電動(dòng)汽車充電樁控制工作原理研究

電動(dòng)汽車充電樁控制工作原理研究摘要：近些年，出于環(huán)保和減小能源損耗的考慮，各個(gè)國家都大力發(fā)展電動(dòng)汽車事業(yè)。充電樁作為電動(dòng)汽車的配套設(shè)備，受到廣泛關(guān)注，并朝著高頻化、高功率密度化、便捷化和智能化的方向不斷發(fā)展。然而在發(fā)展過程中還是存在很多問題，高頻高密度的同時(shí)，會(huì)影響開關(guān)電源的充電效率，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的后果，這些對(duì)于充電樁發(fā)展來說都是亟需解決的?；诖?，本文主要對(duì)電動(dòng)汽車充電樁控制工作原理進(jìn)行分析探討。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電樁控制；工作原理1前言相對(duì)于在人們心中根深蒂固的傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車(后文簡稱EV)還有一些很根本的問題，阻礙了其發(fā)展。其中重中之重的問題是充電問題，相比于傳統(tǒng)汽車的隨來隨加的方便和快捷，電動(dòng)汽車的充電顯得略微乏力，汽車進(jìn)入社會(huì)的速度比城市規(guī)劃的落實(shí)速度快很多，電動(dòng)汽車的能源供給還不能做到像傳統(tǒng)汽車那般方便；與此同時(shí)，充電過程的用時(shí)和能源損耗相對(duì)較高，是電動(dòng)汽車能夠普及的關(guān)鍵問題所在。因此，加快突破電動(dòng)汽車充電技術(shù)難關(guān)顯得愈發(fā)的重要，開發(fā)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研發(fā)和優(yōu)化控制策略，對(duì)電動(dòng)汽車被人們和社會(huì)接受具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益意義和社會(huì)發(fā)展意義。2充電樁的充電方式充電方式主要有四種，分別是快速充電方式、慢速充電方式、無線充電方式、更換電池充電方式。使用充電樁進(jìn)行充電時(shí)，可以采取有限預(yù)付費(fèi)的方式，根據(jù)用量多少進(jìn)行扣費(fèi)；充電樁內(nèi)置打印機(jī)，可以使用充電數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)打印。充電樁還具有語言導(dǎo)航功能，方便用戶進(jìn)行操作；用戶在充電時(shí)能自助充電，無需專人守護(hù)。為確保充電接口安全，充電樁還安裝有智能電磁門鎖；如果有漏電、過流、過壓、插頭斷開、線纜破損等問題，充電樁都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。在管理中心，操作人員可同時(shí)對(duì)數(shù)百個(gè)以上的充電樁進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電卡、充電樁信息的全自動(dòng)記錄。3充電樁系統(tǒng)及其控制工作原理3.1電氣系統(tǒng)交流充電樁的電氣系統(tǒng)有主回路和二次回路。主回路的組成部分有輸入交流控制接觸器、保護(hù)斷路器、充電接口連接器和交流智能電能表。其中控制電源通斷的是交流接觸器；輸入斷路器具備過載、短路和漏電保護(hù)功能；連接器具有鎖緊裝置，能防止錯(cuò)誤操作，它是與電動(dòng)汽車連接的充電接口；交流智能電能表是對(duì)交流充電進(jìn)行計(jì)量的工具。二次回路提供“啟停”控制與“急?！辈僮?，它的組成部分有運(yùn)行狀態(tài)指示燈、急停按鈕、控制繼電器、充電樁智能控制器和人機(jī)交互設(shè)備（顯示、輸入與刷卡）。其中，信號(hào)燈的作用是提供“待機(jī)”“充電”與“充滿”狀態(tài)指示；提供刷卡、充電方式設(shè)置與啟?？刂撇僮鞯膭t是人機(jī)交互設(shè)備。3.1.1供電系統(tǒng)給充電設(shè)備提供電源的是供電系統(tǒng)，它由一次設(shè)備和二次設(shè)備組成，其中一次設(shè)備有開關(guān)、變壓器及線路等，二次設(shè)備有檢測、保護(hù)、控制裝置等。供電系統(tǒng)配有專門消除諧波的有源濾波裝置，可以幫助穩(wěn)定電網(wǎng)。3.1.2充電設(shè)備整個(gè)充電站電氣系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分是充電設(shè)備，充電設(shè)備分為兩種，分別是交流充電裝置（樁）和直流充電裝置。直流充電裝置又叫非車載充電機(jī)，按照功率可以分為小型、中型和大型，主要對(duì)電池進(jìn)行快充，而交流充電裝置（樁）則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的慢充。非車載充電機(jī)運(yùn)用V2G技術(shù)，通過使用進(jìn)口高頻IGBT的方式整流逆變模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的安全、快速充電。而且它還能完成電網(wǎng)與電池之間的雙向能量交換，其原理是建立起控制器與后臺(tái)系統(tǒng)的通信和連接，把動(dòng)力電池的能量狀況反饋到電網(wǎng)。非車載充電機(jī)的通信連接快速、可靠，主要依靠高速CAN總線。交流充電樁的功能主要是為車輛提供慢充服務(wù)，它連接車載充電器，輸出的是交流電。3.2監(jiān)控系統(tǒng)充電監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接各工作站、服務(wù)器，這些計(jì)算機(jī)包括監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。其中監(jiān)控工作站通過充電監(jiān)控人機(jī)交互界面為充電機(jī)提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集、查詢等信息。存儲(chǔ)整個(gè)充電系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的是數(shù)據(jù)服務(wù)器，它的主要作用是提供數(shù)據(jù)服務(wù)和其他應(yīng)用服務(wù)。3.3通信系統(tǒng)整體系統(tǒng)主要有四個(gè)組成部分，分別是電動(dòng)汽車充電樁、集中器、電池管理系統(tǒng)（BMS）、充電管理服務(wù)平臺(tái)。3.3.1電動(dòng)汽車充電樁通過嵌入式ARM處理器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電樁的電路控制，用戶能按照液晶屏提示選擇充電模式，充電模式有按電量充電、按時(shí)計(jì)費(fèi)充電、按里程充電和自動(dòng)充滿四種。用戶也可以通過自主刷卡進(jìn)行用戶驗(yàn)證、查詢余額和計(jì)費(fèi)。3.3.2集中器電動(dòng)汽車充電機(jī)控制器與集中器的數(shù)據(jù)交互通過CAN總線實(shí)現(xiàn)，集中器與服務(wù)器平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互則利用有線互聯(lián)網(wǎng)或無線GPRS網(wǎng)絡(luò)。為了保證數(shù)據(jù)安全，通常對(duì)電量計(jì)費(fèi)和金額數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。3.3.3電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（BMS）通過監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，包括電池的電壓、電流和溫度等，對(duì)電池進(jìn)行管理，避免出現(xiàn)過充、過熱、過放電和單體電池之間電壓嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象。它還可以對(duì)動(dòng)力電池的電池容量（SOC）和相應(yīng)的剩余行駛里程進(jìn)行預(yù)測，有助于最大限度地利用電池存儲(chǔ)能力和延長電池使用壽命。3.3.4充電服務(wù)管理平臺(tái)充電管理、充電運(yùn)營、綜合查詢是充電服務(wù)管理平臺(tái)的功能。充電管理對(duì)系統(tǒng)涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如電池信息、電動(dòng)汽車信息、用戶卡信息、充電樁信息進(jìn)行集中式管理；充電運(yùn)營的作用是對(duì)用戶的充電活動(dòng)進(jìn)行計(jì)費(fèi)管理；綜合查詢是對(duì)充電管理和充電運(yùn)營的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析查詢。4電動(dòng)汽車充電過程電動(dòng)汽車充電通過三相電網(wǎng)輸入交流電，經(jīng)橋式不可控整流電路可變成直流電，再通過LCR電路濾波后傳輸?shù)礁哳lDC—DC功率變換器。通過功率變換實(shí)現(xiàn)直直變換輸出符合要求的直流電壓，經(jīng)輸出濾波后最終可以為電動(dòng)汽車蓄電池充電。充電可選擇四種模式，分別是定時(shí)間、定金額、定電量、自動(dòng)充滿。目前，傳感式無線充電技術(shù)在充電大功率的情況下會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，在實(shí)際應(yīng)用中廣泛使用的充電方式是接觸式充電。在快速發(fā)展的變流控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的影響下，大容量電池越來越多，單一的充電模式已無法滿足現(xiàn)實(shí)需求的變化。電動(dòng)汽車在充電時(shí)，采用的是恒壓限流充電和分階段恒流充電混合的充電模式。常用的電動(dòng)汽車電池有蓄電池和燃料電池兩種，蓄電池用于純電動(dòng)汽車，燃料電池則用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。蓄電池是主要?jiǎng)恿υ陔妱?dòng)汽車使用過程中，為電動(dòng)汽車提供低速啟動(dòng)和全負(fù)荷加速的動(dòng)力支持，現(xiàn)階段大多數(shù)充電電池主使用鋰電池。在剛開始充電的時(shí)段，大都通過采用最佳充電倍率進(jìn)行限流充電。在這一時(shí)段，電池電動(dòng)勢低，盡管充電電壓不高，充電電流也會(huì)很大，因此，必須限制充電電流。充電電壓增大時(shí)，電池的電動(dòng)勢會(huì)不斷上升，充電電壓也將隨之攀升。當(dāng)電池電壓達(dá)到安全范圍內(nèi)，最佳充電電壓的時(shí)候?qū)⒈３趾銐撼潆姟Ｔ谶@一時(shí)段，電動(dòng)勢不斷上升，但是電壓保持不變，故電池的充電電流將呈雙曲線趨勢不斷下降直至零。然而實(shí)際操作過程中，當(dāng)充電電流小于0.015A時(shí)，就可以停止充電。5結(jié)束語隨著電動(dòng)汽車生產(chǎn)和銷售的不斷增加，亟需解決電動(dòng)汽車充電問題，充電樁的數(shù)量也會(huì)隨之快速增長。文章對(duì)充電樁的類型和充電方式進(jìn)行了分析，然后從電氣系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、工作流程和通信系統(tǒng)等幾個(gè)方面詳細(xì)分析了電動(dòng)汽車充電樁的控制工作原理。電動(dòng)汽車充電樁的市場會(huì)越來越大，研究