發布時間：2019-05-27所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：電動汽車的發展帶來了電動汽車充電站大規模建設問題會對電網容量及設備投入有更高的要求。針對這種現狀提出了建設儲能式充電站的設想。通過設計儲能電池充放電效率檢測實驗，得出儲能蓄電池充放電效率以及對儲能式電站進行經濟效益分析，說明了儲能式
摘要：電動汽車的發展帶來了電動汽車充電站大規模建設問題會對電網容量及設備投入有更高的要求。針對這種現狀提出了建設儲能式充電站的設想。通過設計儲能電池充放電效率檢測實驗，得出儲能蓄電池充放電效率以及對儲能式電站進行經濟效益分析，說明了儲能式充電站建設的可行性。儲能式充電站的建設不僅能改變電動汽車充電現狀而且還能應用到其他用電行業，意義重大。
關鍵詞：電動汽車,充電,儲能式充電站,儲能效率
電動汽車作為新一代的交通工具，其在節能減排、減少人類對傳統化石能源的依賴方面，相比傳統汽車有不可比擬的優勢[1]。隨著電動汽車的發展也帶來了其充電問題。電動汽車接入電網后造成的負荷增長也將增加發、輸、配電系統的壓力，這時電力公司的電力裝機容量與電力輸送設備，也必須隨之調整，以應對大量電動汽車在負荷高峰時段充電的情況[2]。本文從電動汽車的充電問題入手提出解決問題的儲能式充電站的建設方案及能效分析。
1電動汽車充電方式及充電問題
1.1電動汽車充電方式
電動汽車的充電方式一般有兩種：常規充電和快速充電。常規充電方式直接采用普通用電充電，一般需要5~8小吋，根據充電機功率不同而定。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，電池充滿需要的時間約為6個多小時[3]。快速充電又稱應急充電，是以較大電流短時間在電動汽車停車的20分鐘至2小時內(具體的充電時間由電動汽車動力電池的接收能力而定)，為其提供短時充電服務，一般充電電流為150～400A。
由于充電在短時間內(約為10～15分鐘)就能使電池儲電量達到80%～90%，與加油時間相仿，使電動汽車使用起來非常方便[4]。
1.2電動汽車充電問題
對于常規充電，由于充電時間較長一般為5～8小時。在緊急事務面前沒有人愿意等這么久的充電時間。對于快速充電，據測算，以比亞迪E6純電動汽車為例，對其快速充電2小時可以充電57kW·h，行駛里程300km[5]。
假設在半個小時充進60kW·h電，以220V的電壓給一臺電動車充滿電，為了減少充電時間，實現快速充電，就要提高充電功率，就需要以大電流充電。給多臺電動車充電，對于充電站的容量就必須很大，普通的配電網難以提供這么大電流和高容量的要求，所以需要對配電網進行改造，增設變壓器，選直徑大的電纜，專門建設電動車充電網。并設置濾波無功補償設備，從而減少充電站對電網的污染。增加了投入和建設難度。
2儲能式充電站的設計
2.1儲能式充電站的提出
為解決電動汽車充電站常規充電時間長以及快速充電需要對電網進行改造的問題，提出了儲能式充電站的建設構想。這種儲能式充電站可以使用站內的儲能電池和站內的充電設施給電動汽車充電。根據目前正在建設的新型智能電網和將來要普遍實行的峰谷平時段用電機制，設想在負荷小的用電低谷時段的夜間，給儲能式充電站內的蓄電池以常規充電方式充電，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。使用蓄電池給電動汽車充電來分擔充電站的一部分充電任務。這樣不但降低了充電站的設備容量投入，還有利于平衡電網負荷。
2.2儲能式充電站結構
蓄電池組再給電動汽車充電有兩種實現方式：一種是直接通過DC/DC，一種是通過能量轉換器PCS轉換成直流后經過升壓變壓器升壓到配電網等級。
3儲能鉛酸蓄電池充放電效率測試研究
3.1鉛酸蓄電池最佳充電方式
傳統充電方法包括恒壓充電、恒流充電以及以此方法為基礎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，在初始階段蓄電池受點能力強，但充電電流過小，充電后期析氣嚴重，充電電流相對偏大，整個充電過程時間較長，耗能多，充電效率低于65%;使用恒壓充電法充電時，在充電過程初期充電電流較大，中后期電流逐漸減小，整個充電過程時間較短，耗能少，充電效率可達到80%，但充電初期的大電流會對蓄電池的壽命造成很大影響[7]。結合兩種充電方式的優缺點，同時補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計
為了研究不同充電方式的充放電效率，設計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轉換把信號傳送到DSP作為檢測和反饋信號。
實驗對象使用川西免維護鉛酸蓄電池(12V，60Ah)。輸入220V交流電，通過4：1的降壓變壓器轉換為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;通過人機交互中的鍵盤模塊可以實現各種充電方式的選擇，通過液晶模塊可以顯示實時數據。
充電初期，蓄電池電量低，可接受電流能力強，故選用12A的電流進行恒流充電直至蓄電池的端電壓達到14.7V。恒壓充電分為兩個階段，第一階段充電電流設置為6A，第二階段充電電流設置為3A。同時對蓄電池進行溫度檢測，當溫度超過39°C時，停止充電15s。在常溫下進行實驗，通過三段式充電實驗可以測出，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。對比常見的恒流充電方式在相同的實驗條件下進行對比實驗。
實驗測得，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%。由以上數據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要求電壓，檢測電池輸出電流，將設定電流與實際電流做差，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，充放電效率的數據顯示等功能。
3.3蓄電池充放電效率測試軟件設計
首先程序將檢測蓄電池端電壓，檢測蓄電池是否完全放電即端壓是否是10.5V，才開始對其充電，并記錄此時電表的電能值W1。充電過程中檢測蓄電池充電電壓、電流，當充電電流約等于3A，同時蓄電池端電壓達到閾值14.7V時，蓄電池完成充電，記錄電表讀數W2。然后對蓄電池放電，當蓄電池端電壓等于10.5V時放電結束，記錄電表讀數W3。蓄電池的儲能效率為(W3-W2)(/W2-W1)*100%[8]。
4儲能式充電站效益分析
4.1常規充電站與儲能式充電站對比
4.1.1常規充電站
假設快速充電以0.5小時計算，每車每次充60kWh，充電站每天工作12小時，那么一個充電設施的電源容量為120kW。每個充電設施每天消耗電能為120kW*12h=1440kWh。普通居民用電設施無法滿足，這需要專門增設變壓器及相關線路。
考慮電力公司對峰谷平用電時段的劃分，以及陜西電網分時銷售電價表針對一般工商業1~10kV的收費規定。假設常規充電站運營時間是8:00~20:00(共12小時)，高峰時段8：00~11：00和18：00~20：00(共5小時，1.1981元/kWh)，平常時段11：00~18：00(共7小時，0.8123元/kWh)。則有每天每臺充電設施需付電費為：5×120×1.1981+7×120×0.8123(元)=1401.192(元)4.1.2儲能式充電站白天由站內蓄電池和充電站共同給電動車充電，各占一半，720kWh。低谷8小時和平段4小時給站內電池充720kWh，需要電池容量720kWh/12h=60kW。
這樣對電源容量的需求就降低了一半。假設儲能式充電站每天在低谷時段(共8小時，0.4266元kWh)：23：00~7：00和4小時的平常時段內對站內蓄電池充電，給電動汽車充電的營業時間是8:00~20:00(共12小時)，高峰時段8：00~11：00和18：00~20：00(共5小時)，平常時段11：00~18：00(共7小時)。
那么每天每臺充電設施需付電費為給站內蓄電池充電的電費+給電動車充電的電費。考慮蓄電池充放電效率為上面計算的84.3%則總電費為：[5×60×1.1981+7×60×0.8123]+[8×60×0.4266+4×60×0.8123]/0.843(元)=1174.759(元)儲能式充電站每天每臺充電設施可節約電費為：1401.192-1174.759(元)=226.433(元)原來的常規充電站每個充電設施需要配置12V60Ah的鉛酸蓄電池個數為：720kWh12V·60Ah(個)=1000個假設每個鉛酸蓄電池350元，可以使用5年，那么購買蓄電池的花費為35萬，5年儲能式充電站節約電費為：5×365×226.433元=41.32萬元節約的電費可以用來購買儲能電池，而且儲能式電站減少了變壓器的容量，減少了變壓器和相關線路的投入。
4.2建設儲能式充電站意義
通過上面的計算可以看出建設儲能式充電站比建設常規充電站減少變壓器等設備投入，經濟、不受電網容量的局限。可以降低對充電設施的電力改造投入，節約了用電。通過電池容量可以選擇滿足不同容量的充電要求，也可擴展到其他用電領域。對平衡電網負荷和有效利用，有戰略意義。
5結束語
文中從電動汽車的充電問題入手，提出解決問題的設想：建設儲能式充電站，對儲能電池的儲能效率進行實驗研究得出儲能效率，從而得出儲能式電站的效益，儲能式充電站的建設是可行的，如果能提高儲能電池的充放電效率和儲能電池的壽命，受益的將會不僅僅是電動車行業。
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