今世界，低碳经济已经融入社会生活的主流。在大时代宏观背景下，电动汽车具有广阔的发展前景。电动汽车产业发展的基础是充电辅助装置。油电混合动力汽车和纯电动汽车都与充电点密切关联。直接利用现有网络为新能源汽车充电迫切需要改变。例如，电网中快速充电与功率设置的冲突、电离问题、多个充电器对电网的和谐污染以及电网中的储能与配电问题等，都要求开发新型环保型综合电力系统。

太阳能和风能是可再生能源。能源的连续性是由季节和气候变化造成的。这部分能源的使用充分保证了风能和光电传感器的互补性，可以存储非均匀分布或交替分布的太阳和风能。使绿色能源能够根据实际能源需求及时、适当地生产。

本文介绍并设计了集太阳能、风能利用、电池存储技术、高效转换、电动汽车充电等新型能源于一体的全电动汽车充电站，并对新型汽车的实际能源供应方案进行了探讨。

1 新能源汽车充电站发展现状

中国目前电动汽车充电站多为电动客车或单位服务，大众没有得到普及服务。

1.1 我国发展历程

2006年比亚迪深圳总部落成首个充电站。

北京奥运会期间，中国落成了首个集中充电站，可满足50节纯电动公交车电池的需求。

2009年10月，上海电力在上海投资建设了cox充电站，这是中国首个具有商业功能的充电站。2009年底在北京，中国首个具有全智能微电网的示范公交车站建成。同年，深圳建成中国首个电动汽车充电站。

2010年3月31日，唐山湖装卸站建成投产。这是中国国家电网中首个典型的设计充电站。它通过可为十辆电动汽车充电：快速充电和慢速充电。

2015年1月15日，中国首个高速充电网络——京沪高速充电网络全面开通。

1.2 国外发展现状

欧美等国家开始建设自己的电动汽车充电设备。以美国和日本举例：

（1）美国

美国幅员辽阔，各州都有很强独立性。各州对电动汽车及其充电系统的假设各不相同。在加利福尼亚、弗吉尼亚等地开展了系统的建设.包括加州最大的建筑工程，连同旧金山、奥克兰和北加州圣何塞的政府，2012年，这些城市的所有政府大楼、停车场、商业大楼和住宅区都将安装充电桩。2008年，在部分地区安装电池更换装置，以方便长途更换。此外，在加利福尼亚州101号公路上建造了首批5个太阳能充电站。每个充电站可以提供240V和70A的快速充电服务，以及用纯特斯拉电力机车为电力机车充电3.5小时。

（2）日本

截至2009年，日本有100多个充电站，其中60%集中在东京。日本政府表示，将在三年内建成1000多个充电站，以实现电动汽车的普遍化。位于东京的日本电力公司牵头建设了相关基础设施。2010年，东京将建设200多个充电站。

2 新能源充电站应用方案及充电技术

电动汽车作为一种发展前景广阔的绿色汽车，未来将迅速发展，市场前景广阔。在全球能源和环境危机不断加剧的背景，中国政府积极推进新能源汽车的引进和发展。作为电动汽车发展的重要配套基础设施，具有重要的社会效益和经济效益。全国范围内开始建设电动汽车充电和更换站。

电动汽车集中器、充电设备、电池管理系统和充电管理服务平台四部分组成的系统。

充电点控制电路主要由ARM处理器完成.用户可以使用卡识别用户，查找余额，查询费用等。其他以及语音输出接口，实现语音交互。根据LCD说明书，用户可选择多种充电方式。

充电器与集线机之间的资料可以经由控制器的路径进行，集线机与平台服务器则利用无线网络或 GPRS网络进行资料的交流。电力及电力资料均需保密，以确保安全性。

蓄电池管理系统（BMS）的主要功能是监测蓄电池的工作状态（蓄电池电压、电流和温度），预测蓄电池容量（SOC）和相应的剩余车辆公里数，管理蓄电池以防止过度充电、过热和单个蓄电池之间电压严重不平衡，最大限度地提高蓄电池的存储容量和循环寿命。

服务管理平台功能包括：装载管理，装载操作，完成查询。充电管理的重点是电动车数据库、电池数据、用户数据、充电库存数据等。加载用户的操作；深入分析经营管理数据。

2.1 新能源充电站应用技术

在21世纪，可充电电池被用作电源。蓄电池充电是电力机车的基本子系统之一，其功能是将电网中的电能转换为在电力机车上运行的电力机车。电力机车的分类包括类别：通常分为充电装置和其他充电器。

“汽车充电装置”是指安装在电动汽车上的电池充电装置，由车辆负载通过地球交流网络供电，包括汽车充电装置、充电发电机和工作能量回收装置。车载充电器一般采用接触式或感应式充电，结构简单，控制方便。该设计完全符合车辆所携带的蓄电池类型，具有强烈的现实意义。户外充电器，即落地充电器，主要包括专用充电器、通用充电器等。多组电池可满足任意充电方法。一般来说，非公路用充电装置功率大、体积大、重量轻，能够适应不同的充电模式。

此外，根据电池充电过程中的能量转换方法，充电可分为接触充电和感应充电。由于电力电子学、变压器的控制技术、高精密测量技术的发展与推广，负荷电流和负荷电压的变动，使传统的高压式充放电方式逐步代替了传统的高压式充电方式。恒压充电模式和充电形式限制仍是最重要的充电模式。接触式充电器最大的问题在于它的安全性和通用性，要达到高质量的要求，就需要对各种条件下的充电器进行安全的充放电。直流和 DC是接触式充电技术中的常用方法，电动汽车充电新技术发展迅速。感应充电器采用磁变压器的高频交流原理，从车辆启动到车辆辅助侧收集能量，为蓄电池充电。安全性得到了保障，因为货物和机器之间没有直接接触。即使车辆在雨雪等极端天气条件下充电，不无需担心产生接触危险。

3 风光互补发电系统

能源是国家经济发展和人民生活的重要物质基础。在过去的200年里，煤炭、石油和天然气等化石能源系统为人类社会的发展做出了重大贡献。然而，化石燃料的使用造成了重大的環境影响和环境破坏。近年来，世界各国认识到人类对能源的依赖性，各国开始根据国情制定相关政策。并将开发和使用新的可再生和清洁能源视为可持续发展的重要组成部分。风能互补太阳能发电系统是一种新型、经济高效的风能和太阳能发电系统，具有良好的发展潜力。

3.1 风光互补系统的结构

风光互补发电系统主要由风力涡轮机、太阳能电池、控制器、电池、逆变器、交直流负载等组成。系统综合风能、太阳能和电池发电技术以及智能系统控制技术的可再生能源生产复合系统。

（1）在风能领域，将风能转换为机械能，电池由控制器充电，负载由逆变器充电。

（2）光电器件是利用太阳能板的光电作用，把光能转换成电能，由逆变器对电池进行充电，将DC转换AC，给负荷提供动力。

（3）逆变器系统由多个逆变器组成，使220V直流成为交流充电电池正常使用的常态。同时具有自动稳压功能，提高了互补风电系统的供电质量。

（4）根据太阳强度、风和负荷的变化，连续切换和调节电池运行模式：一可调电能直接进入直流或交流电。剩余电流被发送到蓄电池进行存储。当发电不能满足负载要求时，控制器将电池电源发送到负载下，以保证整个系统的连续性和稳定性。

（5）电池部分由几个电池组成，它们在系统中起两个主要作用：能量调节和负载平衡。当电源不足时，将风力发电系统和光伏发电系统的输出转换为化学储能。

3.2 风电互补系统的优势

风力互补发电是一种利用太阳能电池阵列和风力涡轮机（AC-DC转换）一种将电力储存于蓄电池中的电力生产的应用体系。当使用者有电力需求时，储存在电池里的 DC电流会被转化成AC，经由传送线路传送到使用者的负荷。风力涡轮机和太阳能电池板是两种同时发电的发电厂

电厂利用风能和太阳能直接控制水泵，实现无需电池的抽水蓄能，利用储存的水能实现稳定的能源生产和供应。这种能源开发模式结合了水电、风能、太阳能等传统新能源的开发，利用能源的时空分布差异，实现进一步发展。适用于电网难以覆盖的偏远地区，并在能源开发中促进环境和环境保护。

建造变电站、高低压线路和高低压配电系统外，必须充分利用风能和太阳能，在缺少外部电源的情况下产生额外的能量。该系统具有互补、稳定可靠、性价比高的特点；电厂的维护工作和相关成本显著降低；发生天灾时不影响用户的独立电源；操作安全，低压供电，维护方便。

风能、太阳能是纯能源。随着光电技术和风电技术的成熟，以及产品在实际应用过程中的不断改进，为互补风力发电系统的推广和实施奠定了基础。风能补充系统有利于我国节能环保型、资源节约型、生态友好型社会的发展。由于社会发展和能源短缺，高科技被广泛应用。开发和利用新能源是人类发展的趋势。处在资源匮乏的时代，推广和使用风能和太阳能。中国应当做出努力，努力成为新能源领域的全球领导者。

由于资源的不确定性，风能和太阳能资源都是不确定的：风能和太阳能发电厂的电力是不平衡的，不能直接用于负荷供应。为了确保负载的稳定供电，必须使用蓄电池冲程来确保负载的稳定供电。由电池、太阳能电池板、风力发电机和控制器组成的智能风能互补生产系统，可以更好地将风能互补在时间和区域上结合起来。

4 风电互补系统充电桩发展的必要性

4.1 电动汽车锂离子动力电池的充电需求

锂离子具有能量密度高、体积密度大、工作电压高、无记忆效应、自放电、环境污染小等特点。它是电动汽车的理想电源，完全可以满足电动汽车的要求。

由于锂离子电池的过载能力较低，在后续的充电阶段无法像铅酸蓄电池那样对电池进行补偿。即使电池经过严格检查并在一定时间内使用，电池的性能仍有所不同。因此，必须采用一致的充电模式，即。其他事项BMS是了解电池特性和状态最全面的设备。可以实时了解充电器电池信息，有效地解决了部分蓄电池过载问题。

电力供应应该是一种洁净、环保的电力。单纯采用常规供电方式，会造成高速充电时产生较高的电压，严重影响电力系统的安全性。在将来，电动车的广泛应用将对整个人类的发展产生巨大的影响。电力车辆是为了节约能源和减少排放而设计的。常规的电网主要依靠燃煤来供电，可以提高城市的大气品质。但是，节能和减少对地球环境的影响并不明显，所以将新的能量用于电动车的充放电成为当前重要问题。

电动汽车对充电装置的要求主要体现在快速、智能和低二氧化碳排放上。基于风光互补集成电源的电动汽车充电站能够很好地满足电动汽车蓄电池的充电要求，具有良好的发展前景。

4.2 充电站硬件组成和软件平台

4.2.1 硬件组成

充电站系统主要由光伏模块阵列、风扇、风光互补控制器、蓄电池、非电网隔离的反车辆转换器和快速充电通道组成。光伏电池阵列和风力涡轮机通过模态转换器与附加的气动控制器连接，有效地将太阳能或风能存储模块转换为化学能。由于光电和风力涡轮机的输出功率随外界条件而变化，因此必须调整MPPT以提供这两种类型的电力。锂离子电池也被用作能量储存电池，以改善系统和满足电动汽车的快速充电需求。负载的能量转换连接器为非绝缘型。由于蓄电池电压高，本文所述系统为DC288V。

用于电网外的逆变器主要适用于小型车辆的负载，并提供交流电源。由于小型电动汽车充电器一般采用高频交直流变换器，所以第一级充电器主要采用二級校准形式，离网逆变器可采用改进的正弦波模式。不仅可以提高充电站的成本，还能消除嵌入式充电器的poc链。正弦波易于调节，为保证稳定的直流输出，是理想的高频电压开关，因为电源最终需要稳定的直流电压，而不是正弦交流电压。

直流/直流快速充电通道模式是本文所述充电站的峰值。该模式用于电动公共汽车和电动汽车的快速充电。这种模式的主要部分是带有双向直流/直流功率转换器的高频高效柔性开关。断路器每个循环中，将谐振电感能量与开关并联谐振电容能量分离时，能实现零电压开关。

本换能器采用滞后交流环控制方法，在不同电压和电流下实现共振电感，在开关的每个周期内都有最小的累积能量电流，实现了软断路器的全过程，大大提高了功率转换效率。

因为本文所述的转换器具有双向能量流，电动汽车的能量可以通过节能站的反馈得到，更重要的是双向能量流可以实现正负脉冲的快速充电。对于每个放电深度，蓄电池的充电/接收比与放电电流的对数。放电电流的增加了充电和接收的程度。结果表明T1正电荷和T3相放电有利于电荷去极化和加速。传统的电源模式下，放电脉冲往往依赖于电阻放电的放大，大大降低了能量转换效率。当使用交流功率反馈时，会导致系统异常复杂。

4.2.2 软件平台

充电站软件平台由底层数据管理和应用层信息管理组成。该系统的具体软件组成部分包括数据收集、气象参数计算、数据存储和查询、报告发布等。D.在VB平台上开发了人机可视化接口。通信功能由MSComm执行，数据库访问用于收集和管理数据。

集成BMS与充电站之间的数据交换是通过CAN总线实现的.DC/AC和DC/DC交换机连接到控制计算机以控制充电和控制开关。计算机记录下载过程，管理和控制数据库，并将计算机连接到打印机打印统计报告。应用软件主要针对发薪系统管理平台和发薪系统数据查询平台，分别对系统关键数据进行管理控制，对电动车充电和客户充电进行管理控制，以及仔细查找相关数据。

5 结语

相信随着设备材料成本的降低、科学技术的发展和国家扶持政策的出台，新型的绿色、绿色、环保的电力系统将得到更广泛的应用。

基金项目：甘肃机电职业技术学院青年基金项目《基于风光互补发电系统的电动汽车充电桩的设计与研究》项目编号：GSJD2021B04。

参考文献：

[1]刘均，动力电池管理系统与实现，哈尔滨工业大学硕士学位论文，2004.

[2]文峰等，汽车工程，电动汽车用锂离子电池组充电方法，2008.9.

[3]陈滋健等强磁场软开关 DC-DC 变换器设计，电力电子技术，2008.2.

[4]戴海峰等，机械工程学报，利用双卡尔曼滤波算法估计电动汽车锂离子电池内部状态，2009.6.