發(fā)布時(shí)間：2019-05-27所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來了電動(dòng)汽車充電站大規(guī)模建設(shè)問題會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量及設(shè)備投入有更高的要求。針對(duì)這種現(xiàn)狀提出了建設(shè)儲(chǔ)能式充電站的設(shè)想。通過設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池充放電效率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出儲(chǔ)能蓄電池充放電效率以及對(duì)儲(chǔ)能式電站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，說明了儲(chǔ)能式
摘要：電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來了電動(dòng)汽車充電站大規(guī)模建設(shè)問題會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量及設(shè)備投入有更高的要求。針對(duì)這種現(xiàn)狀提出了建設(shè)儲(chǔ)能式充電站的設(shè)想。通過設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池充放電效率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出儲(chǔ)能蓄電池充放電效率以及對(duì)儲(chǔ)能式電站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，說明了儲(chǔ)能式充電站建設(shè)的可行性。儲(chǔ)能式充電站的建設(shè)不僅能改變電動(dòng)汽車充電現(xiàn)狀而且還能應(yīng)用到其他用電行業(yè)，意義重大。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車,充電,儲(chǔ)能式充電站,儲(chǔ)能效率
電動(dòng)汽車作為新一代的交通工具，其在節(jié)能減排、減少人類對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴方面，相比傳統(tǒng)汽車有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[1]。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展也帶來了其充電問題。電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后造成的負(fù)荷增長(zhǎng)也將增加發(fā)、輸、配電系統(tǒng)的壓力，這時(shí)電力公司的電力裝機(jī)容量與電力輸送設(shè)備，也必須隨之調(diào)整，以應(yīng)對(duì)大量電動(dòng)汽車在負(fù)荷高峰時(shí)段充電的情況[2]。本文從電動(dòng)汽車的充電問題入手提出解決問題的儲(chǔ)能式充電站的建設(shè)方案及能效分析。
1電動(dòng)汽車充電方式及充電問題
1.1電動(dòng)汽車充電方式
電動(dòng)汽車的充電方式一般有兩種：常規(guī)充電和快速充電。常規(guī)充電方式直接采用普通用電充電，一般需要5~8小吋，根據(jù)充電機(jī)功率不同而定。這一充電類型非常適合家庭使用。以家庭電路能夠承受的輸入電流為家用轎車充電，電流輸出約為10~15A，電池充滿需要的時(shí)間約為6個(gè)多小時(shí)[3]。快速充電又稱應(yīng)急充電，是以較大電流短時(shí)間在電動(dòng)汽車停車的20分鐘至2小時(shí)內(nèi)(具體的充電時(shí)間由電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的接收能力而定)，為其提供短時(shí)充電服務(wù)，一般充電電流為150～400A。
由于充電在短時(shí)間內(nèi)(約為10～15分鐘)就能使電池儲(chǔ)電量達(dá)到80%～90%，與加油時(shí)間相仿，使電動(dòng)汽車使用起來非常方便[4]。
1.2電動(dòng)汽車充電問題
對(duì)于常規(guī)充電，由于充電時(shí)間較長(zhǎng)一般為5～8小時(shí)。在緊急事務(wù)面前沒有人愿意等這么久的充電時(shí)間。對(duì)于快速充電，據(jù)測(cè)算，以比亞迪E6純電動(dòng)汽車為例，對(duì)其快速充電2小時(shí)可以充電57kW·h，行駛里程300km[5]。
假設(shè)在半個(gè)小時(shí)充進(jìn)60kW·h電，以220V的電壓給一臺(tái)電動(dòng)車充滿電，為了減少充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速充電，就要提高充電功率，就需要以大電流充電。給多臺(tái)電動(dòng)車充電，對(duì)于充電站的容量就必須很大，普通的配電網(wǎng)難以提供這么大電流和高容量的要求，所以需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行改造，增設(shè)變壓器，選直徑大的電纜，專門建設(shè)電動(dòng)車充電網(wǎng)。并設(shè)置濾波無功補(bǔ)償設(shè)備，從而減少充電站對(duì)電網(wǎng)的污染。增加了投入和建設(shè)難度。
2儲(chǔ)能式充電站的設(shè)計(jì)
2.1儲(chǔ)能式充電站的提出
為解決電動(dòng)汽車充電站常規(guī)充電時(shí)間長(zhǎng)以及快速充電需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造的問題，提出了儲(chǔ)能式充電站的建設(shè)構(gòu)想。這種儲(chǔ)能式充電站可以使用站內(nèi)的儲(chǔ)能電池和站內(nèi)的充電設(shè)施給電動(dòng)汽車充電。根據(jù)目前正在建設(shè)的新型智能電網(wǎng)和將來要普遍實(shí)行的峰谷平時(shí)段用電機(jī)制，設(shè)想在負(fù)荷小的用電低谷時(shí)段的夜間，給儲(chǔ)能式充電站內(nèi)的蓄電池以常規(guī)充電方式充電，白天利用夜間充滿電的蓄電池給前來充電的汽車快速充電。使用蓄電池給電動(dòng)汽車充電來分擔(dān)充電站的一部分充電任務(wù)。這樣不但降低了充電站的設(shè)備容量投入，還有利于平衡電網(wǎng)負(fù)荷。
2.2儲(chǔ)能式充電站結(jié)構(gòu)
蓄電池組再給電動(dòng)汽車充電有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是直接通過DC/DC，一種是通過能量轉(zhuǎn)換器PCS轉(zhuǎn)換成直流后經(jīng)過升壓變壓器升壓到配電網(wǎng)等級(jí)。
3儲(chǔ)能鉛酸蓄電池充放電效率測(cè)試研究
3.1鉛酸蓄電池最佳充電方式
傳統(tǒng)充電方法包括恒壓充電、恒流充電以及以此方法為基礎(chǔ)的恒壓限流充電以及變電流間歇充電、變電壓間歇充電和脈沖充電等[6]。其中，使用恒流充電法充電時(shí)，在初始階段蓄電池受點(diǎn)能力強(qiáng)，但充電電流過小，充電后期析氣嚴(yán)重，充電電流相對(duì)偏大，整個(gè)充電過程時(shí)間較長(zhǎng)，耗能多，充電效率低于65%;使用恒壓充電法充電時(shí)，在充電過程初期充電電流較大，中后期電流逐漸減小，整個(gè)充電過程時(shí)間較短，耗能少，充電效率可達(dá)到80%，但充電初期的大電流會(huì)對(duì)蓄電池的壽命造成很大影響[7]。結(jié)合兩種充電方式的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)補(bǔ)償自放電而造成容量損失，文中提出三段式充電方法，即在蓄電池充電初期以恒流法充電，充電中期以恒壓法充電，充電后期采用涓流充電。
3.2蓄電池充放電電路硬件設(shè)計(jì)
為了研究不同充電方式的充放電效率，設(shè)計(jì)蓄電池充電電路和放電電路。由主電路，控制電路組成。其中，主電路包括降壓變壓器，整流裝置，BUCK降壓斬波電路。控制電路用DSP28335作為控制及算法處理單元;采集斬波電路的輸入、輸出的電壓、電流，通過A/D轉(zhuǎn)換把信號(hào)傳送到DSP作為檢測(cè)和反饋信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)對(duì)象使用川西免維護(hù)鉛酸蓄電池(12V，60Ah)。輸入220V交流電，通過4：1的降壓變壓器轉(zhuǎn)換為50V/40A的低壓大電流交流電，然后通過單相整流橋和電容濾波電路轉(zhuǎn)為60V的直流電，最后通過DSP控制電路控制降壓斬波電路輸出所要求的充電電壓和電流值;通過人機(jī)交互中的鍵盤模塊可以實(shí)現(xiàn)各種充電方式的選擇，通過液晶模塊可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
充電初期，蓄電池電量低，可接受電流能力強(qiáng)，故選用12A的電流進(jìn)行恒流充電直至蓄電池的端電壓達(dá)到14.7V。恒壓充電分為兩個(gè)階段，第一階段充電電流設(shè)置為6A，第二階段充電電流設(shè)置為3A。同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行溫度檢測(cè)，當(dāng)溫度超過39°C時(shí)，停止充電15s。在常溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過三段式充電實(shí)驗(yàn)可以測(cè)出，充入蓄電池的電量約為9.2Ah，從斬波電路中輸出的電量為10.8Ah。對(duì)比常見的恒流充電方式在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)測(cè)得，充入蓄電池的電量為7.4Ah，從斬波電路中輸出的電量為11.8Ah，效率η為62.71%。由以上數(shù)據(jù)我們可以看出采用本文提出的三段式充電方式可以提高蓄電池的能量利用效率22.48%。主要由升壓斬波電路、逆變器、控制電路和蓄電池四部分組成。升壓斬波電路將蓄電池的端電壓升到逆變器直流側(cè)要求電壓，檢測(cè)電池輸出電流，將設(shè)定電流與實(shí)際電流做差，通過PI控制器，PI控制器的輸出作為占空比，控制升壓電路的輸出電流。其中，DSP是控制電路的核心，可以完成多種充電方式的選擇，電路的過電流、過電壓保護(hù)，充放電效率的數(shù)據(jù)顯示等功能。
3.3蓄電池充放電效率測(cè)試軟件設(shè)計(jì)
首先程序?qū)z測(cè)蓄電池端電壓，檢測(cè)蓄電池是否完全放電即端壓是否是10.5V，才開始對(duì)其充電，并記錄此時(shí)電表的電能值W1。充電過程中檢測(cè)蓄電池充電電壓、電流，當(dāng)充電電流約等于3A，同時(shí)蓄電池端電壓達(dá)到閾值14.7V時(shí)，蓄電池完成充電，記錄電表讀數(shù)W2。然后對(duì)蓄電池放電，當(dāng)蓄電池端電壓等于10.5V時(shí)放電結(jié)束，記錄電表讀數(shù)W3。蓄電池的儲(chǔ)能效率為(W3-W2)(/W2-W1)*100%[8]。
4儲(chǔ)能式充電站效益分析
4.1常規(guī)充電站與儲(chǔ)能式充電站對(duì)比
4.1.1常規(guī)充電站
假設(shè)快速充電以0.5小時(shí)計(jì)算，每車每次充60kWh，充電站每天工作12小時(shí)，那么一個(gè)充電設(shè)施的電源容量為120kW。每個(gè)充電設(shè)施每天消耗電能為120kW*12h=1440kWh。普通居民用電設(shè)施無法滿足，這需要專門增設(shè)變壓器及相關(guān)線路。
考慮電力公司對(duì)峰谷平用電時(shí)段的劃分，以及陜西電網(wǎng)分時(shí)銷售電價(jià)表針對(duì)一般工商業(yè)1~10kV的收費(fèi)規(guī)定。假設(shè)常規(guī)充電站運(yùn)營(yíng)時(shí)間是8:00~20:00(共12小時(shí))，高峰時(shí)段8：00~11：00和18：00~20：00(共5小時(shí)，1.1981元/kWh)，平常時(shí)段11：00~18：00(共7小時(shí)，0.8123元/kWh)。則有每天每臺(tái)充電設(shè)施需付電費(fèi)為：5×120×1.1981+7×120×0.8123(元)=1401.192(元)4.1.2儲(chǔ)能式充電站白天由站內(nèi)蓄電池和充電站共同給電動(dòng)車充電，各占一半，720kWh。低谷8小時(shí)和平段4小時(shí)給站內(nèi)電池充720kWh，需要電池容量720kWh/12h=60kW。
這樣對(duì)電源容量的需求就降低了一半。假設(shè)儲(chǔ)能式充電站每天在低谷時(shí)段(共8小時(shí)，0.4266元kWh)：23：00~7：00和4小時(shí)的平常時(shí)段內(nèi)對(duì)站內(nèi)蓄電池充電，給電動(dòng)汽車充電的營(yíng)業(yè)時(shí)間是8:00~20:00(共12小時(shí))，高峰時(shí)段8：00~11：00和18：00~20：00(共5小時(shí))，平常時(shí)段11：00~18：00(共7小時(shí))。
那么每天每臺(tái)充電設(shè)施需付電費(fèi)為給站內(nèi)蓄電池充電的電費(fèi)+給電動(dòng)車充電的電費(fèi)。考慮蓄電池充放電效率為上面計(jì)算的84.3%則總電費(fèi)為：[5×60×1.1981+7×60×0.8123]+[8×60×0.4266+4×60×0.8123]/0.843(元)=1174.759(元)儲(chǔ)能式充電站每天每臺(tái)充電設(shè)施可節(jié)約電費(fèi)為：1401.192-1174.759(元)=226.433(元)原來的常規(guī)充電站每個(gè)充電設(shè)施需要配置12V60Ah的鉛酸蓄電池個(gè)數(shù)為：720kWh12V·60Ah(個(gè))=1000個(gè)假設(shè)每個(gè)鉛酸蓄電池350元，可以使用5年，那么購買蓄電池的花費(fèi)為35萬，5年儲(chǔ)能式充電站節(jié)約電費(fèi)為：5×365×226.433元=41.32萬元節(jié)約的電費(fèi)可以用來購買儲(chǔ)能電池，而且儲(chǔ)能式電站減少了變壓器的容量，減少了變壓器和相關(guān)線路的投入。
4.2建設(shè)儲(chǔ)能式充電站意義
通過上面的計(jì)算可以看出建設(shè)儲(chǔ)能式充電站比建設(shè)常規(guī)充電站減少變壓器等設(shè)備投入，經(jīng)濟(jì)、不受電網(wǎng)容量的局限。可以降低對(duì)充電設(shè)施的電力改造投入，節(jié)約了用電。通過電池容量可以選擇滿足不同容量的充電要求，也可擴(kuò)展到其他用電領(lǐng)域。對(duì)平衡電網(wǎng)負(fù)荷和有效利用，有戰(zhàn)略意義。
5結(jié)束語
文中從電動(dòng)汽車的充電問題入手，提出解決問題的設(shè)想：建設(shè)儲(chǔ)能式充電站，對(duì)儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)能效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究得出儲(chǔ)能效率，從而得出儲(chǔ)能式電站的效益，儲(chǔ)能式充電站的建設(shè)是可行的，如果能提高儲(chǔ)能電池的充放電效率和儲(chǔ)能電池的壽命，受益的將會(huì)不僅僅是電動(dòng)車行業(yè)。
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