电动汽车充电站设计摘要：随着电动汽车技术的日趋成熟，电动汽车商业运营已经在国内多个城市开展，智能充电站系统成为电动汽车领域的重要课题。我们先对对电动汽车充电站的结构主要设备进行阐述， 然后拓展开，讨论电动汽车所具有的优势以及电动汽车充电站所存在的问题。接下来我们主要研究了电动汽车的快速充电问题和方法，最后对因充电站带来的谐波问题进行分析，并对谐波治理采取有效的措施。关键词： 电动汽车充电站；快速充电；谐波节能、环保、缓解能源危机、 改善人类生存环境和遏制大气状况继续恶化是汽车工业可持续发展面临的首要问题，也是其发展的方向 传统汽车消耗了大量优质紧缺的石油天然气，这使电动汽车成为解决我国石油能源短缺的根本出路以电动汽车为代表， 大力促进其发展， 有助于实现交通能源的多元化并维护国家的能源安全。1. 概述面对传统燃油汽车尾气排放造成的污染及其对石油资源的过度消耗所引发的环境与能源问题，电动汽车(electric vehicle ，EV)以其良好的环保、节能特性，成为当今国际汽车发展的潮流和热点之一。目前，电动汽车电能供给方式主要有交流充电、直流充电和电池组快速更换3 种典型方式。1）交流充电方式。外部提供220 V 或380 V 交流电源给电动汽车车载充电机，由车载充电机给动力蓄电池充电。一般小型纯电动汽车、 可外接充电式混合动力电动汽车 (plug in hybrid electric vehicle，PHEV) 多采用此种方式。车载充电机一般功率较小，充电时间长。2）直流充电方式。地面充电机直接输出直流电能给车载动力蓄电池充电，电动汽车只需提供充电及相关通信接口。地面充电机一般功率大， 输出电流、 电压变化范围宽。有些地面充电机还具备快速充电功能。3）电池组快速更换方式。电动汽车与充电机无直接联系，而是通过专用电池更换设备将车上少电的电池取下，换上充满电的电池，这个过程所需时间短。电池由地面充电机充满电，并放置在更换专用电池架上备取。目前汽车燃油消耗已经成为石油消耗的主体，据联合国的统计数据， 在世界石油消耗中，航空耗油占12，海运耗油占 7，而汽车耗油占 75。在我国，汽车的石油消耗已经占到了全国石油消耗总量的25，并且还将持续增长下去，根据预测，到 2010年我国的汽车石油消耗将占全国石油消耗量的35，到 2020年我国汽车对石油的消耗将达到全国石油消耗总量的55。汽车在消耗大量石油资源的同时， 还排放大量尾气，是公认的污染大气的“头号杀手 。资料显示，北京大气中的有害气体大多来自机动车的排放污染，其所占比例为：碳氢化合物 735、一氧化碳 634、氮氧化物 37。目前我国大中城市的空气污染情况已经达到了严重影响人民身心健康和社会可持续发展的程度。根据国家环保中心的预测，2010年我国汽车尾气排放量将占空气污染源的64。要缓解这两个日趋严重的问题，汽车工业必然向着环保、清洁、节能的方精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 10 页向发展。电动汽车以电代油，能够实现“零排放”，噪音低，是解决能源和环境问题的重要手段。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势。 然而，城市高楼给充电带来了很多的不方便，其他地方充电站也远远不能满足需求，因此我们要加速建设汽车充电站，以满足未来的市场需求。2. 电动汽车发展趋势面临能源和环境的压力， 世界各国著名的汽车厂商都十分重视研究开发电动汽车，发达国家不惜投入巨资进行研究开发，并制定了一些相关的政策法规来推动电动汽车的发展。随着中国汽车保有量进一步扩大，能源危机的问题也在逐步临近。因此，节约能源且环保的新型动力的开发将是未来汽车发展的走向，清洁能源车的研发和推广也被提升至前所未有的高度。在我国，通过近五年的努力， 实现了纯电动汽车的小批量生产，开发的产品通过了国家汽车产品型式认证，纯电动汽车在特定区域的商业化运作广泛开展。纯电动轿车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁龙公司等国外大型汽车生产企业研制的纯电动轿车和箱式货车， 初步形成了关键技术的研发能力。在国家大量资金投入的前提之下，高校、大量的企业也参与到这场“新能源汽车秀中。电动汽车的发展存在以下瓶颈。(1) 技术争议当前的电动汽车技术还存在不少问题，如蓄电池的使用寿命不长而更换成本高；国产零部件尚未完全过关， 关键元器件均需进口； 低温条件下电池超快充电技术未根本解决等。只有关键技术和传统技术、 关键部件和传统配件的全面发展，才能开发出先进的、可以市场化的电动汽车。(2) 运行经济性电动汽车不受油价飞涨的影响。 但纯电动汽车需要改变整个动力体系，要花一部分额外的成本来装电机、 电池，而电机控制系统的成本较高，带动整车销售价格的提高。 在这种情况下， 与同时也在不断进步的内燃机节能技术相比，如果没有政府的政策鼓励性经济补贴，用户选择购买价格昂贵的纯电动汽车并不见得划算。(3) 基础设施装备电动汽车商业化的基础设施包括充电站网络、车辆维修服务网络、 多种形式的电池营销、 服务网络等。 建立一定数量的公用充电站、配备专用电缆及插座等是延长行驶里程、实现纯电动汽车产业化的关键。这里存在一个电力供应问题。 目前已有汽车企业与电网公司探讨由电网公司制作标准化电池， 利用波谷电将电蓄到电池， 再将电池租给电动汽车用户、公交公司的方式。(4) 政府政策支持正因为纯电动汽车在技术上、 运行经济上、基础设施上还存在着产业化发展的瓶颈，所以需要政府相关政策支持，营造市场启动阶段的政策环境，推动电动汽车的商业化过程， 顺利完成示范宣传政府主导的批量需求大批量生产国家逐渐淡出四个阶段。3. 电动汽车充电站结构精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 10 页汽车充电站按功能可划分为四个子系统模块。充电站的功能决定充电站的总体结构。 为此， 一个完整的充电站需要配电室、中央监控室、充电区、更换电池区和电池维护间等五个基本组成部分。 1)配电室。配电室为充电站提供所需的电源，不仅给充电机提供电能， 而且要满足照明、控制设备的用电需求，内部建有变配电所有设备、配电监控系统、相关的控制和补偿设备。 2)中央监控室。 中央监控室用于监控整个充电站的运行情况，并完成管理情况的报表打印等。 内部建有充电机监控系统主机、烟雾传感器监视系统主机、 配电监控系统通信接口、视频监视终端等。3)充电区。在充电区完成电能的补给， 内部建设充电平台、 充电机以及充电站监控系统网络接口，同时应配备整车充电机。4)更换电池区。更换电池区是车辆更换电池的场所， 需要配备电池更换设备，同时应建设用于存放备用电池的电池存储问。5)电池维护间。电池重新配组、电池组均衡、电池组实际容量测试、电池故障的应急处理等工作都在电池维护间进行。其消防等级按化学危险品处理。图 1 充电站功能系统划分充电站各个部分之间及其之间的联系如下图：图2 充电站总体布局精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 10 页在充电站的具体设计过程中， 我们要考虑的东西有很多很多， 做为一个用电大户，我们要根据充电站规模等， 对各个方面进行详细的设计， 比如主接线设计、根据具体情况进行设备选型、 充电站监控的设计等等。 在这里只对监控作一个大概的说明。充电监控功能是充电站监控系统的核心功能，主要实现对充电桩和充电机的监视与控制。1）对充电桩的监控。监视充电桩的交流输出接口的状态，如电流、电压、开关状态、保护状态等；采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息；控制充电桩交流输出接口的开断。2）对充电机的监控。充电机作为被监控对象， 上送给监控系统的数据主要包含2 类：充电机状态信息，即输入输出电压、电流、电量、功率因数、充电时间、当前充电模式、充电机故障状态等；电池状态信息，即电池包基本信息、电池单体电压、电池单体温度、电池故障状态、电池管理系统设置信息等。此外，在电池包状态信息部分， 系统还需根据采集到的电池单体电压、温度等计算出电池包内单体最高电压、最低电压、最高温度、最低温度等统计信息，供限值统计、告警系统使用。对充电机的控制功能主要包括： 对充电机充电开始、 停止、紧急停止的控制；充电机充电模式的调整， 即根据充电机连接电池的类型及其充电特性，操作人员可通过图形画面调整各阶段充电参数，并下发给充电机； 向充电机及其连接的电池管理系统下发对时命令。配电监控功能。 实现对电动汽车充电站配电设备的监控，方便统一管理和数据共享。可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制。烟感监视功能。 在充电站中， 为了保障电池充电安全， 除了通过电池管理系统监视电池电压、 温度外，在电池充电架中安装了数量众多的烟雾传感器，用于探测锂离子动力电池因过充导致电池自燃而释放出的烟雾。这些传感器接入充电站监控系统后，和充电监控功能 ( 特别是在电池管理系统失效时) 一起保障电池充电的安全。电池维护监控功能。 在大型充电站中， 需要通过专门的电池维护设备对电池进行定期维护。 在维护过程中， 系统将采集到的维护数据存入充电站监控系统数据库，形成电池的完整数据档案，便于对电池进行整体评估。快速更换设备监控功能。 在具备电池快速更换设备的充电站中，可通过充电站监控系统对电池快速更换设备下发具体电池更换命令：让快速更换设备在指定轨道位置更换电池架上指定位置的电池包。充电站监控系统可采集快速更换设备当前轨道位置、设备状态等信息。数据交换与转发功能。 充电站要与上级集中监控系统进行数据交互，上送本地总加数据等实时信息以及电池系统充电历史数据信息，以便对电池数据进行集中分析和评估。在监控系统的具体设设计中， 我们可以应用一些比较直观的图形来表示，用各种组态软件使整个监控过程看上去直观、明了。4. 电动汽车快速充电系统电动汽车用电池的快速充电是电动汽车研究与开发过程中的重要课题。尽管精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 10 页许多实用化的充电设备或商用充电器具有快速充电及均衡充电的功能，但其通常是按事先设定的充电电流对电池进行充电。这种方法不能根据电池充电过程中的具体情况对充电电流进行调整， 为了避免出现过充电， 设定的充电电流通常偏小，因此充电时间仍然较长， 而且由于不具备自适应能力， 充电过程中容易出现过充电现象，对蓄电池的寿命不利。为了在实现快速充电的同时又不影响电池寿命，关键是要使快速充电过程具有自适应性，即根据电池的实际状态自动调节充电电流的大小， 使其始终保持在充电可接受电流的临界值附近。为此，我们在电池快速充电理论基础上， 对分段恒流充电方法进行了试验研究，以期实现动力电池的智能化快速充电和均衡充电。增大充电电流， 电池极板上单位时问内恢复的活性物质增多，充电时间就可缩短，但过大的充电电流会损害电池。电池可接受的充电电流是有限的，且会随充电时间呈指数规律下降理想化的电池快速充电过程是充电电流始终保持在电池充电可接受电流的极限值， 即充电电流曲线与该电池的充电可接受电流曲线相重合。我们选择容易实现的分段恒流充电方法，其关键是要确定适当的阶段恒流充电终止判断标准、恒流充电分段数和各阶段恒流充电电流值。充电时间参数控制方法简单， 但电池型号不同、 充电起始状态不同， 所需的充电时间也不一样， 如果单以充电时间来控制阶段恒流充电的结束，容易导致电池过充电或延长充电时间。温度参数控制方法的优点是可实现电池温度过高保护，但是由于环境和传感器响应时间延迟的影响。如果仅以电池温度参数作为阶段恒流充电终止判断标准， 也容易造成电池的过充电。 电压参数控制被认为是较好的阶段恒流充电终止控制方法，但其不足也是显而易见的， 比如：不能识别因电池极板硫化而产生的充电电压异常升高以及电池充电过程中出现的异常温升等，从而导致电池充电时间延长或电池的损坏喁。为了保证在各种情况下均能检测电池的实际充电状态，并实现较为理想的阶梯形充电电流曲线，本文综合了充电时间、电池温度和终止电压3个参数作为各阶段恒流充电终止判断依据，其控制流程如下图所示。图3 分段恒流充电控制流程图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页分段恒流充电结束后再进行一段时间的定压充电，是为了确保电池能完全充足。3个控制参数的具体控制策略如下。时间参数控制：根据电池容量和充电电流，预先设定某段恒流充电的时间，当充电时间达到设定值时， 通过定时器发出信号， 结束该阶段的恒流充电并自动将充电电流减小，进入下一段恒流充电。温度参数控制：设定某段恒流充电至可接受电流极限时的电池温度最高值，根据温度传感器检测的电池温度来控制充电装置。当外界环境温度较低、 设置的电池最高温度较高时， 采取控制温升法， 当电池的温升达到设定值时， 温控器使充电装置停止充电，直到温度下降至适当值时，自动进入下一阶段恒流充电。电压参数控制： 电池的绝对电压可以反映电池的充电情况，设定某段恒流充电达到或接近充电可接受电流极限值的电压，当电压达到设定值时， 充电装置便自动结束本阶段恒流充电，进入下一阶段。在经过实验后， 我们根据具体情况进行调整后， 可以得到如下比较令人满意的分段恒流充电电流曲线。图4 调整方案后的分段恒流充电电流曲线以上就是我们进行快速充电的基本原理，具体设备以及程序的开发并不简单。5. 充电机的整流在介绍了以上的这些原理后，其实整流在充电机中是很重要的。充电机是电动汽车充电站的主要设备。目前电动汽车充电机按工作原理分主要有3种：第一类充电机由工频变压器、不控整流器和斩波器组成，属于早期产品。特点是体积大、 电网侧电流谐波大和变换效率低。对电网注入的谐波电流过大，不适于接人公用电网。 第二类充电机三相不控整流和高频变压器隔离DC DC变换器组成。 特点是电网侧电流谐波大 (30左右 ) 、变换效率低。 这一类充电机虽然谐波含量高， 但是成本低， 是市场上的主流充电机。 现有的充电机研究成果多数也集中在这一类充电机上。 有文献用仿真或数学计算的方法得出了不控整流充电机单台或多台同时运行时产生的5、7次谐波大小。第三类充电机由三相PWM整流器和高频变压器隔离DC DC 变换器组成。特点是功率因数高， 电网侧电流谐波较小， 注入电网的电流总畸变率叮以小于5。 PWM整流充电机由于技术复杂性、可靠性和成本问题， 虽然市场上已经出现， 但是目前使用较少， 相应的研究成果也较少。充电机的工作原理框图如下图，三相交流电经整流电路、 滤波电路后， 给功精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页率变换电路提供直流输入， 功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为车用动力蓄电池允电。图5 充电机的一般结构框图6脉波不控整流充电机。利用FFT 谐波测量模块可以测鼍各次谐波大小，及谐波含有率。结构如下：图 6 6 脉波不控整流充电机对采用三相桥式不可控整流电路的充电机来说，脉动数P=6，交流侧谐波次数主要为 6 k 士1次，(k=1，2，3.)。经过仿真我们测得的 6脉波不控整流充电机接入电力系统后， 变压器高压侧从基波到 15次谐波电流的含有率， 可见，充电机主要产生 5，7，1 1，13次谐波，当谐波在最大值时，高压侧5次谐波含有率为269，7次谐波含有率为 162，11次谐波含有率为 9。由仿真结果可以看出谐波变化的特点：谐波电流的大小随着充电时间的变化而变化，首先是逐渐增大，在经过一段时间后，谐波达到最大值，此时对应充电机输出功率的最大值，之后快速减小，并在再过一段时间后达到最小值。12脉波整流充电机。结构如下：图7 12 脉波整流充电机为使12脉波整流的 2个整流桥输出瞬时电压在相位上错开30度，两个桥式电路的电源由一台三绕组变压器供电，二次侧的两个绕组一个接成星形，一个接成三角形，模型如图 7所示。由于两个变压器绕组相差30度电角，同时并联连接的两个整流器的输出电压的瞬时值并不相等，会导致一台整流器因承受反压而关断。故需增设电抗器以保证2台整流器的同时导通。对采用12脉波不控整流电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 10 页的充电机来说， 脉动数 P=12，交流侧谐波次数主要为 12 k1次，(k=1，2， 3.)。我们仿真所测得的 12脉波不控整流充电机接入电力系统后，变压器高压侧从基波到15次谐波电流的含有率，由仿真结果可知，充电机主要产生11，13次谐波，当谐波在最大值时，高压侧11次谐波的谐波含有率为61， 13次谐波的含有率34，少量其他次数谐波电流由变压器等电力系统器件产生。充电机站变压器高压侧在最大值时11次谐波的谐波电流的大小为089 A，13次谐波电流的大小为 005 A。谐波电流曲线的变化趋势与6脉波不控整流充电机的谐波电流变化趋势相同。PWM整流充电机。结构如下：图8 PWM 整流充电机控制电路采用达到功率因数正弦波电流的双闭环控制。电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，为了达到较快的电流跟随性能， 按典型I 型系统设计电流 PI调节器，电压外环的作用是控制三相电压型PWM整流器的直流侧电压， 应着重考虑电压环的抗扰性能， 按照典型型系统设计电压外环PI调节器。 PWM 整流充电机变压器高压侧各次谐波含量。其中5次谐波的最大含有率为3，7次谐波为 1.6，11次谐波的最大含有率为 1.29，13次谐波为 1.03 。图13为5次、 7次谐波电流，5次谐波电流最大为 0.12 A， 7次谐波电流最大为 0 062 A，PWM整流充电机的谐波随着尺变化而变化的总体趋势与上述两种充电机相同，但是总体电流大小和变化数值都相对很小。我们又对不同时刻投入不同数量的充电机进行了研究，得到以下结论。 将不同台数的充电机按照多种时间间隔投入系统，其仿真结果表明， 当充电机台数一定时，同时投入系统的总电流大于间隔投入时的总电流；充电机投入系统的时间间隔越长，谐波电流最大值越小、总电流越小，但是充电时间越长。对于集中式、 采用常规充电方式的大型充电站接入系统产生的谐波污染，除了考虑加装谐波治理装置以外， 还可以通过控制充电机的投入间隔对谐波起到一定的抑制作用， 另外适当降低起始充电机台数，加大充电时间间隔， 能够降低充电站峰值功率，因此可以通过控制充电机投人间隔释放供电变压器容量( 即减小供电功率 )。6. 充电站谐波的抑制与消除电动汽车充电站谐波源主要为非车载充电机，非车载充电机由高频开关电源模块等元件组成，模块采用全波整流方式。当采用三相全波整流组成6脉冲整流装置时，在网侧产生的特征谐波次数h=6k1，k为正整数。 三相全波整流产生的电压脉动较小，脉动频率较高，与单相整流相比，不产生3次谐波。通过变压器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页绕组的接线，使 2组容量相同的 6脉波整流装置在输入端经30度移相构成 1套12脉波整流装置， 在网侧产生的特征谐波次数h=12k1。利用变压器绕组接线的相位的不同，可构成多脉波的整流装置。 无论采用何种脉波整流方式， 除特征谐波外，都还有少量的非特征谐波。充电站的服务对象是具有非车载充电机的电动汽车，按照充电站在经济社会中占有的重要程度，可划分为2类性质的电力用户，即二级电力用户和三级电力用户。二级电力用户的充电站宜由2回路高压供电电源供电， 2回路高压供电电源宜引自不同的变电站， 也可引自同一变电站的不同母线段。三级电力用户的充电站由单回路供电电源供电， 中压系统宜采用单母线接线或单母线分段接线，低压系统宜采用单母线或单母线分段接线。为减小谐波电流对电网的影响，充电站内的充电装置具有不同相位的2路或多路交流输入进线应均匀接人充电机高频开关电源模块上，以实现 12或以上脉波整流。为实现 12脉波整流，在工程中常采用绕组接线形式为D、dO 、ynll 的整流变压器或 2台绕组接线形式分别为 D、ynll 和Y、yn0的配电变压器。波消除的主要措施： 1)合理增大充电机的滤波电感值合理增大充电机的滤波电感值，可降低充电机的电流畸变率，该方法简便、实用。但滤波电感值增大，功率损耗也会增加，同时充电机制造成本增加，体积增大。 2)增大整流装置的脉波数我们分析可知， 增大充电机整流装置的脉波数， 可以有效减少整流装置产生的特征谐波， 降低谐波含有率， 从而降低谐波总畸变率。 鉴于充电站在城市中多呈小规模、 多布点设置， 充电车位控制在 68车位之间。 假设单台充电机充电电流按200 A、充电电压按 400 V考虑，则整个充电站的总容量在700 kVA左右，远远小于地铁牵引站的容量， 因此无需采用更高次数的脉波整流方式。在电动汽车充电站采用 12脉波整流，将特征谐波控制在 h=12k1的范围内，在技术上是可行的，经济上也是合理的。 3)采用功率因数校正技术在充电机的前端采用升压型有源功率因数校正装置，也是提高功率因数、 降低谐波含量的有效手段之一。功率因数校正装置分为有源和无源2种类型。无源装置的优点是简单、无需控制，而缺点是体积较大，且功率因数仅能校正至0.8 左右，谐波含量仅能降低至50左右，效果不甚理想；有源装置能将功率因数校正至0.995 ，谐波含量仅能降低至 5以下，效果理想，但缺点是成本较高， 其价格一般比无源装置高 30-40。 4)由容量较大的系统供电当系统容量增大时， 无论是从谐波源还是从低压母线侧为端口看出去，其等值阻抗值均降低，整流装置产生的谐波在变压器高、 低压侧的电压畸变率均降低，同时系统谐振点向频率更高的方向移动。 5)加装滤波装置滤波器包括无源滤波器、 有源滤波器。无源滤波器运行稳定可靠， 结构简单，价格便宜，但其滤波效果易受温度、 频率、滤波电容及电抗制造偏差等因素影响；有源滤波器瞬时产生与谐波电流大小相等且方向相反的电流，以中和谐波电流。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 10 页与无源滤波器相比， 有源滤波器成本较高， 功率较小， 在现阶段仍以使用无源滤波器为主。7. 参考文献1 黄少芳， 电动汽车充电机（站）谐波问题的研究，2008 2 李娜，黄梅，基于不同整流装置的电动汽车充电机比较，2011 3 蒋浩， 电动汽车充电站谐波的抑制与消除 ，2010 4 麻友良，罗明胜，陈全世， 电动汽车用电池智能化快速充电研究 ，2010 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 10 页