电动汽车辅助充电系统研究

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

电动汽车辅助充电系统研究

■詹华

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

为了改善电动汽车快速充电器的充电性能，本项目开发了一个电池辅助充电系统。所开发的系统主要由一个交流-直流变换器、一个直流-直流变换器、一个固定电池和一个电动汽车充电器组成。不同季节(冬季和夏季)充电率间的差异表明电动汽车电池的温度(受到周围温度的影响)对充电率的影响：夏季的充电率高于冬季的充电率。此外，本项目在不同的季节(冬季和夏季)和不同的供电容量(50，30，和15kW)下进行了同步充电实验。相比于常规的充电系统，本项目中开发的系统可以提高电动汽车充电器的充电性能，尤其在充电速率上有着很大的提升。同时，本系统将满足电网的最大功率约束。

电动汽车 快速充电 电池辅助

1 简介

随着石油和天然气价格的波动，电池技术的发展，以及电动汽车较低的环境污染度，电动汽车的开发和部署在近一段时间内不断加速。与传统内燃机汽车相比，电动汽车由于有着更高的总能效[1]，所以它的运行成本显著降低。在我国，为贯彻落实国务院办公厅《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》精神，利用价格杠杆促进电动汽车推广应用，电动汽车一年的总燃料成本可以小于一辆内燃机汽车一年总燃料成本的20%(在一年总里程数是10,000千米，夜间电价0.457元/kWh，汽油价6元/L，并且电动汽车的能耗是6km/kWh而内燃机汽车的能耗是15km/L时的条件下)。此外，电动汽车的推广可以加强对间歇性可再生能源资源的整合，减少温室气体排放量，并且提高电网效率和可靠性。

一般来说，电动汽车充电可以被分为以下几类[2]：(1)慢速充电率0～4kW，(2)快速充电率10～20kW，(3)超快速充电率50kW甚至更高。在电动汽车起步最早的国家-日本，丰田和日产等日本大型汽车厂商制定了CHAdeMO标准，充电率在10～50kW之间。对于致力于推广普及电动汽车的国家和组织来说，电动汽车基础设施建设是重要的环节之一。截至2012年底，全世界建设公共充电桩数量已超过47900个；预计到2020年，全球将有240多万个公共慢充桩和6000多个公共快充桩投入使用[3]。

迄今为止，由于电动汽车的普及率较低，它对于电网的影响可以被忽略不计。但是，从世界各国电动汽车保有量的迅速增长和相关技术、产业的快速发展可以预见，电动汽车的全面发展和普及将势不可挡，规模化运行指日可待。而电动汽车充电基础设施建设是电动汽车产业推广的前提和基石，完善高效的能源供给网络是电动汽车规模化应用的必要条件之一，具有广泛的社会效益和潜在的经济效益。对于致力于推广普及电动汽车的国家和组织来说，电动汽车基础设施建设是重要的环节之一。随着电动汽车数量的增长，对于电动汽车充电的电力需求会随之增加，从而导致很多电网问题。Paul和Aisu计算了在东京电力公司网络的覆盖范围下快速充电对电力需求的影响，并证明由于快速充电产生的需求高峰会造成电网过载。举例来说，假设有50%的车辆为电动汽车，其中50%需求快速充电，则这将增加7.31GW的电力需求(其中，车辆总数、充电时间和快速充电需要的时间分别为21065219辆、20min和12h)[4]。同时，Clement-Nyns等人解释说，2013年比利时对于电动汽车充电的需求达到了总用电量的5%，造成了变压器和馈线的能量损失和过载[5]。为了避免这些问题的出现，我们需要一个智能系统来解决这一问题，尤其是当多个电动汽车同时充电的情况。这一智能充电设施将配合电动汽车车主控制车辆的充电行为，来达到某些目标功能。例如，得到最小的电力使用量，减少GHG排放以及避免电线和变压器饱和。同时，Kavousi-Fard等人在他们的论文中指出了微型电网中通过电动汽车充电管理来提高可再生能源利用率的可能性[6]。

多电动汽车同步充电会导致高电力需求，例如两辆电动汽车同步充电可能带来高达100千瓦 (30%SOC)的电力需求，但由于电网有着最高电力功率约束，多电动汽车同步充电将导致总功率被分散到各个电动汽车上，从而需要较长充电时间。此外，电动汽车在队列中的等待和充电时间也会增加。对于这一问题，计划并协调在非高峰时间充电是一种解决峰谷平衡的方法[7]。这将同时增加整体经济性能和提高可再生能源的利用率。为了实现这一方案，我们需要实现运营商和电动汽车之间的双向通信，以及准确的供需预测[8]。特别是在当电动汽车有着较长的停靠时间的情况下，例如晚上停放在家中，或者是工作时间停在停车位。通过采用BACS(电池辅助充电系统)，同步的快速充电可以避免长队列充电以及保持电网的质量。而且，对于充电行为有影响的参数都进行了测试，例如温度，从而证明温度对充电行为的影响。

2 有序充电系统

电动汽车对电网负荷影响的研究一致认为：电动汽车规模化后，无规律的电动汽车接入会给电网带来峰值负荷增加、负荷峰谷差增大、线路负载率增大等影响，并由此引起电压偏差增大、电力设备容量不足等问题，影响电网的安全和经济运行[9]。同时，现有研究普遍认为，有序充电将成为解决这一问题的有效途径，并且通过科学合理的有序充放电控制，电动汽车将给电网运行带来更多积极的影响。

本论文研究电池辅助充电系统 (BACS)，BACS可以控制从电网输入的功率，以及各个充电器对应的输出功率。同时，BACS控制了系统内部的电力分配，包括固定电池和充电器，来实现目标性能。因此，BACS可以同时满足供给方(通过最小化电网的负荷来达到负载转移和电力成本的降低)和需求方的(允许电动汽车主在高峰时间使用快速充电)要求。BACS的主要目的如下：(1)降低所需功率要求；(2)避免在高峰期充电，降低电网峰值负荷；(3)缩短充电等待时间；(4)辅助调节电网有功负荷，例如旋转备用和频率调节；(5)利用电池的储能能力，使电动汽车具备向电网回馈电能的能力；(6)给周围社区提供紧急后备电力。

图1 电池辅助充电系统(BACS)基本结构图

图1表示了由日本NEC公司开发的BACS的基本结构图。实线和虚线分别表示了电力和信息流动。CEMS (社区能源管理系统)负责能源的整体管理，包括社区的供给和需求。它优化了社区的能源性能，并最大限度的减少了对环境的影响和社会成本。CEMS可以与其他在其管辖下的EMS(能源管理系统)进行通信，并与其他CEMS或实用程序进行协商，来最大化给社区带来的效益。

在电路中，有三个主要模块与高容量的直流电路相连：交流/直流变换器、电池和快速充电器。交流/直流变换器接受来自电网的电力，并将它转换为高电压的直流电。服务器根据需求、电力价格和电网情况控制所需购买的电力。此外，它也控制固定电池的充电和放电行为，以及快速充电器给电动汽车充电的相应充电率。在电池单元中，一个双向的直流/直流转换器和BMU(电池管理单元)在电池前安装，以控制充电和放电的过程。在快速充电器模块中安装了一个直流/直流转换器和CCU(充电控制单元)来提供充电期间的主动控制。在本研究中，一共安装了两个快速充电模块。

当既定供电容量有剩余，或者电力价格较低时，固定电池将被用于储存电力。当有着高充电电力需求或者是高电价高峰时间时，电池储存的电力将被释放。基本上，电池有着相对大的容量来应对多台电动汽车同步充电的情况，并提高服务质量。

基于安装的固定电池的充电和放电情况，以及充电所用的电力来源，BACS的快速充电模式可以分为以下几类：

(1)电池放电模式

电池释放其电力来辅助管理系统。因此，电动汽车的充电电力是同时来自电网和电池。这一模式将在多台电动汽车同步充电的情况下，特别是电力价格较高的时候。在这一模式下的电力流动可以被表示为：

其中，Pgrid、Pbatt、Pqc和 Ploss分别表示从电网购买的电力、电池充电电力(负值)或放电电力(正值)、电动汽车快速充电电力和损失电力。

(2)电池充电模式

当电力在既定电量下仍有富余或者电网电力价格较低(由于剩余电力、夜间等原因)时，电池将充电来储存电量。这一模式下的电力流动可以被表示为公式(2):

(3)电池空闲模式

电池将在以下情况下进入空闲模式：(a)电网最大功率约束足够支持多电动汽车同步充电的情况 (充电需求低)；(b)由于高需求和持续快速充电导致电池电力为空(此时电池无法提供电力，除非被充电)。在 (b)的情况下，BACS控制每个快速充电器在电网最大功率约束下的充电速率。这一模式下的电力流动可以被表示为公式(3)：

BACS将保证从电网购买的电力 Pgrid小于等于电网最大功率约束。同时，Ploss表示由于某些因素，在交流/直流、直流/直流转换和系统所损耗的电力。因此，Ploss的值在各个模式中的值都不同。

3 温度对于电动汽车充电行为的影响

电动汽车主要使用锂离子电池作为电源，因为它能量密度较高，有着更稳定的电化学属性，同时有着更长的寿命和更低的环境影响。温度被认为是影响锂离子电池充电和放电行为的重要条件之一[10]。在一般条件下，由于电解质的限制，以及电解质/电极表面的属性，例如粘度、密度、电解质成分、介电强度和离子扩散能力，较低的温度会导致不良的充电和放电行为。此外，随着温度的下降，电荷转移阻力显著提高，并高于体内电阻和固态界面电阻[11]。

本文将研究温度，尤其是环境温度，对电动汽车充电行为的影响。充电实验是在不同的季节(夏季和冬季)进行的。表1中概括了电动汽车和快速充电器在实验中所使用的参数。

表1 电动汽车和快速充电器在实验中具体参数

表2表示了本研究中所用的实验条件。电动车辆是停放一个较长的时间(例如一晚)之后在一个较冷的条件下进行充电的。因此，可认为电动汽车电池温度与环境温度非常相似。

图2表示了在(a)冬季和(b)夏季实验条件下充电速率、充电时间和电动汽车电池荷电状态SOC的关系。在一般情况下，虽然充电器的额定容量为50kW，但是电动汽车电池所吸收的充电功率是相对较低的，尤其是在冬天。在夏季有着较高的充电速率从而缩短充电时间。数值上来看，要达到了80%的额定电量。在冬季和夏季的所需的充电时间分别为35min和20min。在夏季，可以以较高充电率(约40kW)达到至多50%左右的额定电量。充电速率随着SOC的增加逐渐降低，并且当SOC为80%时充电速度为16千瓦。而在冬天，充电速率在非常短的时间达到约35kW，而后随着SOC的进一步增加而下降。当SOC达到80%时充电率约为10kW。

表2 评估环境温度影响的实验条件

图2 在(a)冬季和(b)夏季实验条件下充电速率、充电时间和电动汽车电池荷电量SOC的关系

图3表示在(a)冬季和(b)夏季实验条件下充电电流、充电电压和时间的关系。在图3中充电电流的曲线与在图2中的充电速率十分相似。在一般情况下，锂离子电池是用CC(恒定电流)或CV(恒定电压)进行充电的。在较低温度下充电导致的充电电流逐渐降低，尤其是要充到较高的SOC的情况下，会导致更长的充电时间，反之亦然。在夏季的情况下，在初始的5～10min将达到一个约为105A的较高的恒定电流(SOC约高达50%)。虽然在充电电压上并没有显著的差异，在温暖的温度(夏季)充电导致了在电压稳定到恒定值之前有一个稍微高的初始充电电压。因此，恒压充电将更快达到满电状态。温度显著的影响着恒压充电行为。在相对较高的环境温度(例如夏季)充电导致较高的充电率，特别是由于较高的充电电流，以及在短时间内的电压增加导致了更短的充电时间。根据文献[11]所述，温度的降低导致了在阴极锂离子的扩散降低，并使电极极化。此外，在电解质-电极界面的电荷转移电阻将增加[12]。

图3 在(a)冬季和(b)夏季实验条件下充电电流、充电电压和时间的关系

4 BACS的同步充电性能

为了测量所开发的BACS的性能，本实验对电动汽车进行了同步快速充电测试进行。基本上，控制系统是根据上述公式(1)～(3)进行构建的。表3列出了BACS的实验相关参数。交流-直流变换器输出电压为450V。直流-直流变换器将450V电压转换为所需电压(0～400V)。同时安装了两个快速充电器，每一个的最大输出功率都为50kW。

电池辅助充电系统中的电池，因为它是固定的，许多电池类型都适用于这个环境，包括锂离子电池，镍氢，镍镉和钾离子电池。在这项研究中，我们使用了锂离子电池，主要考虑到它有着较高的能源密度，能提供高电流，有着低自放电的特性，以及有着较低维护需求。另外，从电动汽车上取下的电池，也可以作为充电系统中的固定电池使用(大部分为锂离子型电池)。在实际应用中，电动汽车电池的容量下降到初始容量的60%～70%后将被替换。利用这些替换下的旧电池可提高电动汽车的总体经济效率，同时由于电池被回收，它的使用寿命将被延长，而且对环境有着最小化的影响。

表3 BACS(电池辅助充电系统)的实验参数

最大功率容量(图1中A点)是交流-直流变换器接收到的电能量。因此，即使BACS内部没有安装电池，电力也可以在充电期间被转移到电动汽车。由于系统肯定存在电损耗，点C和D所接收到的电能量将小于点A。因为BACS的固定电池将在室温条件下(20℃)与其它控制器和转换器放置在一起，因此，在不同的环境温度下电池性能被认为是稳定的。

为了评估电池辅助充电系统的性能，本实验进行了电动汽车的同步充电。为此达到此目的，实验以下两个步骤进行：

(1)两辆电动汽车同步充电，从而来验证不同季节所需的充电时间；

(2)不同限定供电容量下的辅助充电系统的行为。

4.1 两辆电动汽车的同步充电

由图4(a)中可见在常规的充电系统中，由于对既定供电容量的限制，第一辆连接的电动汽车将以更高的充电率进行充电，而第二辆电动汽车最初将以5kW进行充电。当第一辆连接的电动汽车充电速率减小时，第二辆电动汽车充电率增大并逐渐使总电力达到最大既定电源容量。两辆电动汽车的充电速率随着电池容量SOC的增加而减小，且从电网吸收的总电力将减小。第一辆和第二辆电动汽车分别在充电后40和50min后达到了总电池容量的80%。相比之下，使用BACS充电时(见图4b)，由于有着固定电池参与供给电力，第一辆和第二辆电动汽车有着几乎相同的充电速率，并且在几乎相同的时间 (约35min)达到80%的SOC。

表4 在50kW既定供电容量下，同步充电的实验条件

图4 在冬季、50kW的既定供电容量下两辆电动汽车同步充电结果

由图5可见，与冬季实验结果类似，采用常规充电系统充电，第一辆和第二辆电动汽车分别在约20和30min后达到80%SOC。当使用BACS充电时，两辆电动汽车都在更短的约20min的时间内达到了80%的SOC。

4.2 BACS在不同既定供电容量下的性能

为了检测BACS在不同既定供电容量下的性能，除了在4.1部分下所描述的实验 (既定供电功率50kW)，还分别在既定供电功率为30KW和15kW下检测电池辅助充电系统对两辆电动汽车同步充电情况。表5描述了对应于冬季和夏季各既定功率下的实验条件。

图5 在夏季、50kW的既定供电容量下两辆电动汽车同步充电结果

表5 在不同既定供电容量下，使用BACS对两辆电动汽车进行同步充电的实验条件

图6和图7分别为电池辅助充电系统在30KW和 15kW既定供电功率下对两辆电动汽车同步充电的实验结果。同时，图4(b)和图5(b)为冬季和夏季，电池辅助充电系统在既定供电功率50kW下对两辆电动汽车同步充电结果。

由实验结果可得以下结论：

(1)在对两个电动汽车进行同步充电时，不管是冬季还是夏季，两辆电动汽车的充电时间方面没有明显差异。虽然第二辆电动汽车最初接收低功率，但其充电速率在第一辆电动汽车充电速率下降的过程中增加到最大值。因此几乎同步完成充电。

(2)随着既定供电功率下降，两辆电动汽车的总充电功率随之减少。

图6 BACS在30kW的既定供电功率下两辆电动汽车同步充电结果

图7 BACS在15kW的既定供电功率下两辆电动汽车同步充电结果

(3)在不同季节的充电时间方面，既定供电功率为50kW和30kW的结果之间无明显差异。当既定供电功率减小到15kW时充电时间增加。在这种情况下，在冬季和夏季所需的充电时间分别约为38和25min。

(4)固定电池的放电功率在越低既定供电功率的情况下越大。

(5)当既定供电功率降低时固定电池的SOC变化较大。数值上来看，SOC在50kW，30kW和15kW既定供电容量下约分别减少了5%，10%，20%。在这个系统中，因为对电池充电和放电的SOC的阈值分别为90%和10%，所以同步充电期间总的SOC的变化是80%。因此，固定电池可以在50kW，30kW和15kW的既定供电容量下分别支持32辆，16辆和8辆电动汽车同时充电。

5 结论

本文开发了一个基于电池辅助充电系统(BACS)的快速充电方法，并对其在同步充电上的性能进行了评价。

(1)在不同季节(冬季和夏季)中，电动汽车的充电行为表明了温度对充电速率的影响。本文认为，电池温度强烈的影响到电池的充电行为，而电池的温度受到环境温度的影响。在夏季的充电速率比冬季更高。

(2)在目前电动汽车数量较少的情况下，电动汽车对电网负荷的影响并不明显，也不会使电网的承载力受到挑战，但按照当前发展规划预计，在当前无引导、即插即充的充电方式下，当电动汽车渗透率逐渐增大后，必然会对电网产生明显的影响和冲击，带来峰值负荷剧增，负荷峰谷差增大，电网承载能力不足等问题。而本文提出的电池充电辅助系统能明显改善的电动汽车充电性能，使充电在更短的时间内完成，并将给电网运行带来更多积极影响。

(3)电动汽车的动力电池具有电能储存特性和电能吸收与消耗过程非同时的特点，可用于大时间尺度的电能调度，解决发、用电在时间上不匹配问题；电动汽车用户对瞬时功率的不敏感性，使得充电功率实时控制成为可能；充电宽松的功率需求约束，使充电负荷具有大范围的瞬时功率调节能力；充电系统分布式的接入方式与无功就地补偿原则相适应，且充电系统可具备平滑的无功调节能力，为电网无功优化提供了新的手段。

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