李哲昊 北京理工大学珠海学院
电动汽车充电站优化控制研究
李哲昊 北京理工大学珠海学院
开发替代燃料和电动汽车，是解决环境问题的重要手段之一。本文重点分析了电动汽车充电站的设计及实验，为电动汽车充电站设计提供技术参考。
燃料；电池；动力系统
1.电动汽车充电站现状
电动汽车充电站从供电电源提取能量，以合适的方式传递给蓄电池，从而建立了供电电源与蓄电池之间的功率转换接口。根据不同的分类标准，可以分为车载充电站、地面充电站、传导式充电站和感应式充电站、普通充电站和多功能充电站。
大功率地面充电站以传导式大功率地面充电站占据主要位置，基本上是采用三相交流电作为输入电源，经过二极管整流桥和LC滤波环节获得直流母线电压，再采用隔离型全桥式DC-DC变换器进行电压变换。可用的隔离型全桥式DC-DC变换器拓扑包括硬开关PWM变换器、串联/并联谐振变换器、双有源桥式变换器、移相式全桥变换器等。其中，硬开关PWM变换器的主电路结构最简单，控制方法最简单，磁性器件（包括隔离变压器、输出滤波电感等）的设计和制作也最简单，从而成为技术最为成熟、应用也最多的大功率充电站拓扑。但它也存在着开关频率低、噪声大、体积大等缺点。更为先进的大功率充电站正在不断出现，并投入到了实际的应用中。
2.充电站的电气参数及其技术指标建议
作为一个提供电源的电器设备，其铭牌标识的电气参数要以便于消费者选择和使用。在此建议的电气参数及其技术指标如下：
输入电源：AC380V；
稳流精度：1%；
稳压精度：1%；
满载效率：＞91%；
满载功率因数：＞0.9；
使用环境温度：−20～50℃；
最高输出电压：串联电池的个数×电池充电限制电压×k（k为系数，由电池厂家提供）；
最低输出电压：串联电池的个数×电池放电限制电压；
最大输出电流：按蓄电池厂家提供数据确定；
最低充电电流：按蓄电池厂家提供数据确定；
最大输出功率：Umax×Imax。
3.充电站连接器设计
充电站通过连接器与被充电对象连接，也就是说，连接器是能源补给系统中一个非常关键的部件，要求其可靠性高，使用方便，而且形成标准件。在此建议连接器的插接次数要求达20000次，通讯线和充电线的插接口在同一连接器上，并且两者形成闭锁的状态，以保证充电站及充电站操作人员的安全。
4.充电站功能模块及其推荐方案
充电站以三相交流电为输入电源，采用高频隔离型桥式DC/DC变换技术，根据预先设定的充电过程参数对电动汽车串联蓄电池组进行充电。
电动汽车充电站的功能模块主要包括：①输入整流装置；②DC/DC变换器；③驱动脉冲生成及调节系统；④保护系统；⑤单片机（CPU）控制系统；⑥人机接口等部分组成。
4.1 输入整流装置
输入整流装置对三相交流电进行整流，经过滤波后，形成稳定的直流母线电压，以提供给后级DC/DC变换器。输入整流装置包括快速熔断器、三相整流桥、预充电电阻和继电器、滤波电感、直流母线支撑电容和滤波电容、电感能量泄放二极管等元件组成。
4.2 DC/CD变换器
DC/DC变换器为隔离型桥式变换器，主要包括主功率开关管IGBT、高频变压器、输出整流桥、输出滤波电感和电容、输出逆止二极管、输出继电器、快速熔断器及开关器件缓冲电路等。
DC/DC变换器在控制系统的控制下，采用脉宽调制（PWM）技术，提供恒定电流输出或恒定电压输出，满足蓄电池组的充电要求。
4.3 驱动脉冲生成、调节及保护系统
驱动脉冲生成、调节及保护系统为充电站的低层控制系统，主要包括信号采样和调理电路、PWM生成集成电路、故障保护逻辑电路、闭环控制调节电路和并联运行均流电路等部分。
驱动脉冲生成、调节及保护系统直接控制DC/DC变换器完成功率变换，并且提供完善的保护功能。
4.4 单片机（CPU）控制系统
单片机（CPU）控制系统为充电站的顶层控制系统，主要包括单片机（CPU）及其基本外围电路、数字量处理电路、模拟量处理电路、RS-485通信接口、CAN通信接口、按键输入电路及显示电路等部分。
单片机（CPU）控制系统接受人工输入或其它设备的控制指令，控制驱动脉冲生成系统的启动与停止，从而控制充电站的启动与停机，并可将充电站运行数据进行显示或传输给上层监控计算机。
4.5 人机接口
人机接口部分由按键和数码管（或液晶显示屏）组成，并且具有计算机远程监控、车辆充电控制等功能。充电站带有通信接口，可以组成计算机监控网络，由监控计算机监视和记录每台充电站的运行数据、修改每台充电站的运行参数、控制充电站的启动和停机。电动汽车既可以通过通信接口对充电站进行控制，也可以通过充电控制逻辑单元控制充电站的启动与停机。
此外，充电站应具有完善的保护功能，可以对操作人员、蓄电池组、充电站自身都提供可靠的保护。人机接口部分能及时可靠的显示充电站故障，并提供简单明了的故障排除指示。
4.6 internet 接口
考虑发展，未来电动汽车充电站与供电变电站协调管理，在充电（机）站设计internet接口，可与电网调度系统相连，充电（机）站通信协议与电网通信协议统一，实现充电（机）站内统一监控及无人值守站的数据统一上传。
4.7 电能计量
作为电网的负荷，充电（机）站能够提高电能在我国终端能源消费结构中的比例，采用夜间或低谷负荷期完成充电有利于电网调节峰谷平衡，其用电量的计量是关键的环节。因此，充电（机）站的用电量计量应考虑适应不同用户需要，并与电网自动化现状相适应，实现交流和直流电能显示，同时考虑与电力系统远方抄表和计费自动化系统连接的可能。
5.结语
目前很多电池管理系统应用某一类型的电池时效果很理想，但却难以应用到其它类型的电池上。因此，研究更具有通用性的电池管理系统已经成为目前的发展方向。
[1]熊脶成. 基于多尺度空间层次聚类的电动汽车充放电优化调度[D].长沙理工大学，2013.
[2]陈奇芳. V2G充电站与电网协调策略及通信研究[D].湘潭大学，2013.
[3]孙晓明. 电动汽车充电电价时段划分方法及有序充电策略研究[D].北京交通大学，2014.
