电动汽车充电桩控制工作原理研究

(整期优先)网络出版时间:2021-02-25
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电动汽车充电桩控制工作原理研究

柴娜 郝钒宇 齐大翠

天津平高智能电气有限公司,天津 300300

摘要:近些年,出于环保和减小能源损耗的考虑,各个国家都大力发展电动汽车事业。充电桩作为电动汽车的配套设备,受到广泛关注,并朝着高频化、高功率密度化、便捷化和智能化的方向不断发展。然而在发展过程中还是存在很多问题,高频高密度的同时,会影响开关电源的充电效率,甚至会导致严重的后果,这些对于充电桩发展来说都是亟需解决的。基于此,本文主要对电动汽车充电桩控制工作原理进行分析探讨。

关键词:电动汽车;充电桩控制;工作原理

1前言

相对于在人们心中根深蒂固的传统汽车,电动汽车(后文简称EV)还有一些很根本的问题,阻碍了其发展。其中重中之重的问题是充电问题,相比于传统汽车的随来随加的方便和快捷,电动汽车的充电显得略微乏力,汽车进入社会的速度比城市规划的落实速度快很多,电动汽车的能源供给还不能做到像传统汽车那般方便;与此同时,充电过程的用时和能源损耗相对较高,是电动汽车能够普及的关键问题所在。因此,加快突破电动汽车充电技术难关显得愈发的重要,开发新型拓扑结构,研发和优化控制策略,对电动汽车被人们和社会接受具有深远的经济效益意义和社会发展意义。

2充电桩的充电方式

充电方式主要有四种,分别是快速充电方式、慢速充电方式、无线充电方式、更换电池充电方式。使用充电桩进行充电时,可以采取有限预付费的方式,根据用量多少进行扣费;充电桩内置打印机,可以使用充电数据进行自动打印。充电桩还具有语言导航功能,方便用户进行操作;用户在充电时能自助充电,无需专人守护。为确保充电接口安全,充电桩还安装有智能电磁门锁;如果有漏电、过流、过压、插头断开、线缆破损等问题,充电桩都可以实现自动保护。在管理中心,操作人员可同时对数百个以上的充电桩进行管理,实现对充电卡、充电桩信息的全自动记录。

3充电桩系统及其控制工作原理

3.1电气系统

交流充电桩的电气系统有主回路和二次回路。主回路的组成部分有输入交流控制接触器、保护断路器、充电接口连接器和交流智能电能表。其中控制电源通断的是交流接触器;输入断路器具备过载、短路和漏电保护功能;连接器具有锁紧装置,能防止错误操作,它是与电动汽车连接的充电接口;交流智能电能表是对交流充电进行计量的工具。

二次回路提供“启停”控制与“急停”操作,它的组成部分有运行状态指示灯、急停按钮、控制继电器、充电桩智能控制器和人机交互设备(显示、输入与刷卡)。其中,信号灯的作用是提供“待机”“充电”与“充满”状态指示;提供刷卡、充电方式设置与启停控制操作的则是人机交互设备。

3.1.1供电系统

给充电设备提供电源的是供电系统,它由一次设备和二次设备组成,其中一次设备有开关、变压器及线路等,二次设备有检测、保护、控制装置等。供电系统配有专门消除谐波的有源滤波装置,可以帮助稳定电网。

3.1.2充电设备

整个充电站电气系统的核心构成部分是充电设备,充电设备分为两种,分别是交流充电装置(桩)和直流充电装置。直流充电装置又叫非车载充电机,按照功率可以分为小型、中型和大型,主要对电池进行快充,而交流充电装置(桩)则可以实现对电池的慢充。非车载充电机运用V2G技术,通过使用进口高频IGBT的方式整流逆变模块,可以实现对动力电池的安全、快速充电。而且它还能完成电网与电池之间的双向能量交换,其原理是建立起控制器与后台系统的通信和连接,把动力电池的能量状况反馈到电网。非车载充电机的通信连接快速、可靠,主要依靠高速CAN总线。交流充电桩的功能主要是为车辆提供慢充服务,它连接车载充电器,输出的是交流电。

3.2监控系统

充电监控系统通过网络连接各工作站、服务器,这些计算机包括监控工作站、数据服务器等。其中监控工作站通过充电监控人机交互界面为充电机提供监控和数据收集、查询等信息。存储整个充电系统的原始数据和统计分析数据的是数据服务器,它的主要作用是提供数据服务和其他应用服务。

3.3通信系统

整体系统主要有四个组成部分,分别是电动汽车充电桩、集中器、电池管理系统(BMS)、充电管理服务平台。

3.3.1电动汽车充电桩

通过嵌入式ARM处理器可以实现对电动汽车充电桩的电路控制,用户能按照液晶屏提示选择充电模式,充电模式有按电量充电、按时计费充电、按里程充电和自动充满四种。用户也可以通过自主刷卡进行用户验证、查询余额和计费。

3.3.2集中器

电动汽车充电机控制器与集中器的数据交互通过CAN总线实现,集中器与服务器平台的数据交互则利用有线互联网或无线GPRS网络。为了保证数据安全,通常对电量计费和金额数据进行加密。

3.3.3电池管理系统

电池管理系统(BMS)通过监控电池的工作状态,包括电池的电压、电流和温度等,对电池进行管理,避免出现过充、过热、过放电和单体电池之间电压严重不平衡现象。它还可以对动力电池的电池容量(SOC)和相应的剩余行驶里程进行预测,有助于最大限度地利用电池存储能力和延长电池使用寿命。

3.3.4充电服务管理平台

充电管理、充电运营、综合查询是充电服务管理平台的功能。充电管理对系统涉及的基础数据如电池信息、电动汽车信息、用户卡信息、充电桩信息进行集中式管理;充电运营的作用是对用户的充电活动进行计费管理;综合查询是对充电管理和充电运营的数据进行综合分析查询。

4电动汽车充电过程

电动汽车充电通过三相电网输入交流电,经桥式不可控整流电路可变成直流电,再通过LCR电路滤波后传输到高频DC—DC功率变换器。通过功率变换实现直直变换输出符合要求的直流电压,经输出滤波后最终可以为电动汽车蓄电池充电。充电可选择四种模式,分别是定时间、定金额、定电量、自动充满。

目前,传感式无线充电技术在充电大功率的情况下会产生辐射干扰,在实际应用中广泛使用的充电方式是接触式充电。在快速发展的变流控制技术和电力电子技术的影响下,大容量电池越来越多,单一的充电模式已无法满足现实需求的变化。电动汽车在充电时,采用的是恒压限流充电和分阶段恒流充电混合的充电模式。常用的电动汽车电池有蓄电池和燃料电池两种,蓄电池用于纯电动汽车,燃料电池则用于混合动力电动汽车。蓄电池是主要动力元件,在电动汽车使用过程中,为电动汽车提供低速启动和全负荷加速的动力支持,现阶段大多数充电电池主使用锂电池。

在刚开始充电的时段,大都通过采用最佳充电倍率进行限流充电。在这一时段,电池电动势低,尽管充电电压不高,充电电流也会很大,因此,必须限制充电电流。充电电压增大时,电池的电动势会不断上升,充电电压也将随之攀升。当电池电压达到安全范围内,最佳充电电压的时候将保持恒压充电。在这一时段,电动势不断上升,但是电压保持不变,故电池的充电电流将呈双曲线趋势不断下降直至零。然而实际操作过程中,当充电电流小于0.015A时,就可以停止充电。

5结束语

随着电动汽车生产和销售的不断增加,亟需解决电动汽车充电问题,充电桩的数量也会随之快速增长。文章对充电桩的类型和充电方式进行了分析,然后从电气系统、监控系统、工作流程和通信系统等几个方面详细分析了电动汽车充电桩的控制工作原理。电动汽车充电桩的市场会越来越大,研究充电桩的控制工作原理,对电动汽车充电设备的研发和充电桩等基础设施的建设具有重要的意义。

参考文献:

[1]陆濛洲,罗印升,宋伟.电动汽车直流充电桩控制系统的设计与实现[J].电子科学技术,2017,4(4):101-107.

[2]张征.直流充电桩嵌入式控制系统的设计与实现[D].郑州:郑州大学,2017.