基于场地电动车柔性分配功率充电机的研究与应用

摘 要：随着场地电动车的广泛应用，其充电需求日益增长，特别是对于内置电池多样性的充电解决方案。针对这一问题，研究并设计了一种非车载低压快速充电机，该充电机能够智能地分配功率，以适应不同电动车的充电需求。首先详细阐述了柔性功率分配的技术原理，以及优化功率分配算法。然后介绍了充电机硬件构成的几个核心模块，包括：主控制器、功率模块（分为前级AC/DC和后级DC/DC）和功率分配单元。最后介绍了充电机的软件业务实现逻辑，通过硬件和软件的综合设计，实现了充电过程的智能化和自动化。该研究的创新之处在于提出了一种新型的快速充电解决方案，通过柔性分配功率，达到减少充电时长，节能增效的目标。

关键词：场地电动车 低压充电机 功率柔性分配 功率模块

1 引言

随着全球对可持续交通解决方案的需求不断增长，场地电动车因其环保无噪、低速安全、经济便利等优点而被广泛应用于旅游景点、园林小区、高尔夫球场、街道巡逻、清洁环卫、智能仓储等各个领域。然而，电动车的广泛普及受限于充电基础设施的完善程度，尤其是快速充电技术的发展，这对于提升用户体验和推动场地电动车市场发展至关重要。

目前，场地电动车的充电方式主要有两种：车载充电机和非车载专用低压充电机。车载充电机通过电源线和市电相连即可充电，使用简单方便，但存在成本较高、占用车辆空间、充电功率较小等缺点。非车载充电机则通过将市电交流电整流为低压直流电为电池充电[1]，具有充电功率可定制、实现快速充电、不占用车辆空间等优点，但需要简单培训才能使用。

这两种充电方式均为固定功率充电，存在最大功率受限和冗余功率无法利用的局限性。当电池快充满时，充电功率会快速减小，若充电机为多台电动车同时充电，会造成充电功率的浪费，尤其是功率较大的充电机。因此，固定功率充电由于缺乏灵活性，无法根据电池的实际充电状态调整功率，导致充电效率不高，充电时间较长，增加了能耗和运营成本。

针对现有技术的局限性，本文提出了一种新型的快速充电解决方案——柔性功率分配的非车载低压充电机。该技术的核心在于评估合适的最小颗粒度的充电功率模块，将它们组合后，再依据各个车辆的充电状态柔性分配功率，从而减少充电时长，节能增效。

2 柔性分配功率的技术原理

本方案的核心由三大模块构成：主控模块、功率分配模块和电源模块。电源模块又分为两级架构，前级是AC/DC整流电路，产生恒定的110V直流母线电压，后级是由M个最小功率颗粒度的DC/DC模块并联而成。柔性分配功率的技术方案原理示意图１所示。

场地电动车的快速充电过程，涉及复杂的数据交互和智能功率管理，以确保充电既快速又符合车辆的具体需求。以下是充电过程中的关键步骤：

2.1 数据交互与参数获取

当充电机与电动车建立连接后，主控模块通过工业总线与车辆的电池管理系统（BMS）进行数据交互。充电机获取关于电池状态的实时参数，包括充电需求电压、充电需求电流等。这些参数对于确定充电策略和保障充电安全至关重要。

2.2 充电需求分析

根据从BMS获取的充电需求电压，充电机计算出各个DC/DC转换模块可以提供的最大充电电流值。不同电动车的充电电压是可能存在差异的，例如48V或72V。

2.3 最优模块组合计算

考虑到不同车辆的充电需求电流和DC/DC模块的最大功率输出，充电机将计算出最优的模块组合方案。这一方案旨在在满足充电电流需求的同时，最小化充电功率的浪费，从而提高充电效率。

2.4 充电过程的实时调整

一旦确定最优的模块组合，充电机将对相应的功率分配模块发送指令，开始对电动车进行充电。在充电过程中，主控模块将持续监测充电需求的电压和电流，并根据这些参数的实时变化，通过功率分配模块来动态调整功率的分配。

2.5 冗余功率的柔性分配

在充电过程中，如果检测到某些模块的功率未被充分利用，充电机将智能地重新分配这些冗余功率，以满足其他车辆的充电需求。这种柔性功率分配策略不仅提高了充电机的整体效率，也为充电场地的运营商带来了经济效益。

3 柔性分配功率的控制策略

3.1 功率分配的初步设定

参考图1，首先，当场地电动车连接到充电机时，BMS会实时发送当前电池所需的充电电压U和充电电流I至充电机。充电机的主控模块接收到这些信息后，进行以下步骤：

（1）最大电流计算：主控模块根据给定的电压U，已知单个DC/DC模块的最大功率条件下，可计算单个DC/DC模块在该电压下能够输出的最大电流Id_max。

（2）DC/DC模块数量确定：通过公式（n-1）*Id_max<I<n*Id_max，计算出所需的最少DC/DC模块数量n，以满足电动车的充电需求。

（3）功率分配控制：一旦确定了所需的DC/DC模块数量，主控模块将控制功率分配模块，闭合n个空闲DC/DC模块的充电通路，以向电动车提供所需的电流。

（4）电流分配及控制指令：主控模块进一步计算每个DC/DC模块实际应输出的电流Id_rt，满足公式Id_rt=I/n。并向相关的n个模块发出控制指令，确保电流的平均分配。

3.2 需求功率变化时的调整策略

随着电动车电池接近充满状态，所需的充电电流会迅速下降，此时进入涓流充电阶段以保护电池。充电机的主控模块通过与车辆的BMS持续通信，实时监测到充电需求电流I′的变化。

（1）最优DC/DC模块数量重新计算：根据新的充电需求电流I′，主控模块利用公式 （m-1）*Id_max<I’<m*Id_max，重新计算最优的DC/DC模块数量m（其中m<n），以适应当前的充电需求。

（2）DC/DC模块冗余识别与释放：通过比较当前的DC/DC模块数量n与新的最优数量m，主控模块识别出冗余的模块数量（n-m），并决定释放这些模块，以便为其他电动车提供充电服务。

4 智能低压充电机的硬件实现

本文基于上述功率柔性分配原理和策略，设计实现了双枪和四枪充电机，分别能支持两台和四台场地电动车同时快速充电。其中双枪充电机柔性分配功率的电气控制原理图如图２所示（四枪充电机同理）。

4.1 主控制器

主控制器，是基于GD32F105RBT6 在Keil V5开发环境上开发的。该MCU是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位通用微控制器，有128KB的Flash和64KB的SRAM，最高主频达108MHZ[2]，确保了快速的指令执行和处理速度。具有2路CAN接口，支持CAN 2.0B协议，可以高速、可靠地分别与车辆的电池管理系统（BMS）以及充电机内部的功率模块进行通信。还包含5路USART，可用于和显示屏或后台监控系统保持实时通讯，传递充电数据或设置用户参数。

4.2 功率模块前级AC/DC

功率模块前级AC/DC的主要作用是将三相交流电转换为稳定的直流母线电压。在本设计中，目标是产生110V的直流母线电压，为后级DC/DC转换器提供稳定的电源支撑。这一步骤对于整个充电系统的稳定性和可靠性至关重要。

它采用三相维也纳（Vienna）拓扑架构，通过提供三个电平的输出电压，从而减少了开关损耗和电磁干扰（EMI）。这种拓扑结构特别适合于三相输入系统，能够实现高效率和高功率密度的电力转换[3]。

半导体开关器件的选择至关重要。MOSFET因其快速开关特性、较低的导通电阻和良好的热稳定性而被采用。

软件控制采用电压电流双闭环PI控制，保证直流输出母线电压的持续稳定[4]。

4.3 功率模块后级DC/DC

后级DC/DC采用三电平移相全桥拓扑电路，这种设计可以提供更平滑的输出电压波形，减少电压纹波，从而提高整个系统的效率和性能[5]。

该DC/DC能够实现0-100V的宽范围输出电压调节，这种灵活性使得系统可以适应不同的负载需求和电池充电阶段。

通过精确的控制策略和优化的电路设计，后级DC/DC转换器能够将输出电压纹波控制在很小的范围内。这对于保护敏感电子设备和延长电池寿命至关重要。

4.4 功率分配单元

功率分配单元是柔性分配功率的充电系统中的一个关键组件，它负责根据充电需求和策略，动态地分配功率到各个DC/DC模块。

该单元实际上是由多个并联的继电器组合模块构成，每个继电器对应控制一个DC/DC模块的充电回路。它们负责在主控模块的指令下，断开或闭合DC/DC模块的充电回路。这种控制方式允许系统根据实时的充电需求，灵活地调整参与工作的DC/DC模块数量。

功率分配单元在设计时还需考虑电磁兼容性问题。继电器的切换会产生瞬态电流，可能对系统的其他部分造成干扰。因此，需要采取适当的滤波和屏蔽措施，以满足EMC标准[6]。

安全更是充电机设计的首要考虑。功率分配单元应具备过流、短路和过热保护功能，以防止意外情况对系统造成损害。

5 充电机的软件实现

5.1 启动和自检

在充电机初次上电时，系统自动进入自检状态。此阶段的主要任务包括：

（1）内部故障检测：系统执行一系列预定的故障检测程序，以确保所有内部组件正常工作。

（2）模拟-数字转换器（ADC）采样：通过ADC对电压和电流进行采样，确保充电机的输入信号准确无误。

（3）按键输入采集：收集用户通过按键输入的指令，以供后续处理。

（4）告警判断与处理：对检测到的任何异常情况进行判断，并执行相应的告警处理机制。

在自检状态下，充电机不会响应任何与充电相关的控制命令，以确保安全和系统的可靠性。

5.2 待机与通讯握手

自检完成后，充电机进入待机状态，此时内部功率模块保持关闭。若用户通过按键下达启动命令，充电机将与电池管理系统（BMS）进行通讯匹配。匹配成功后，若满足启动充电的条件，充电机将设置开关机控制状态为开机状态。此时，电压和电流的设定值将根据BMS的给定值或人工设置进行配置。

5.3 充电过程

充电机启动后，进入充电阶段，分为以下几个步骤：

（1）恒流充电阶段：在这个阶段，充电机的输出电流严格遵循BMS设定的电流值，同时充电电压与电池电压保持一致。

（2）功率模块最优分配判断：当个别车辆接近充满时，充电机会按照柔性分配功率策略，释放冗余的功率模块，同时分配给其他需求充电车辆。

（3）充电完成判断：当电池电压达到其最大可充电电压值时，充电机判断充电过程完成，并进入充电完成状态。

5.4 运行监控与异常处理

在充电过程中，充电机持续进行监控，以确保充电安全和效率。监控内容包括：

（1）交流异常检测：监测交流电源的稳定性，确保电源供应符合充电要求。

（2）直流输出过欠压保护：实时监测直流输出电压，防止电压异常对电池造成损害。

（3）直流输出过流和短路保护：实时监测直流输出电流，防止电流异常对电池或充电机造成损害。

（4）过温告警：通过温度传感器监控充电机的内部温度，避免过热导致的安全隐患。

若在运行过程中检测到任何异常情况，充电机将立即进入告警状态，并终止充电过程，以保护电池和充电设备的安全。

6 结语

本文针对场地电动车充电需求的多样性和快速增长，提出了一种基于柔性功率分配的非车载低压快速充电机。通过综合设计，本研究实现了对多台车辆同时充电过程中，根据车辆实时所需的充电功率大小变化，动态地调整功率分配，从而显著提高了整个系统的充电效率。同时，本充电机的设计充分考虑了充电过程的稳定性和安全性，确保了充电操作的可靠性。

柔性功率分配策略的应用，使得充电机能够适应不同场地电动车的充电需求，实现了资源的最优配置。与传统的固定功率充电方式相比，本充电机展现出更高的灵活性和效率，减少了因功率不匹配导致的能源浪费，降低了运营成本，提高了经济效益。

本研究为场地电动车的充电问题提供了一种创新的解决方案，有望推动场地电动车充电技术的发展，为实现更加绿色、高效、智能的充电服务做出贡献。

参考文献：

[1]张再磊，陈伟林.一种叉车用快速充电方法的研究[J].物流技术与应用，2021，26（10）：200-202.

[2] GD32F105XXDatasheet[Z].2013：22.

[3]冯兴田，崔晓，陶媛媛.三相三线制Vienna整流器系统仿真与实验平台设计[J].实验室研究与探索，2020，39（3）：102-105，145.

[4]朱文杰，任聪，许赢，等.基于滑模控制的维也纳整流器电流谐波抑制[J].电工技术，2022，11：36-39.

[5]刘计龙，肖飞，陈伟，等.一种三电平全桥直流变换器新型控制策略研究[J].中国电机工程学报，2014，34（33）：5854-5860.

[6]翟国富，薄凯，周学，等.直流大功率继电器电弧研究综述[J].电工技术学报，2017，32（22）：251-263.