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具有储能功能的电动汽车充电系统研究

发布时间:2019-05-27 15:41所属分类:科技论文浏览:1

摘要:电动汽车的发展带来了电动汽车充电站大规模建设问题会对电网容量及设备投入有更高的要求。针对这种现状提出了建设储能式充电站的设想。通过设计储能电池充放电效率检测实验,得出储能蓄电池充放电效率以及对储能式电站进行经济效益分析,说明了储能式

  摘要:电动汽车的发展带来了电动汽车充电站大规模建设问题会对电网容量及设备投入有更高的要求。针对这种现状提出了建设储能式充电站的设想。通过设计储能电池充放电效率检测实验,得出储能蓄电池充放电效率以及对储能式电站进行经济效益分析,说明了储能式充电站建设的可行性。储能式充电站的建设不仅能改变电动汽车充电现状而且还能应用到其他用电行业,意义重大。

  关键词:电动汽车,充电,储能式充电站,储能效率

电力系统自动化

  电动汽车作为新一代的交通工具,其在节能减排、减少人类对传统化石能源的依赖方面,相比传统汽车有不可比拟的优势[1]。随着电动汽车的发展也带来了其充电问题。电动汽车接入电网后造成的负荷增长也将增加发、输、配电系统的压力,这时电力公司的电力装机容量与电力输送设备,也必须随之调整,以应对大量电动汽车在负荷高峰时段充电的情况[2]。本文从电动汽车的充电问题入手提出解决问题的储能式充电站的建设方案及能效分析。

  1电动汽车充电方式及充电问题

  1.1电动汽车充电方式

  电动汽车的充电方式一般有两种:常规充电和快速充电。常规充电方式直接采用普通用电充电,一般需要5~8小吋,根据充电机功率不同而定。这一充电类型非常适合家庭使用。以家庭电路能够承受的输入电流为家用轿车充电,电流输出约为10~15A,电池充满需要的时间约为6个多小时[3]。快速充电又称应急充电,是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内(具体的充电时间由电动汽车动力电池的接收能力而定),为其提供短时充电服务,一般充电电流为150~400A。

  由于充电在短时间内(约为10~15分钟)就能使电池储电量达到80%~90%,与加油时间相仿,使电动汽车使用起来非常方便[4]。

  1.2电动汽车充电问题

  对于常规充电,由于充电时间较长一般为5~8小时。在紧急事务面前没有人愿意等这么久的充电时间。对于快速充电,据测算,以比亚迪E6纯电动汽车为例,对其快速充电2小时可以充电57kW·h,行驶里程300km[5]。

  假设在半个小时充进60kW·h电,以220V的电压给一台电动车充满电,为了减少充电时间,实现快速充电,就要提高充电功率,就需要以大电流充电。给多台电动车充电,对于充电站的容量就必须很大,普通的配电网难以提供这么大电流和高容量的要求,所以需要对配电网进行改造,增设变压器,选直径大的电缆,专门建设电动车充电网。并设置滤波无功补偿设备,从而减少充电站对电网的污染。增加了投入和建设难度。

  2储能式充电站的设计

  2.1储能式充电站的提出

  为解决电动汽车充电站常规充电时间长以及快速充电需要对电网进行改造的问题,提出了储能式充电站的建设构想。这种储能式充电站可以使用站内的储能电池和站内的充电设施给电动汽车充电。根据目前正在建设的新型智能电网和将来要普遍实行的峰谷平时段用电机制,设想在负荷小的用电低谷时段的夜间,给储能式充电站内的蓄电池以常规充电方式充电,白天利用夜间充满电的蓄电池给前来充电的汽车快速充电。使用蓄电池给电动汽车充电来分担充电站的一部分充电任务。这样不但降低了充电站的设备容量投入,还有利于平衡电网负荷。

  2.2储能式充电站结构

  蓄电池组再给电动汽车充电有两种实现方式:一种是直接通过DC/DC,一种是通过能量转换器PCS转换成直流后经过升压变压器升压到配电网等级。

  3储能铅酸蓄电池充放电效率测试研究

  3.1铅酸蓄电池最佳充电方式

  传统充电方法包括恒压充电、恒流充电以及以此方法为基础的恒压限流充电以及变电流间歇充电、变电压间歇充电和脉冲充电等[6]。其中,使用恒流充电法充电时,在初始阶段蓄电池受点能力强,但充电电流过小,充电后期析气严重,充电电流相对偏大,整个充电过程时间较长,耗能多,充电效率低于65%;使用恒压充电法充电时,在充电过程初期充电电流较大,中后期电流逐渐减小,整个充电过程时间较短,耗能少,充电效率可达到80%,但充电初期的大电流会对蓄电池的寿命造成很大影响[7]。结合两种充电方式的优缺点,同时补偿自放电而造成容量损失,文中提出三段式充电方法,即在蓄电池充电初期以恒流法充电,充电中期以恒压法充电,充电后期采用涓流充电。

  3.2蓄电池充放电电路硬件设计

  为了研究不同充电方式的充放电效率,设计蓄电池充电电路和放电电路。由主电路,控制电路组成。其中,主电路包括降压变压器,整流装置,BUCK降压斩波电路。控制电路用DSP28335作为控制及算法处理单元;采集斩波电路的输入、输出的电压、电流,通过A/D转换把信号传送到DSP作为检测和反馈信号。

  实验对象使用川西免维护铅酸蓄电池(12V,60Ah)。输入220V交流电,通过4:1的降压变压器转换为50V/40A的低压大电流交流电,然后通过单相整流桥和电容滤波电路转为60V的直流电,最后通过DSP控制电路控制降压斩波电路输出所要求的充电电压和电流值;通过人机交互中的键盘模块可以实现各种充电方式的选择,通过液晶模块可以显示实时数据。

  充电初期,蓄电池电量低,可接受电流能力强,故选用12A的电流进行恒流充电直至蓄电池的端电压达到14.7V。恒压充电分为两个阶段,第一阶段充电电流设置为6A,第二阶段充电电流设置为3A。同时对蓄电池进行温度检测,当温度超过39°C时,停止充电15s。在常温下进行实验,通过三段式充电实验可以测出,充入蓄电池的电量约为9.2Ah,从斩波电路中输出的电量为10.8Ah。对比常见的恒流充电方式在相同的实验条件下进行对比实验。

  实验测得,充入蓄电池的电量为7.4Ah,从斩波电路中输出的电量为11.8Ah,效率η为62.71%。由以上数据我们可以看出采用本文提出的三段式充电方式可以提高蓄电池的能量利用效率22.48%。主要由升压斩波电路、逆变器、控制电路和蓄电池四部分组成。升压斩波电路将蓄电池的端电压升到逆变器直流侧要求电压,检测电池输出电流,将设定电流与实际电流做差,通过PI控制器,PI控制器的输出作为占空比,控制升压电路的输出电流。其中,DSP是控制电路的核心,可以完成多种充电方式的选择,电路的过电流、过电压保护,充放电效率的数据显示等功能。

  3.3蓄电池充放电效率测试软件设计

  首先程序将检测蓄电池端电压,检测蓄电池是否完全放电即端压是否是10.5V,才开始对其充电,并记录此时电表的电能值W1。充电过程中检测蓄电池充电电压、电流,当充电电流约等于3A,同时蓄电池端电压达到阈值14.7V时,蓄电池完成充电,记录电表读数W2。然后对蓄电池放电,当蓄电池端电压等于10.5V时放电结束,记录电表读数W3。蓄电池的储能效率为(W3-W2)(/W2-W1)*100%[8]。

  4储能式充电站效益分析

  4.1常规充电站与储能式充电站对比

  4.1.1常规充电站

  假设快速充电以0.5小时计算,每车每次充60kWh,充电站每天工作12小时,那么一个充电设施的电源容量为120kW。每个充电设施每天消耗电能为120kW*12h=1440kWh。普通居民用电设施无法满足,这需要专门增设变压器及相关线路。

  考虑电力公司对峰谷平用电时段的划分,以及陕西电网分时销售电价表针对一般工商业1~10kV的收费规定。假设常规充电站运营时间是8:00~20:00(共12小时),高峰时段8:00~11:00和18:00~20:00(共5小时,1.1981元/kWh),平常时段11:00~18:00(共7小时,0.8123元/kWh)。则有每天每台充电设施需付电费为:5×120×1.1981+7×120×0.8123(元)=1401.192(元)4.1.2储能式充电站白天由站内蓄电池和充电站共同给电动车充电,各占一半,720kWh。低谷8小时和平段4小时给站内电池充720kWh,需要电池容量720kWh/12h=60kW。

  这样对电源容量的需求就降低了一半。假设储能式充电站每天在低谷时段(共8小时,0.4266元kWh):23:00~7:00和4小时的平常时段内对站内蓄电池充电,给电动汽车充电的营业时间是8:00~20:00(共12小时),高峰时段8:00~11:00和18:00~20:00(共5小时),平常时段11:00~18:00(共7小时)。

  那么每天每台充电设施需付电费为给站内蓄电池充电的电费+给电动车充电的电费。考虑蓄电池充放电效率为上面计算的84.3%则总电费为:[5×60×1.1981+7×60×0.8123]+[8×60×0.4266+4×60×0.8123]/0.843(元)=1174.759(元)储能式充电站每天每台充电设施可节约电费为:1401.192-1174.759(元)=226.433(元)原来的常规充电站每个充电设施需要配置12V60Ah的铅酸蓄电池个数为:720kWh12V·60Ah(个)=1000个假设每个铅酸蓄电池350元,可以使用5年,那么购买蓄电池的花费为35万,5年储能式充电站节约电费为:5×365×226.433元=41.32万元节约的电费可以用来购买储能电池,而且储能式电站减少了变压器的容量,减少了变压器和相关线路的投入。

  4.2建设储能式充电站意义

  通过上面的计算可以看出建设储能式充电站比建设常规充电站减少变压器等设备投入,经济、不受电网容量的局限。可以降低对充电设施的电力改造投入,节约了用电。通过电池容量可以选择满足不同容量的充电要求,也可扩展到其他用电领域。对平衡电网负荷和有效利用,有战略意义。

  5结束语

  文中从电动汽车的充电问题入手,提出解决问题的设想:建设储能式充电站,对储能电池的储能效率进行实验研究得出储能效率,从而得出储能式电站的效益,储能式充电站的建设是可行的,如果能提高储能电池的充放电效率和储能电池的寿命,受益的将会不仅仅是电动车行业。

  参考文献:

  [1]徐智威,胡泽春,宋永华,等.充电站内电动汽车有序充电策略[J].电力系统自动化,2012,36(11):38-43.

  [2]王振华,王全海,宋海飞,等.电动汽车充电桩主动充电控制策略[J].测控技术,2017,36(12):90-92.

  [3]马玲玲,杨军,付聪,等.电动汽车充放电对电网影响研究综述[J].电力系统保护与控制,2013,41(3):140-148.

  [4]车长明,张华栋,李建祥,等.需求侧规模化电动汽车的充电负荷优化调控策略[J].山东大学学报:工学版,2017,47(6):108-114.

  [5]厉志辉.电动汽车充电站对电网影响[D].济南:山东大学,2013.

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