第2章 电动汽车充电站的结构及充电方式
虽然电动汽车有很多优点,但是,需要建立大量的电动汽车充电站来满足电动汽车充电的需求。本章对电动汽车充电站的结构,充电机的种类和特点及充电方式进行了分析,为下面电动汽车充电站电能质量的分析建立了基础。
2.1 电动汽车充电站的结构
电动汽车充电站结构图如图2.1,充电站采用lOkV供电,变压器为10/0.4kV电压等级,釆用dyll接法。每个充电站有40台充电机,并含有计量装置、电能质量治理装置。【1】
2.2 电动汽车充电机的种类及特点
目前,电动汽车充电站中的充电机按工作原理分为三类[27_29]:
(1)工频变压器+不控整流电路+斩波器:这类充电机的特点是动态性能比较好,电网侧的电流变化频率不高,直流侧电压纹波较小;不足之处是体积较大,注入电网谐波电流大。相关研究结果表明:该充电机工作过程中5次谐波电流含有率会超过60%,7次谐波电流含有率会超过40%,11、13次会超过10%,总电流畸变率将会高于80%。
(2)不控整流设备+DC/DC变换器:这类充电机的特点是体积小、直流侧电压纹波小、动态响应速度快,但研究发现该充电机工作过程中电流总畸变率达30%,特别是5、7、11、13次等6杜1次谐波含量远远超出相关国家标准。
(3)PWM整流设备+DC/DC变换器:这类充电机由三相PWM整流电路和隔离DC/DC变换器组成。在整流侧应用了 PWM整流技术,特点是功率因数高、电流总畸变率低、设备体积小、动态性能好、输出纹波低、变换效率高,使用时不需要谐波治理装置,但控制起来比较复杂、成本比较高,目前应用较少。
通过对上述三类充电机的特点进行分析,并考虑到成本、技术等各方面的因素,目前使用最为广泛的是第二类充电机[30】。电动汽车充电机的实物图如图2.2。“不控整流+ DC/DC”形式的直流充电机电路结构如图2.3。不可控三相桥式整流电路对三相交流电进行整流、滤波后提供高频DC/DC功率变换电路输入直流电流/1,然后DC/DC的输出电流经过输出滤波电路滤波后输出电流Jo‘为电动汽车动力蓄电池充电。【2】
为便于仿真,在基频范围内,可以用一个非线性电阻来近似模拟图2.3中的DC/DC功率变换电路的等效输入阻抗,可近似表示为：【3】
式中f/i、/i分别为高频功率变换电路的输入电压和电流;Uo、/o分别为高频功率变换电路的输出电压和电流;77为充电机效率。等效后的直流充电机的等效模型如图2.4。【4】
Rc可以用使用了 Fortran语言的控制程序进行控制【3i]。首先用充电机参数计算输出功率曲线,通过式(2.1)计算值,然后将离散化,离散后的每个值变化的时刻用内部时间函数TIME来控制,使之能够连续仿真整个充电机充电过程,程序流程图如图2.5所示。【5】
2.3 电动汽车蓄电池的充电特性
电动汽车蓄电池充电过程中的充电特性如图2.6。按照该曲线,对蓄电池以一定的电流值进行充电,该电流值仅供电池接受而不会有气体析出。假设蓄电池的充电电流为/。,蓄电池可接受的电流值为/p,在整个充电过程中都有/c=/p,那么不仅充电过程中不会有气体析出,而且充电持续的时间也可以减小到最短。上述的蓄电池可接受充电电流形成了一条轨迹,这条轨迹是一条指数函数曲线。在充电过程任何时间t上的电流可表示为:【6】
式中/o为/=0时的电流最大初始值,a为衰减常数,被定义为蓄电池充电电流接受比。在该曲线以上的任何电流,均不能提高充电率,而只会增加出气量;反之,在该曲线以下的任何电流只会增加充电时间。【7】
2.4 电动汽车的充电方式
目前,电动汽车充电方式主要有充电模式和更换电池模式,这2种充电方式的一个共同特点是利用专用插座从电网获得电能【32]。充电模式可分为普通充电和快速充电。普通充电又叫慢速充电,该充电方式采用恒压、恒流的传统充电方式对电动车进行充电,以相当低的充电电流为蓄电池充电,充电时间要持续8个多小时,相应的充电器的工作和安装成本相对比较低。电动汽车家用充电设施(车载充电机)和小型充电站多采用这种充电方式。车载充电机是纯电动轿车的一种最基本的充电设备。电机作为标准配置固定在车上或放在后备箱里。由于只需将车载充电器的插头插到停车场或家中的电源插座上即可进行充电,因此充电过程一般由客户自己独立完成。这种充电方式对电网没有特殊要求,只要能够满足照明要求的供电质量就能够使用。由于在家中充电通常是晚上或者是在电低谷期,有利于电能的有效利用,因此电力部门一般会给予电动汽车用户一些优惠,例如电低谷期充电打折。快速充电是以150-400A的高充电电流在短时间内为蓄电池充电。快速充电也可称为迅速充电或应急充电,其目的是在短时间内给电动汽车充满电,充电时间应该与燃油车的加油时间接近。大型充电站(机)多采用这种充电方式。大型充电站(机)的快速充电方式主要针对长距离旅行或需要进行快速补充电能的情况进行充电,充电机功率很大,一般采用380V供电。其典型的充电时间是10-30min。这种充电方式对电池寿命有一定的影响,特别是普通蓄电池不能进行快速充电,因为在短时间内接受大量的电量会导致蓄电池过热。快速充电站的关键是非车载快速充电组件,它能够输出很高功率。由于功率和电流的额定值都很高,因此这种充电方式对电网有较高的要求,一般应靠近10KW变电站附近或在监测站和服务中心中使用。更换电池模式是将空电池留在充电站利用小电流进行长时间充电对于更换下来的未充电蓄电池电池更换站同时具备正常充电站和快速充电站的优点,也就是说可以用低谷电给蓄电池充电,同时又能在很短的时间内完成“加油”过程。通过使用机械设备,整个电池更换过程可以在lOmin内完成。不过,这种方法还存在不少问题有待解决。首先,这种电池更换系统的初始成本很高。其次,由于存放大量未充电和已充电的蓄电池需要很多空间,因此修建一个蓄电池更换站所需空间远大于修建一个正常充电站或快速充电站所需的空间。还有,在蓄电池自动更换系统得到应用之前,需要对蓄电池的物理尺寸和电气参数制定统一的标准。
2.5 本章小结
本章简单介绍了电动汽车充电站的结构,对电动汽车充电机的种类、特点进行了分析。重点介绍了第二类充电机的电路结构,分析了等效电阻的控制过程。
并分析了电动汽车蓄电池的充电特性和充电机的充电方式,为下面电动汽车充电站谐波和无功的分析打下了良好的基础。
