直流充电桩电气系统设计研究

2018-11-29赖德立

科技与创新 2018年11期

赖德立

（广东顺德电力设计院有限公司，广东佛山 528000）

随着我国经济的快速发展，我国汽车产业得到了迅猛发展，而在能源短缺及环境污染严重的背景下，新能源电动汽车以其低碳环保等优势，成为当前汽车行业发展的重要方向。其中，直流充电桩作为电动汽车的重要基础设施，得到了普及和应用，对其电气系统设计展开研究具有十分重要的意义。

1 充电桩电气系统的总体设计

充电桩是电动汽车的能量补给站，它的作用和重要性显而易见，它决定了电动汽车电能补给的时间与质量。人们对电动汽车的顾虑主要是充电桩的数量不足以及充电所花费的时间过长。如果充电桩的数量少，或者电动汽车充电时间过久，会造成电动汽车的行程受到制约，也降低了电动汽车的使用效率，所以，充电桩的研发就成为了一个十分迫切的问题。对于我国而言，在政府和市场的引导下，已经开始在全国范围内大规模地建造电动汽车充电站，作为电动汽车充电站最为重要的组成部分——充电桩，它决定着电动汽车充电的质量与效率。

2 直流充电模块设计

2.1 太阳能电池板

把一定数量的太阳能电池片组合在一起，采用并联或串联等不同的组合方式，构成了太阳能电池板，一般电池片的大小和功率有多晶156 mm×156 mm，功率为3.3～4.0 W；单晶156 mm×156 mm，功率为4.0～4.5 W；单晶125 mm×125 mm，功率为2.5～2.8 W。

一般情况下，1 m2的电池板通常是由36片、54片、60片、72片或96片的电池片串联构成，单片的电压通常在0.5 V左右，所以对应的电压即在18 V、27 V、30 V、36 V、48 V左右。

由于太阳能电池板不能存储电能，因此，必须把它所发的电能存储起来，储能的装置一般采用铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池与锂电池，由于锂电池性能良好，所以，本文采用锂电池作为太阳能电池板的储存能源，文中单个电池板输出的电压（即锂电池输出的电压）为DC48 V。

2.2 电路的设计及仿真

单个电池板输出的电压为DC48 V，把9个太阳能电池板所配备的锂电池通过串联的方式组合成一个电压为432 V的新电池组，作为充电桩的供电电源，并设计充电桩的直流充电模块，使之对电动汽车进行直流充电，设计的直流充电模块的电路见图1。

在图2中的降压斩波电路中，E是432 V的直流电源，V是IGBT，VD是电力二极管，L是5 mH的电感（串接电感，可以使电流持续且脉动较小），R是等效电阻，10 Ω，蓄电池充电时，电路将产生反电动势Em，设Em为10 V。

3 整流电路的设计

当天气变差或在夜间无太阳能可用时，即太阳能电池板所发电量不足时，检测装置检测到后，则接通三相交流电，使三相交流电作为供电电源向充电桩供电。图2中的三相整流电路一次侧接入的是380 V的三相交流电U1，经变压器变压，二次侧变为有效值171 V的U2，在通过整流电路整流之后，随即得到了Ud，Ud=400 V，使其作为直流电源对电动汽车进行直流充电。

4 逆变电路设计

4.1 V2G技术简介

太阳能电池板发电，将为其储能的锂电池充电完毕后，如果此时没有电动汽车充电，充电桩则将通过逆变电路把储存的直流电逆变成交流电反馈给电网。众所周知，我国的电动汽车多，配套的充电桩数量不足，所以这种情形比较少。电动汽车的电池可看成是一个可以移动的蓄电池，根据V2G技术的理念，在空闲时间里把电动汽车多余的电量在电网用电高峰期反馈给电网，采用削峰填谷的方法，既能缓解电网的用电高峰，又能给车主带来一定的收益。其中，V2G技术是指能量在电动汽车与电网之间双向流动，既能通过整流技术从电网中获取电能，又能利用逆变技术在电网不稳定时向电网反送电。前面已经把充电桩通过三相整流技术从电网中获取电能做了介绍，下面则对电动汽车的电能反馈给电网的过程进行简单的介绍。

4.2 逆变电路及仿真波形

单相全桥逆变电路中，R=10 Ω，L=5 mH，C=4700 pF，IGBTV1、IGBTV2、IGBTV3、IGBTV4的栅极触发信号都是180°反偏、180°正偏，其中V1，V3分别与V2，V4的栅极触发信号互补，并且V3，V4的栅极触发信号分别比V1，V2滞后θ（89.13°），计算过程如下，即V1，V2的栅极触发信号分别比V3、V4的栅极触发信号前移180°～θ（90.87°）。

在0时刻给V1和V4触发信号，在0～t1（t1=24.76 μs）之间，V1和V4导通，逆变电路输出电压是Uo=Ud=400 V。在t1时刻给V3和V4相反的触发信号，使得在栅极反向触发信号的作用下V4截止，但在电路中电感电流io不能发生突变，所以在t1时刻V3不能立即导通，电流流过二极管VD3形成通路。在t1时刻，V1与VD3一起导通，因此，电路的输出电压为0 V。在t2=50 μs时，向V1、V2分别施加相反的触发信号，V1在接收到反向触发信号时截止，因为反向电流的作用下，使得V2不能立即导通，电流通过电力二极管VD2进行续流，和续流的电力二极管VD3构成电流通道，此时电路的输出电压Uo=-Ud=-400 V。电流在电感L（电感L将储存的电能释放出来）的作用下连续，在电流减少至0时，电流的方向立即改变成反向，在反向电流的作用下，二极管VD2、VD3在此时截止，而V2、V3则开始导通，电路的输出电压仍是Uo=-Ud=-400 V。在t3（t3=74.76 μs）时刻再次给V3和V4相反的触发信号，在栅极反向触发信号的作用下V3截止，因为反向电流的作用，使得V4不能立即导通，电流流过二极管VD4形成通路，所以，电路的输出电压为0.在t4（t4=100 μs）时刻给V1和V4触发信号，逆变电路输出电压是Uo=Ud=400 V，之后以0～t4为周期，重复以上过程。上面所叙述的是电动汽车在不使用时，将电池所储存的电能通过逆变电路逆变为220 V、50 Hz的正弦交流电，并将其反馈给电网的过程。如果太阳能发电使其储能的锂电池充电完成后，却没有电动汽车去充电，可通过直流降压斩波电路将锂电池的电压降至400 V，再接入上述的单相全桥逆变电路，逆变为50 Hz、220 V的交流电，反馈给电网。