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摘要：电动汽车是未来汽车发展的必经之路，而充电站的建设是电动汽车发展的前提和保障。针对目前电动汽车电池续驶里程短、充电时间长以及充电机对电网造成谐波污染的问题，提出一种电动汽车充电站设计方案。该方案采取电池组阵列储能，通过直流充电和更换动力蓄电池的组合充电模式，借助电池管理系统，实现多接口、多模式的电动汽车充电。
关键词：电动汽车；充电站；设计
引言
电动汽车充电站是电动汽车规模化集中充电的场所，负责将电能从低压配电网络传递至电动汽车动力电池内部，电动汽车作为大功率、随机性和非线性负荷，对配电网络的影响不容忽视。充电站监控系统对于保证充电过程安全以及充电服务质量起着关键性作用，其可靠性也决定着充电站的运营管理的自动化水平。
1、概述
面对传统燃油汽车尾气排放造成的污染，以及对石油资源过度消耗所引发的环境与能源问题，电动汽车以其良好的环保和节能特性，成为当今国际汽车发展的潮流和热点之一。电动汽车充电站作为电动汽车实际应用最重要的基础设施，如今却成为阻碍其大规模商业化的主要瓶颈，主要表现在以下方面：车载电池种类繁多，标称电压及容量各不相同，充电机与各类型电动汽车之间完全匹配较难；充电站功率不够，充电效率不高，充电等候时间过长；大功率充电站非线性特性明显，对电网造成的谐波污染较严重。
电网直充式。由电网提供22V或380V交流电经车载充电器给车上蓄电池充电。小型电动汽车多采用这种方式，但该方式充电功率低、充电时间长，充电站所需场地面积较大；不仅如此，为了防止非线性大功率充电机对电网造成谐波污染，需要单独设计滤波器并研究专用电网系统，投资巨大且难以收回成本，商业普及难度大。
更换动力蓄电池方式。电动汽车和电站充电器没有直接的联系，而是直接卸载车载电量不足的动力蓄电池，更换为电量充足的电池。这种方式的优点在于车辆使用效率高，对电量不足的电池进行统一充电管理，有利于维护电池的性能，解决了充电站充电汽车续驶里程短的问题。该方式的缺点在于车载电池较重，电池更换任务较繁重，需专业设备进行电池替换；除此之外，还需考虑电池的标准化和流通管理问题。
2、充电方法的设计
极化是电流流过电极时造成电极电势偏离平衡值的现象，它不仅使电池的效率降低，还能导致电池发热而加速电池的老化，影响蓄电池使用寿命。随着充电电流的增大极化现象更加严重，对电池充电形成阻碍，所以必须要减弱电池充电的极化现象来实现快速充电。美国科学家Maas以最低电池出气率为前提，提出了蓄电池最佳可接受充电电流曲线，在充电过程中，把电流保持在曲线以下就能很好地避免极化现象［4］。脉冲充电方式是一种用间断电流对电池进行充电的方法，在充电间断停止时加入适当的负脉冲，可以提高电池的充电电流的接受率，提高充电速度而且减小极化的影响。因此结合Maas定律提出一种基于分段式带放电的快速充电策略，即在不同阶段采用不同充电方法的充电策略，把充电分为三个阶段，第一个阶段为预充电阶段，当电池电量很少时用大电流对电池进行充电很容易损坏电池，故在电池SOC小于10%时采用小电流恒流充电来保护电池；第二个阶段是快速充电阶段，当电池SOC大于10%小于80%时采用分段恒流充电，作用是在短时间内尽快地对电池进行无损充电；当电池SOC达到80%时进入第三阶段，第三阶段是恒压正负脉冲充电阶段，此阶段电池极化严重，所以在此阶段采用恒压正脉冲充电，同时加入去极化负脉冲。整个过程中电流、电压控制量输出的大小由控制系统根据预先设定值与所采集到的电池端电压和充电电流等信息通过算法整定而确定。
3、充电器单元设计
充电站中包括储能电池充电机、车载电池充电机、替换电池充电机。储能电池充电机。储能电池阵列采用100组200V串联电池组并联的形式，电池组的最高电压可达320V。计划采用100组充电器分别给100组并联电池进行充电，充电器输入电压为DC530V，输出电压为320V，输出电流为10A。其主电路如图1所示。
由图1可知，输入、输出之间采用高频变压器隔离，输入电源经过不可控整流桥为半桥逆变器提供直流电压，一次侧电压经高频变压器耦合到二次侧，之后以单相全桥不控高频整流及LC滤波作为输出级为蓄电池组充电。充电站闲时对储能蓄电池充电，电池电量充满后，BMS检测到充满电压信号时，关闭充电回路，充电结束。充电站忙时储能蓄电池向外“倒电”，电池放电到一定程度后，BMS解除充满信号，充电器重新给电池充电，保证充电站不会出现“电荒”现象。
图1储能电池充电机主电路图
4、监控系统结构设计
4.1、必要性
保证动力电池充电安全的需要。目前纯电动汽车多使用锂离子蓄电池作为电能存储单元，锂离子电池对充电要求较高，充电过程控制不好会造成电池永久损坏，甚至引起爆炸。而充电站监控系统可以监测电池和充电机当前状态，从而有效保证动力蓄电池充电过程的安全。
4.2、充电站监控层
充电站监控层主要包括工控机和数据服务器等。由于监控系统距离配电室比较近，存在比较大的电磁干扰，因此使用工控机作为监控主机来降低干扰。电动汽车充电站监控系统运行在工控机上，监控系统包括充电监控和配电监控两大部分。数据服务器对所有数据进行备份，进一步保证了数据的安全。为避免断电造成的数据丢失，使用ＵＰＳ不间断电源作为后备电源。充电站监控层是整个监控系统的核心，通过监控软件可以监控整个充电站信息。监控软件设计主要包括界面显示模块、数据采集与解析模块和数据库操作模块三大模块。数据采集与解析模块按照通信协议对充电金额、ＢＭＳ、充电桩、监控仪表的数据进行处理，然后将处理后的数据进行界面显示和数据库保存操作。
4.3、设备层
充电监控：包括充电机和充电桩。充电机连接低压室，为充电桩供电，充电桩通过充电枪给电动汽车动力电池供电；充电桩主要包括桩体、电气模块、计量模块、人机交互界面、通讯接口计费和安全防护等。配电监控：配电室包括高压室、变压室、低压室的电力仪表。高压室仪表采用微机保护装置实现对整个电路的保护；变压室仪表采用温度控制器，进行温度检测和调控；低压室为多功能电力仪表，对低压室的各种电参量和运行状态进行监控。
结束语
上述充电站采用储能的方式进行充电，充电功率大、效率高，可根据蓄电池电量自动安排充电时间，最大程度地使用夜间低谷电力，避免了对电网的污染；设有多种接口，可满足多种类型电动汽车的充电要求，通用性更强；设置替换电池组，适用于大功率电动汽车和长途汽车，电能使用效率更高，电动汽车能量的更替更加快捷；采用磷酸铁锂电池，存储能量大，安全性能更好，能够满足白天充电站的充电需求；电池组先串后并，采用多个充电器充电的方式缓解了大电流充电的压力，同时利用阵列式的储能方式，便于统一管理。
参考文献：
[1] 王海群，彭川.电动汽车充电桩控制系统的设计[J].微型机与应用，2017，36（23）：107-111.
[2] 高德欣，张如耀，张佳伟，白剑飞.电动汽车充电站监控系统设计[J].计算机测量与控制，2017，25（11）：84-86+114.
[3] 王鹏.电动汽车充电站设计研究[D].大连理工大学，2016.
论文作者:李建敏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
标签：充电站论文; 电池论文; 电动汽车论文; 蓄电池论文; 电流论文; 监控系统论文; 电压论文; 《电力设备》2017年第36期论文;