光伏储能式电动汽车直流充电桩的研究与设计

光伏储能式电动汽车直流充电桩的研究与设计

吴钦,武铭蕊

义乌市输变电工程有限公司电力实业分公司 浙江省 义乌市 322000

摘要：当今世界，能源短缺和环境污染问题日益严峻，汽车燃油成为石油消耗的主体，发展电动汽车被认为是缓解能源危机和环境污染的有效途径。充电设施作为发展电动汽车的重要环节，成为电动汽车领域的研究热点。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。

关键词：光伏储能式电动汽车；直流充电桩；设计 

当前，全球主要的汽车制造商都在积极探索并试图推出各种电动汽车,以减少能耗并保护环境。但是，电动汽车的使用也存在一些问题，例如短程，充电不便等。因此，建立安全高效的充电基础设施是电动汽车推广应用的关键一步。电动汽车充电桩的建设和应用基础设施的投资很大，而且运营盈利小，所以电动汽车的发展和推广进程缓慢。因此，目前我国已经出台多项一系列的政策扶的力度，有利于使电动汽车实现突破性的发展。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。

一、光伏充电桩的特点

充电技术的研究和充电设施的建设对电动汽车的发展具有重要的作用。目前，我国在电动汽车充电设施建设上主要分为集中式充电站、分布式充电桩和更换电池三种模式。这些充电设施的建设在一定程度上解决了电动汽车的充电问题，但是也存在明显的缺点，主要表现在以下两个方面：第一，由于对电网的依赖，充电设施无法在远离电网覆盖的区域建设使用；第二，充电设施的能量取自电网，而我国73％的电力来自于煤炭，所以电动汽车的动力仍然来自常规能源，电动汽车的应用并没能改变对常规能源的消耗和对环境污染的影响。鉴于现有充电设施的缺点和不足，光伏充电桩将太阳能转化为电能，并储存在蓄电池中，当用户进行充电时，再把储存在蓄电池中的电能充到电动汽车的动力电池中，从根本上避免了对常规能源的消耗和对环境的污染。(1)可以更好地解决电动汽车充电的问题。它具有安装灵活，受制约因素少的优点，既能够在城市中建设，也能够在远离电网覆盖的区域建设使用，尤其是在城市郊区和高速公路两旁，能很好的为电动汽车提供应急充电或标准充电。(2)可以缓解能源短缺的问题。光伏充电桩的能源来源于可再生的太阳能，从根本上避免了电动汽车对常规能源的使用。同时，光伏充电桩既可以为电动汽车充电，又可以实现富余电量并网，它的广泛使用可以有效的缓解能源短缺的问题。(3)可以解决环境污染的问题。太阳能是真正的绿色清洁能源，具有无污染、零排放的特点，光伏充电桩的广泛使用可有效解决因常规能源的大量使用而带来的环境污染问题。

二、光伏充电桩工作原理

光伏充电桩利用太阳电池发电，将电能存储在自身的储能装置中为电动汽车充电，从根本上使电电动汽达到了无污染、零排放的要求。

1、光伏发电模块。光伏发电模块包括光伏阵列、太阳电池连接自动转换器和最大功率点跟踪控制电路。光伏阵列通过控制器和检测电路的控制，通过太阳电池连接自动转换器、最大功率点跟踪控制电路和充电电路对蓄电池充电。太阳电池连接自动转换器在控制器和检测电路的控制下，根据光伏阵列的输出状况实现对太阳电池连接状态的自动转换，保证光伏阵列在弱光照情况下能够拥有有效的输出电压，从而延长太阳电池的实际工作时间。最大功率点跟踪控制电路在控制器和检测电路的控制下实现对太阳电池的最大功率跟踪，使太阳电池在光照和温度等外界环境变化时始终工作在最大功率点处，保证太阳电池发电效率的最大化。

2、蓄电池管理模块。蓄电池管理模块由蓄电池组、充电控制电路、放电控制电路和整流电路组成。蓄电池用于存储太阳电池转化的电能，并通过控制器和检测电路的控制经放电控制电路和充电模式控制模块对电动汽车充电或将富余电量并网。充电控制电路通过控制器和检测电路的控制，根据光伏发电模块的输出状态和蓄电池的荷电状态，控制充电电压和充电电流的大小，完成对蓄电池的充电。放电控制电路在控制器和检测电路的控制下，完成对蓄电池放电过程中放电电流和放电深度的控制。整流电路的输入端与电网连接，输出端接充电控制电路，用于电网对蓄电池充电过程中将交流电转换为直流电。

三、光伏储能式电动汽车直流充电桩的设计

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。

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入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。

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据要求,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。

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。

参考文献：

[1]张宏艳,刘化龙,胡军毅.基于电网负荷信息的电动汽车充放电控制装置研制[J].重庆理工大学学报,2017(7):221.

[2]王　刚,周　荣,乔维高.电动汽车充电技术研究[J].农业装备与车辆工程,2018(1):24~28.