一种储能式电动汽车充电站的研究与设计

石锦闪，陈景文

（1.贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里 556000；2.陕西科技大学，陕西 西安 710021）

一种储能式电动汽车充电站的研究与设计

石锦闪1，陈景文2

（1.贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里 556000；2.陕西科技大学，陕西 西安 710021）

随着环境保护意识的逐渐提升，人们对于环境保护的关注度也在升高，在这样的背景下寻求新的能源成为环境保护中的关键性问题。电能作为洁净能源，对电能的使用可以实现能源的节约管理，因此储能式电动汽车出现并且得到社会各界的认可，但储能式汽车毕竟对电量的存储是暂时的。为了保证汽车的能源持续性，需要对储能式电动汽车进行电能补充，因此需要对充电站进行研究和设计，采用更加科学的管理方法，保证储能式电动汽车的使用效率提升。文章主要针对一种储能式电动汽车充电站的研究与设计进行分析研究。

储能式电动汽车；充电站；交流电

储能式电动汽车以其环保和节能著称，适用于我国环境污染较为严重的现阶段，其得到了社会的认可，使用数量逐渐增加。但是实际管理中我国智能配电网和智能配电小区建设普及率不高，充电问题无法得到充分解决，因此，需要增加配电设备以及充电桩的数量，提高储能式电动汽车充电桩的充电效率，促进储能电动式汽车的推广。

1 储能式电动汽车充电桩的设计原理

储能式电动充电桩在设计的过程中需要实现充电效率的最大化，可以最大限度地利用不同时段进行充电的双序谷充电方式，对不同的充电方式进行控制，可以实现不同型号汽车共用一个充电桩的情况，对快速充电和慢性充电进行合理的调控，对整体的充电进行合理的控制[1]。

充电桩整体运行系统如图1所示，采样系统、驱动系统和人机交换系统之间科学合理运行，将系统与电源进行控制，通过信息系统将控制系统与电池储能系统进行连接，进而实现整个充电桩科学合理的控制。控制系统为了保证系统的运行，建立了辅助电源系统，该系统的建立可以实现电池组的均衡，对电池进行更加合理的控制，并且通过保护单元进行系统的控制，可以防止汽车因为不同功率在充电过程中出现短路，保证充电系统的整体安全。汽车的电源系统则是采用单向充电与双向充电相结合的方式，将储能电池组与电动汽车电池组之间进行连接，进而实现整体的充电管理，将直流母线和储能式电池组之间进行双向的Buck-Boost转化，保证电池组的整体充电和放电功能，并对电池进行恒压、恒流和脉冲式的充电，维持充电的整体质量。

2 储能式电动汽车充电桩硬件系统设计

储能式电动汽车充电桩在硬件系统的设计中需要考虑到充电时间、充电功率和充电速度，因此进行硬件设计需要将功率调节系统、管理系统和保护系统进行整体设计，保证相互之间的协调工作，并且在设计工作完成之后，对充电桩工作过程进行控制，进而保证整个充电桩的系统运行质量。具体的硬件系统如下。

图1 储能式电动汽车充电桩设计系统

2.1 交流电网与直流母线控制

交流电网和直流母线之间的控制属于需要采用单相不可控整流电路，如图2所示，电流的工作过程，220 V电流在运行中通过滤波将其转化为直流电，并且在运行中为了防止电流过大，设置了限流的电阻R1，防止充电过程中因电流控制问题造成的电流输送不畅，对电流进行更加科学的管理和控制。同时交流在充满电后自动关闭K2开关，节省电源的消耗[2]。

图2 交流电网和直流母线之间的控制关系

2.2 直流母线与电动汽车电池组的线路设计

直流母线与电动汽车电池组也是重要的硬件组成部分，其中母线与电动汽车电池组之间通过Buck变换器进行转换，这样内外部的电极可以更好地进行相互之间的通联，并且在内部集成续流二极管，如图3所示，该电路构造方式更加的简洁，并且可以对最大电流进行整体的调节和控制，可以实现200 A的电流控制，并且通过V1进行功率控制，在保证使用安全的基础上更好地实现整体的控制。

图3 直流母线与电动汽车电池组的设计

2.3 直流母线与储能电池组之间的关系

储能电池与直流母线之间的通联也是需要关注的问题，在进行控制的过程中，如图4所示，在进行电池能量储备时，电池组中的变化器就开始工作，将其中的V1，VD2进行联通，实现电流的传输，保证电流的正常输送，可以保证电路始终处于降压斩波的模式，实现电流的合理控制。而在进行储能电池放电的过程中，V1，VD2进行联通处于升压斩波状态，这样的工作方式可以在电池充电和放电之间保持平衡，使得相互之间的转换更加协调，实现线路的双向输送，进而保证整体电路的控制和管理，保证储能电池的合理充电和放电，提升储能电池的使用质量。

图4 储能电池与直流母线之间的通联

3 储能式电动汽车充电桩软件系统设计

软件系统是充电桩的管理系统，可以将管理方式进行更加规范化的调节和控制，实现整体管理的提升。软件控制系统低于充电电池桩的使用质量提供更加高效的条件。具体组成部分包括控制计算系统和控制系统软件设计。

3.1 控制计算系统

控制系统主要是为了实现对电池充电时间、充电电流、温度和放电状态之间的管理和控制，通过对功率的调节和对电池电量的控制进行恒压和恒流的控制，为充电提供更加充分的质量保证。控制系统的设计如图5所示，在进行控制系统设计中，主要是采用比例积分（Proportional Integral，PI）调节器进行控制，这样其GVd可以保持在1/10之下，误差出现的概率也进一步降低，并且可以更好地对信号进行管理，实现函数的控制，并且建立小型的信号传输模型，保证GVd可以更好地实现整体的效果。

图5 控制系统示意

3.2 控制系统软件设计

对于设计流程也需要进行关注，首先进行初始化设计，将这个电池桩的整体运行方式进行设计，制定更加规范化的使用方法，提升使用的整体质量。其次，对电池桩进行中断配置，设计必要的中断系统，在电池充电结束之后进行自动断电设计，防止电池的不合理充电。最后，需要进行外设初始化和变量初始化控制，并对充电模式进行分析，包括正常充电模式、快速充电模式和放电充电模式，这几种模式的管理可以更好地对储能式汽车的充电提供便利，为不同方式的汽车提供各种适宜的充电方式，进而更好地实现电量的全面控制，提升充电电池桩的使用质量（见图6）。

图6 充电电池桩整体设计

该系统在整个设计过程中，将各个因素都进行了充分的考虑，并且在工作的过程中，该系统可以对工作频率进行控制，保证频率在150 MHz范围内，其中包括18路的PWM输出端口、6路高分辨率脉宽调制模块、16路高精准度的12位数模转换器，可以实现整体系统的高效转化。

4 储能式电动汽车充电桩系统使用效果

在充电桩进行设计之后需要对使用效果进行分析，本系统对电池组进行充电实验，可以发现设计中的Buck-Boost变换器可以实现整体恒定的放电模式，使得电压的充电纹波控控制在50 mV之内，这样的方式可以防止因充电不均造成的充电质量下降，进而影响电池的使用寿命。其次，在整个的充电过程中，充电桩都采用恒压的充电模式，保证电池在充电过程中保持恒定的状态，直至电池小于1.5 A时整体的充电结束，这样的方式可以提升电池的使用寿命，虽然在开始充电时电池的充电电压增加，但是后期始终维持在稳定的状态内，并且随着电池电量的持续增加，电流持续减少，在电流充电完全结束之后电流消失，保证电池在充满后自动断电，防止电池充电过量出现事故。最后，该充电桩在进行设计中对不同的汽车型号的充电电流进行控制，结合不同型号汽车的储能电池点流量，对汽车的充电进行管理和控制，这样可以实现同一电池桩的多种不同汽车的使用，提升电池桩的整体式使用效率。

5 结语

综上所述，储能式电池桩可以在无需较大程度转变现有家庭配电系统的前提下，实现不同电池的设计和规范，在保证电流合理控制的基础上，进一步减少经费的各项开支，对电流进行控制，节省电费，并且满足不同型号汽车的充电需要，应用更加灵活。但是因为储能电池的使用寿命、使用效率等制约因素，充电电池桩的使用寿命受到了一定的限制，随着电池技术的提升，这些问题正在不断地被优化，并且随着电动汽车的推广逐渐得到了解决。可见储能式电动汽车充电桩的实际设计和使用意义具有较大的影响力，也是汽车行业发展的需要，值得推广使用。

[1]周念成，蒲松林，王强钢，等.电动汽车快速充电站的储能缓冲系统控制策略[J].电力系统保护与控制，2013（17）：127-134.

[2]贾龙，胡泽春，宋永华，等.储能和电动汽车充电站与配电网的联合规划研究[J].中国电机工程学报，2017（1）：73-84.

Research and design of a kind of energy storage electric vehicle charging station

Shi Jinshan1, Chen Jingwen2
(1.Guizhou Vocational and Technical College of Electronic and Information, Kaili 556000, China;2.Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

With the gradual improvement of environmental protection awareness, people’s attention to environmental protection is also rising. On this basis, seeking new energy becomes a key issue in environmental protection. Energy as a clean energy, the use of electricity will realize the energy conservation management, so the energy storage electric vehicles appear and get the community recognized,however, the storage of energy storage cars is temporary. In order to ensure the continuity of the energy of the automobile, it is necessary to supplement the electric energy of the energy storage electric vehicle. Therefore, research and design of the charging station are needed,and a more scientific management method is adopted to ensure the efficiency of the energy storage electric vehicle to be improved. This paper mainly focuses on the research and design of an energy storage electric vehicle charging station.

energy storage electric vehicle; charging station; alternating current

石锦闪（1977— ），男，贵州凯里人，副教授，学士；研究方向：高职电力类专业教育。