多輸入電動汽車充電裝置的設(shè)計

周雅夫 劉邵勛 黃立建

摘 要：為解決退役汽車動力電池資源浪費和傳統(tǒng)電動汽車占用電網(wǎng)資源的問題，文章以退役汽車動力電池儲能為基礎(chǔ)，提出了一種結(jié)合了電網(wǎng)，退役儲能系統(tǒng)以及太陽能發(fā)電裝置的多輸入電動汽車充電裝置，文章從功能描述，裝置選型及實驗驗證的角度出發(fā)，驗證了該多輸入充電裝置方案切實可行，同時證明了該裝置可以緩解電網(wǎng)壓力，增加退役電池的梯次利用率和新能源的利用率。

關(guān)鍵詞：退役電池;充電裝置;梯次利用;儲能

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-20-06

Design of Multi-input Electric Vehicle Charging Device*

Zhou Yafu， Liu Shaoxun， Huang Lijian

（ School of Automotive Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural

Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Liaoning Dalian 116024 ）

Abstract： In order to solve the problems of waste of retired power battery resources of vehicles and the occupation of power grid resources by traditional electric vehicles， this paper proposes a multi-input electric vehicle that combines power grid， retired energy storage system and solar power generation device based on the energy storage of retired vehicle power batteries Charging device. From the perspective of functional description， device selection， simulation and experimental verification， the article verifies that the multi-input charging device solution is feasible， and at the same time proves that the device can ease the pressure on the power grid and increase the cascade utilization rate of retired batteries and The utilization rate of new energy.

Keywords： Decommissioned Battery; Charging Device; Echelon Utilization; Energy Storage

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-20-06

前言

近年來，國家大力支持新能源汽車行業(yè)發(fā)展，隨著一系列的國家政策頒布，新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，同時退役汽車動力電池的數(shù)量也急劇上升[1-3]，根據(jù)規(guī)定，當其能源汽車動力電池容量降低為原標定容量的80%時，已經(jīng)不能滿足其使用需求，需要做退役處理[4]，但此時電池還有部分容量未經(jīng)完全利用，直接報廢該類動力電池會造成能源的浪費[5，6]，若將此類電池梯次利用于電池儲能領(lǐng)域，能有效提高退役電池的利用率，避免資源浪費。

退役電池梯次利用時近年來的研究熱門之一，文獻[7，8]從經(jīng)濟角度出發(fā)，在當前退役電池梯次利用的三大主要應(yīng)用場景：新能源發(fā)電、電網(wǎng)以及用戶層面分析明確了退役電池成本具有極為強大的競爭優(yōu)勢，指出了電池梯次利用經(jīng)濟層面的可行性。文獻[9，10]指出了風能和太陽能等新能源發(fā)電具有能源生產(chǎn)不穩(wěn)定的問題，需要有相應(yīng)的儲能裝置保證能源的利用，進而引出了退役電池儲能裝置。文獻[11]提出了針對風場發(fā)電中退役電池儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置。文獻[12]則是針對太陽能發(fā)電的儲能系統(tǒng)給出了具體優(yōu)化措施。文獻[13]通過具體分析電池相應(yīng)的衰減數(shù)據(jù)，給出了優(yōu)化儲能系統(tǒng)中電池健康狀態(tài)的一種措施。文獻[14]將鋰電池應(yīng)用到光伏發(fā)電站儲能系統(tǒng)中，并通過數(shù)據(jù)分析給出了充電時的平穩(wěn)電池搭建方案。文獻[15]通過分析退役儲能電池搭建新型公交汽車充電站，著重對其經(jīng)濟性進行分析，并指出其可以提升公交站的經(jīng)濟效益。文獻[16，17]針對日常樓宇設(shè)計了電池儲能系統(tǒng)，并通過經(jīng)濟角度分析了其可行性。文獻[18]提出了一種退役儲能系統(tǒng)中的主動均衡控制系統(tǒng)，延長了退以電池的使用壽命。

在裝置電路設(shè)計和元件選型方面，文獻[19]設(shè)計了一種運用于儲能系統(tǒng)中的升壓電路，講述了針對儲能系統(tǒng)升壓的電路器件選型。文獻[20]設(shè)計了針對電網(wǎng)向儲能電池充電的一種降壓電路。文獻[21]針對DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電感選型，利用電路仿真提出了一種更為節(jié)省成本的方法。

本文通過將退役動力電池作為儲能裝置，結(jié)合電網(wǎng)和太陽能發(fā)電提出了一種新型的多輸入汽車充電裝置，首先通過裝置選型確定充電裝置中各個元器件的參數(shù)，然后利用MATLAB環(huán)境中Simulink模塊進行仿真，檢驗所選電路元器件的正確性，最后通過實際臺架試驗檢驗該多輸入充電裝置達到技術(shù)要求。

1 多輸入充電裝置整體介紹

1.1 Boost電路

Boost電路是一種開關(guān)直流升壓電路，其電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。Boost電路的功能是是通過控制IGBT的通斷，使輸出電壓高于輸入電壓，Boost電路采取恒頻率的控制方式，占空比可調(diào)節(jié)，如圖1所示，在充電過程中，開關(guān)閉合（Q導(dǎo)通），此時輸入電流流過電感，由于輸入直流電，所以流經(jīng)電感的電流以一定的比率增加，隨著電流的增加，電感中儲存了一定的電量。

放電過程中，開關(guān)斷開（Q截止），由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會立刻降為0，原有的電路已經(jīng)斷開，電感只能通過新電路給電容C充電，此時電容兩端的電壓升高，即電路的輸出電壓升高，升壓完成。

圖中，Uin為輸入電壓;L為儲能元件;C為電容器，Q為三極管，Uout為輸出電壓。

1.2 Buck電路

Buck電路是一種降壓式變換器，電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。 其功能是實現(xiàn)輸出電壓小于輸入電壓，圖中，Q為開關(guān)管，一般由PWM（Pulse width modulation 脈沖寬度調(diào)制）信號控制，若信號周期為Ts，則：

（1）

其中：Ton為導(dǎo)通時間;Toff為關(guān)斷時間;信號頻率為 f=1/Ts。

當Q導(dǎo)通時，電感電流增加，電感儲能;當Q關(guān)斷時，電感電流減小，電感釋能，電流的增量大于其減少量，則 為一個開關(guān)周期內(nèi)產(chǎn)生的平均感應(yīng)電勢，在此電勢的作用下，電感電流上升與下降的速度均被減少，最終導(dǎo)致一個開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零。

1.3 整流電路

AC/DC即為交流電轉(zhuǎn)換為直流電，新型充電裝置采用采用電網(wǎng)為輸入源，所以需要將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為整流，拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示：

1.4 整體結(jié)構(gòu)介紹

多輸入充電裝置整體結(jié)構(gòu)包括一個AC/DC變換器和兩個DC/DC變換器，利用上述裝置結(jié)合太陽能電池、電網(wǎng)和退役儲能電池，整個裝置通過CAN總線與控制器連接。整體裝置示意圖如圖4所示。

其中，黑色線為電路連接線，藍色虛線為控制線路。

由圖4可知，裝置整體結(jié)構(gòu)可分為退役電池儲能系統(tǒng)，多輸入充電裝置，充電樁和控制系統(tǒng)四大結(jié)構(gòu)。退役電池儲能系統(tǒng)是由廢舊電池經(jīng)過回收，拆解獲得的電池單體，通過上一章節(jié)提到的電池剩余壽命預(yù)測技術(shù)記性篩選，將電池健康程度良好的一類電池單體進行配對重組，進而組成了退役電池儲能系統(tǒng)。

圖4中的控制系統(tǒng)由監(jiān)控單元和調(diào)度單元組成，其中監(jiān)控單元用于接收退役電池儲能系統(tǒng)中電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）中傳來的信息，具體包括電池溫度，電池剩余容量（State Of Charge，SOC），電池健康狀態(tài)（State Of Health，SOH）以及退役電池組的故障報警等信息。

新型充電裝置中的多輸入充電模塊由DC/DC1、DC/ DC2、AC/DC以及若干個繼電器組成，DC/DC2的作用是將太陽能發(fā)電裝置中的電量進行升壓，以便用于退役電池儲能系統(tǒng)充電或新能源汽車供電;DC/DC1的作用是將退役電池儲能系統(tǒng)的端電壓升壓，或是將太陽能發(fā)電裝置和電網(wǎng)的電量經(jīng)過整流升壓對退役電池儲能系統(tǒng)充電;AC/DC的作用是對電網(wǎng)上的三相交流電進行整流升壓，以便于DC/DC1的利用。該裝置中的DC/DC1和DC/DC2主要由輸入濾波電感、電容，升壓電感，IGBT和輸出π型濾波的電感等功率元件構(gòu)成。

電動汽車充電裝置控制系統(tǒng)系統(tǒng)能夠?qū)υ撗b置進行自動峰谷充放電控制，具體為：通過控制DC/DC1、DC/DC2和AC/DC上的繼電器K1、K2、K4的通斷，實現(xiàn)系統(tǒng)的多種工作狀態(tài)，充電裝置的工作狀態(tài)分別表現(xiàn)為：

（1）當電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲能電池電量不足，無電動汽車充電且太陽能電源無法利用時，控制器識別此狀態(tài)，控制繼電器K4閉合，K1、K2關(guān)斷，利用電網(wǎng)的電量經(jīng)過整流調(diào)壓后輸送給退役儲能電池;當太陽能電源可用時，利用太陽能和電網(wǎng)電能向退役儲能電池充電。

（2）當電網(wǎng)處于用電高峰期，系統(tǒng)處于退役儲能電池電量不足，無電動汽車充電且太陽能電源無法利用時，控制器識別此狀態(tài)，控制繼電器K4閉合，K1、K2關(guān)斷，利用電網(wǎng)的電量經(jīng)過整流調(diào)壓后輸送給退役儲能電池;當太陽能電源可用時，為節(jié)約使用成本，利用太陽能向退役儲能電池充電。

（3）當電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲能電池電量充足，無電動汽車充電時，控制器識別此狀態(tài)，控制繼電器K1、K2、K4斷開，系統(tǒng)此時處于待機狀態(tài);

（4）當電網(wǎng)處于用電高峰期，系統(tǒng)處于退役儲能電池電量充足，無電動汽車充電時，控制器識別此狀態(tài)，控制繼電器K1、K2、K4斷開，系統(tǒng)此時處于待機狀態(tài);

（5）當電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲能電池電量較低，有電動汽車充電時，控制器識別此狀態(tài)，控制繼電器K2斷開，K1、K4閉合，此時電網(wǎng)與太陽能電池產(chǎn)生的電量經(jīng)整流調(diào)壓后，由DC/DC1調(diào)壓完成后將電量輸送給電動車充電接口，向電動汽車供電;若太陽能電源不可用，單獨采用電網(wǎng)電量向退役儲能電池充電;

（6）當電網(wǎng)處于用電高峰期，系統(tǒng)處于退役儲能電池電量較低，有電動汽車充電時，控制器識別此狀態(tài)，控制繼電器K2斷開，K1、K4閉合，此時電網(wǎng)與太陽能電池產(chǎn)生的電量經(jīng)整流調(diào)壓后，由DC/DC1調(diào)壓后供入充電接口，向電動汽車充電;若太陽能電池不可用，單獨使用電網(wǎng)電量向退役儲能電池充電;

（7）當電網(wǎng)處于用電低谷期，系統(tǒng)處于退役儲能電池電量較高，有電動汽車充電時，控制器識別此狀態(tài)，控制繼電器K1、K2斷開，K4閉合，此時電網(wǎng)中的電量經(jīng)過整流，太陽能電池中的電量經(jīng)過調(diào)壓，由DC/DC1調(diào)壓后供入充電接口，向電動汽車充電;

（16）

在公式16中，Ud為IGBT穩(wěn)態(tài)下能承受的電壓值，α為設(shè)計過程中流出的安全余量值。

公式17為變壓器輸出一側(cè)的電流值計算公式，只適用于AC/DC;公式18為關(guān)斷時候的峰值電壓計算公式。

（17）

在公式17中，I1為需要計算的變壓器一側(cè)的電流值;N為變壓器的匝數(shù)比，I2為變壓器輸入一側(cè)的電流值。

（18）

在公式18中，Umax為IGBT關(guān)斷時候的電壓峰值;Ud為IGBT穩(wěn)態(tài)下能承受的電壓值;α為設(shè)計過程中流出的安全余量系數(shù);Up為，DC/DC1，DC/DC2和AC/DC中各自與IGBT搭配的電感帶來的電壓峰值。

公式19為IGBT上額定電流計算公式。

（19）

其中，Ii為裝置需求IGBT的額定電流值，Ie為IGBT承受的電流平均值，其對于AC/DC中的IGBT中，該值等于I1，對于DC/DC1，DC/DC2，該值分別等于裝置最低輸入電流值和太陽能電源的輸出電流值;1.5為電流的過載系數(shù)，1.23為電路中的電流通過IGBT的集電極時的電流縮小系數(shù)。

本文采用是代號為MBM600GS6CW，耐壓程度為600V的IGBT。

通過對多輸入充電裝置中主要電路元器件的參數(shù)計算，為下一章完成該裝置的仿真以及實驗打下了基礎(chǔ)。

3 多輸出充電裝置的實驗

上一章主要介紹了多輸入充電裝置中主要電路元器件參數(shù)計算，本節(jié)基于D&V公司的EPT-150實驗臺架對多輸入充電裝置中的DC/DC1進行試驗，主要原因是在多輸入充電裝置中，DC/DC1直接連接整個裝置的輸出端，其功能是否正常將直接影響整個裝置的運行。

D&V公司生產(chǎn)的 EPT-150臺架是專為純電動和混合動力系統(tǒng)的電機和驅(qū)動器而設(shè)計制造的，其內(nèi)置完全可編程的電池仿真器，完全可以滿足本次實驗的條件。圖7為實驗臺架的照片。

試驗通過分析DC/DC1輸入端電壓為140V，160V，200V時分別測試其輸出電壓，輸出電流以及效率，利用三者的對應(yīng)關(guān)系找出裝置最佳的工作點。圖8，9，10分別為輸入電壓為140V，160V，200V的輸出電流，電壓以及效率的MAP圖。

結(jié)合三種輸入電壓條件下的MAP圖分析，在輸入電壓一定時，增加升壓比會導(dǎo)致多輸入充電裝置的效率下降，總而言之，DC/DC1的效率會隨著其輸出功率的升高而下降，但考慮其應(yīng)用環(huán)境，多輸入充電裝置需保證電動汽車用戶的充電體驗，所以該裝置不能為了提高效率而降低其輸出功率，所以為了盡可能的提高裝置的效率，需要盡量使DC/DC1的輸入端電流平穩(wěn)。

但是考慮在實際運行條件下，DC/DC1輸入端會存在電流波動的可能，同時DC/DC1輸入端電流的提升會導(dǎo)致電流紋波的增加，過大的電流紋波值會對電路中的元器件造成沖擊，影響裝置使用壽命甚至帶來危險，為避免輸入電流增大帶來的電流紋波問題，在DC/DC1的輸入端加入的濾波電感可以解決此問題。圖11和圖12是有無濾波電感時的輸入電流對比圖。

從圖中可以明顯看到，在加入了濾波電感后，該裝置的輸入電流明顯更為穩(wěn)定，在圖11中，輸入電流的振動幅值為28A，電流紋波為33.3%，在圖12中，輸入電流紋波電流振動較小，電流振動的幅值為0.7A，紋波值為0.83%，屬于裝置輸入端電路元器件可承受范圍內(nèi)。

4 總結(jié)

文章以增加退役電池梯次利用率為目的，提出一種基于退以電池儲能的多輸入電動汽車充電裝置，基于其技術(shù)要求和功能模式完成了該裝置的電路選型，并結(jié)合實際的臺架實驗對該裝置的可行性進行了有效驗證。結(jié)果表明，將退役電池梯次利用于電池儲能裝置，結(jié)合電網(wǎng)和太陽能發(fā)電裝置的多輸入電動汽車充電裝置在技術(shù)上具有可行性，該方案為電動汽車動力電池退役后的處理問題提供了一種解決思路，提高了退役電池的利用率。

參考文獻

[1] 王澤眾，李家輝.電池梯次利用儲能裝置在電動汽車充換電站中的應(yīng)用[J].電氣自動化（6）：54-55.1000-0682（ 2020） 01-0089-05.

[2] Liu F， Ma J， Su W X， et al.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動EKF算法的電動汽車及插電式混合動力汽車動力電池SOC估計[J].Journal of Central South University， 2019， 26（6）：1402-1415.

[3] Le Shi， Tianshou Zhao， Ao Xu，等.第一性原理預(yù)測硼烯作為具有方向性超快鈉傳導(dǎo)性能的鈉電池負極材料[J].Science Bulletin， 2016， 61（14）：1138-1144.

[4] 李娜，白愷，王開讓，等.電動車退役電池梯次利用之儲能性能及預(yù)測[J].電源技術(shù)，2019， 43（03）：91-95.

[5] 李金東，古月圓，王路陽等.退役鋰離子電池健康狀態(tài)評估方法綜述[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2019，8（5）.

[6] 李浩強，范茂松，何鵬琛等.退役三元動力電池回收利用進展[J]. 化學(xué)通報，2019，83（3）.

[7] 劉堅.電動汽車退役電池儲能應(yīng)用潛力及成本分析[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2017（02）：79-85.

[8] 王豐偉.退役動力電池剩余容量梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].

[9] 辛博然.風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019， 266（01）：36-37.

[10] 桂長清.風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的儲能電池[J].電池工業(yè)， 2008（01）：52-56.

[11] 陳偉華.新能源發(fā)電站梯次利用電池儲能系統(tǒng)研究[D].

[12] 張干周，劉永嘉.光伏發(fā)電和蓄電池儲能混合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析[J].國際電力，2004，8（4）：470-470.

[13] 王其鈺，王朔，張杰男，等.鋰離子電池失效分析概述[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2017， 6（5）： 1008-1025.5.

[14] 楊忠亮，柳羿.帶光伏儲能的鋰電池充電站充電平穩(wěn)性分析[J]. 低壓電器，2012，000（015）：31-35.

[15] 郭世梟.含退役電池梯次利用的公交車充電站優(yōu)化配置及運營[D].華北電力大學(xué)，2019.

[16] 鄭宇，趙俊華，董朝陽，等.能源互聯(lián)網(wǎng)下商業(yè)樓宇能量管理優(yōu)化算法[J].電測與儀表，2017， 054（022）：42-47，97.

[17] 虞文惠，蘇建徽，施永，等.基于分層控制的微網(wǎng)能量管理和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表（10期）：109-114 121.

[18] 許夢蝶.退役電池儲能利用主動均衡控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D]. 2018.

[19] 呂星宇，羅全明，諶思，等.一種功能解耦型高增益DC/DC變換器分析與設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報，2020，40（3）.

[20] Badr A O， Lou E， Tsui Y Y， et al. A High Efficiency AC/DC NVC- PSSHI Electrical Interface for Vibration-Based Energy Harvesters [J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2020， 67（1）：346-355.

[21] Zhang Z， Mira M C， Andersen M A E. Analytical Comparison of Dual-Input Isolated dc-dc Converter with an ac or dc Inductor for Renewable Energy Systems[C]// IFEEC 2017-ECCE Asia.2017.