電動(dòng)汽車儲(chǔ)能式直流快速充電站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)研究

李林林, 王翼, 董全智, 陳常曦, 陳偉明

(國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車的不斷推陳出新，其對(duì)充電站建設(shè)的適應(yīng)性提出新的要求，長(zhǎng)距離行駛對(duì)充電設(shè)施服務(wù)體系提出新的需求；智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展對(duì)用電主體提出新的功能要求[1-2]。針對(duì)以上問(wèn)題，為了提升充電設(shè)施運(yùn)行效率，降低建設(shè)成本；為了優(yōu)化退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入公共直流快充站的方式，減小直流快充站對(duì)電網(wǎng)影響，本文優(yōu)化集成設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車儲(chǔ)能式直流快速充電站系統(tǒng)[3]。

國(guó)際上許多國(guó)家和地區(qū)都在開展電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)和直流快速充電機(jī)的研制。Tesla(特斯拉)已經(jīng)在北美、歐洲和亞洲城市間的高速公路上建設(shè)超級(jí)充電站。2012年，ABB建成了歐洲當(dāng)時(shí)最大的電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目——愛(ài)沙尼亞電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由ABB提供和安裝的165個(gè)聯(lián)網(wǎng)式直流快速充電樁構(gòu)成，2月20日正式投入使用。在基于公共直流母線的電動(dòng)汽車充電站設(shè)計(jì)領(lǐng)域，國(guó)外尚無(wú)相關(guān)報(bào)道，但在基于直流母線的供電系統(tǒng)研究方面，國(guó)外起步較早[4-5]。相比于交流母線，直流母線供電以其強(qiáng)大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)具有巨大的發(fā)展前景，一些國(guó)家已紛紛開展了直流母線供電網(wǎng)的研究。本文從快充站系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向研究一套綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的集裝箱式充電站，并模塊化設(shè)計(jì)了系統(tǒng)內(nèi)各單元結(jié)構(gòu)及電氣控制方案，并對(duì)為電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)提供參考及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 快速充電站系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化配置設(shè)計(jì)

1.1 快充站系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

本文研究的儲(chǔ)能式直流快速充電站(本文簡(jiǎn)稱快充站)系統(tǒng)分為箱內(nèi)部分和箱外部分，系統(tǒng)總體布局如圖1所示。直流充電樁安裝在戶外，其他設(shè)備均預(yù)裝在箱體中，直流充電樁與直流充電機(jī)通過(guò)電纜連接。預(yù)裝式箱體結(jié)構(gòu)分為兩部分，從左至右依次為設(shè)備室、電池室，各功能單元有效隔離，間隔內(nèi)無(wú)裸露帶電部分，為全封閉、全絕緣結(jié)構(gòu)，提高充電站的安防護(hù)等級(jí)。箱體內(nèi)部裝有煙感報(bào)警裝置、照明等輔助設(shè)施。

圖1 快充站系統(tǒng)總體布局圖

圖1所示的A側(cè)和B側(cè)分別為集裝箱的前門和后門，其上設(shè)計(jì)可拆卸通風(fēng)網(wǎng)用于設(shè)備室和儲(chǔ)能電池室的通風(fēng)散熱。圖1所示的C側(cè)和D側(cè)對(duì)應(yīng)箱變內(nèi)部設(shè)備室部分設(shè)計(jì)單、雙開門形式，并且在門上設(shè)計(jì)通風(fēng)柵格并安裝軸流風(fēng)機(jī)，同時(shí)在門上設(shè)計(jì)安裝溫控器時(shí)刻監(jiān)控室內(nèi)溫度，這樣保證了設(shè)備的散熱及檢修的方便性。預(yù)裝式箱體減少建站的成本，而且方便運(yùn)輸，如圖2是預(yù)裝式箱體系統(tǒng)整體實(shí)物圖。

圖2 預(yù)裝式箱體系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)中的通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用3層結(jié)構(gòu)：設(shè)備層、間隔層和站控層，系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

設(shè)備層也可以稱為過(guò)程層，主要包含AC/DC集中變流器、DC/DC儲(chǔ)能變流器、電池組、直流充電機(jī)、充電樁等；設(shè)備層同間隔層有兩種通訊方式，其中AC/DC集中變流器、DC/DC儲(chǔ)能變流器、BMS與間隔層采用以太網(wǎng)通訊；直流充電機(jī)與間隔層采用RS485并聯(lián)總線通訊方式；設(shè)備層主要向上傳輸AC/DC集中變流器、DC/DC儲(chǔ)能變流器、BMS、直流充電機(jī)及充電樁的數(shù)據(jù)，同時(shí)接收間隔層監(jiān)控下發(fā)的遙控、遙調(diào)及功率協(xié)調(diào)分配等數(shù)據(jù)[6]。間隔層主要包含系統(tǒng)就地監(jiān)控設(shè)備及系統(tǒng)通訊設(shè)備(交換機(jī))，主要功能為對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部所有子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、定值下發(fā)等控制，同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的能量管理調(diào)度。上層主要是站控層，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)，高級(jí)策略的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等作用。

2 快充站梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)子系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

2.1 綜合監(jiān)控配電單元

系統(tǒng)綜合監(jiān)控配電單元由交流進(jìn)線電度表、各子系統(tǒng)輔助電源開關(guān)、系統(tǒng)監(jiān)控電腦、交換機(jī)等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)整個(gè)直流快充站系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及能量管理，接收上級(jí)管理中心的調(diào)度指令、電度計(jì)量及子系統(tǒng)輔助電源分配。系統(tǒng)配電柜內(nèi)包含整個(gè)直流快充站各子系統(tǒng)輔助電源、安防設(shè)備、散熱設(shè)備的電源分配，該部分設(shè)計(jì)由系統(tǒng)0.4 kV交流進(jìn)線取電，后經(jīng)各開關(guān)分別對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子單元進(jìn)行供電，所有開關(guān)均安裝于系統(tǒng)配電柜前面板上，其接線原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)配電接線原理圖

2.2 雙向DC/DC儲(chǔ)能變流器單元

圖5 兩級(jí)變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能變流器能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng)，其內(nèi)部功率模塊具備單模塊或多模塊故障后自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響整機(jī)運(yùn)行的功能。本研究設(shè)計(jì)采用的儲(chǔ)能變流器為雙向DC/DC儲(chǔ)能變流器，采用非隔離型DC/DC電路[7]。DC/DC電路可滿足不同儲(chǔ)能電池介質(zhì)的連接要求，適應(yīng)不同儲(chǔ)能電池的充放電優(yōu)化控制策略，延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池介質(zhì)的使用壽命，提高系統(tǒng)的效率和效益；雙向DC/DC電路可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式下的P/Q快速響應(yīng)，離網(wǎng)模式下穩(wěn)定控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)/離網(wǎng)模式的快速穩(wěn)定切換功能。在并網(wǎng)充電工作模式下， DC/DC變流器工作在Buck降壓方式，對(duì)電池充電，將直流母線側(cè)能量?jī)?chǔ)存到電池中；在并網(wǎng)放電工作模式下，DC/DC變流器工作在BOOST升壓方式，電池放電，將電池的能量傳遞給直流母線。雙向DC/DC儲(chǔ)能變流器的典型電路如圖5所示，雙向DC/DC儲(chǔ)能變流器連接于直流公共母線和電池組之間，主要由直流支撐電容、升降壓斬波電路，LC濾波和開關(guān)設(shè)備等組成。

2.3 充電設(shè)備單元

新型通用型直流快充設(shè)備采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)，提高充電機(jī)的功率因數(shù)、降低諧波電流，在整個(gè)充電過(guò)程中不對(duì)電網(wǎng)和周圍的設(shè)備造成影響和干擾，滿足綠色環(huán)保的要求。充電設(shè)備采用模塊化的并聯(lián)均流冗余技術(shù)，通過(guò)與電池BMS通訊獲取電池狀態(tài)信息，調(diào)用不同的充電曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的智能均衡充電。

充電站系統(tǒng)內(nèi)部共包含4臺(tái)120 kW模塊化理念設(shè)計(jì)的直流充電機(jī)，每臺(tái)充電機(jī)對(duì)應(yīng)兩臺(tái)直流充電樁，對(duì)外接口如圖6所示。充電機(jī)采用12個(gè)10 kW DC/DC充電機(jī)模塊并聯(lián)，通過(guò)總斷路器直接接入750 V直流母線，6個(gè)10 kW DC/DC整流器模塊輸出側(cè)并聯(lián)，通過(guò)分支斷路器接入充電樁，共計(jì)2路分支，每個(gè)支路直流側(cè)電壓接入范圍為200 V～700 V，每個(gè)模塊輸出電流為0～15 A。

圖6 充電機(jī)柜對(duì)外接口示意圖

2.4 梯次電池組單元

本文研究的快充站采用電動(dòng)汽車換電站退役動(dòng)力電池，電池類型為單體22 Ah的磷酸鐵鋰電池。采用12并216串組成264 Ah電池單元。電池組是由4個(gè)電池架組成,在電池組與變流器之間的接入與控制電路等直流電氣單元安裝在電池柜體上。電池管理系統(tǒng)采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每個(gè)電池箱內(nèi)設(shè)置一臺(tái)電池管理單元(BMU),上層設(shè)置一臺(tái)電池組管理單元(BCMU),整組電池設(shè)置一臺(tái)人機(jī)單元(BAMS)，電池組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 儲(chǔ)能電池組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真用例

為了測(cè)試梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入直流快充站的運(yùn)行狀態(tài)，本文以500 kW單向AC/DC集中整流器為例進(jìn)行仿真研究，仿真電路如圖8所示，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真電路基本參數(shù)

圖8 梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入直流快充站仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

單向AC/DC集中整流器主要對(duì)不正常工況進(jìn)行仿真分析，包括電網(wǎng)電壓突變和過(guò)欠壓、三相不平衡、電網(wǎng)電壓含諧波等。注：圖9和圖10中Ig為電網(wǎng)側(cè)電流；I/Ibat為直流側(cè)電流；Vc為電網(wǎng)側(cè)電壓。

(1)電網(wǎng)電壓突變和過(guò)欠壓狀況

圖9 電壓突變時(shí)電網(wǎng)電流和電池電流波形

圖9所示為逆變工況時(shí)電網(wǎng)電壓突變以及過(guò)欠壓時(shí)候的電網(wǎng)電流和電池電流波形，在0.1 s前電網(wǎng)電壓正常，0.1 s時(shí)電網(wǎng)電壓突升為正常電壓的115%，0.2 s時(shí)突降為正常電壓的85%?？梢钥吹皆陔娋W(wǎng)電壓突升突降時(shí)電池電流均有一定的振蕩，但震蕩幅值較小，在20 ms以內(nèi)能恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)仍然能夠正常工作。電網(wǎng)過(guò)壓和欠壓時(shí)的電流諧波畸變率分別為5.75%、2.73%。由于電網(wǎng)過(guò)壓時(shí)，直流側(cè)電壓不夠，出現(xiàn)過(guò)調(diào)制現(xiàn)象，導(dǎo)致電流畸變較大，可以通過(guò)升高直流母線電壓來(lái)改善電流波形。

(2)電網(wǎng)電壓含大量諧波狀況

圖10 電壓含諧波時(shí)電網(wǎng)電流和電池電流波形

圖10所示為電網(wǎng)電壓中存在6%的5次諧波，5%的7次諧波時(shí)的電網(wǎng)電流和電池電流波形?？梢钥吹诫娋W(wǎng)電流中5、7次電流諧波明顯增加，并網(wǎng)電流THD=3.96%，此時(shí)仍能滿足5%要求。電網(wǎng)電壓含有較大的5、7次諧波時(shí)，在直流側(cè)主要引起6次(300 Hz)的電池電流紋波，如圖10(c)所示，在直流母線電容旁并聯(lián)一個(gè)諧振頻率為300 Hz的LC串聯(lián)諧振回路，用來(lái)吸收電池電流中的300 Hz紋波，電池電流紋波在4 A以內(nèi)，和電網(wǎng)正常時(shí)電池電流紋波大小相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的電動(dòng)汽車快充站系統(tǒng)由于設(shè)置儲(chǔ)能電池單元，能在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定直流側(cè)負(fù)載運(yùn)行所需電流及電壓數(shù)值，從而減小快充站中所有負(fù)荷峰值與低谷值差距，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行效益；由于采用預(yù)裝式集裝箱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，這對(duì)近年國(guó)際范圍內(nèi)推廣電動(dòng)汽車提供了較大的設(shè)備及技術(shù)支持。

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