电动汽车移动充电系统的设计与实现

于涛

(西安航空职业技术学院 汽车工程学院， 西安 710000)

0 引言

随着国家能源战略的转变，化石燃料的短缺以及对环境造成的污染迫使新能源汽车正逐步取代燃油汽车，目前，新能源汽车主要以电动汽车(Electric Vehicles，EV)为主流手段，为此EV系统已成为相关行业专家的重点研究方向。

消费者从使用传统ICE车辆转向EV作为替代交通工具的意愿是决定未来对EV的需求的主要因素。文献[2]中得出结论：价格、充电时间和充电地点焦虑是电动汽车制造商面临的主要挑战。如果新开发的基础设施设计用于快速EV充电(III级)，那么对于完整的充电周期，若充电时间降低到半小时以内，则电动车的应用会提升。在降低EV成本和开发快速充电系统的同时，如果快速充电站广泛地具有到达消费者EV的动态能力，则可以消除充电地点焦虑问题。

对于I级充电器(1.5～2.5 kW)，其主要特点是充电时间长，并且不允许配电变压器冷却；而Ⅱ级充电器(4～6.6 kW)的主要问题是在充电过程中的协调问题，这将会降低电网中的功率损耗和电压下降[3]；对于III级充电器(50～75 kW)，在短时间内需要高功率提供。

当前快速充电240V AC充电站需要2-6小时的充电时间来补充耗尽的EV电池。对于许多EV用户来说，重新给EV电池充电所需的时间是不可接受的。快速充电在很多时候是必要的，但这些充电器的放置对于加速EV市场的进入非常关键。在实际的实施过程中，通常本地电网的电气基础设施将无法支持高功率快速充电站。快速充电站的一种替代方案是使移动充电系统(Mobile Charging System，MCS)具有高存储容量。MCS由三相充电变电站充电，该存储可以利用在非高峰时段期间电网产生的电力的空闲容量，这将导致具有更均匀的电网需求分布；另一个获益的是，MCS充当动态快速充电变电站，具有在主充电变电站周围的特定区域中需要充电的任何地方对EV充电的能力。

MCS模块结构图,如图1所示为。

其中5个存储模块从三相电网充电，每个模块的充电和放电速率为75千瓦，每个充电模块的能量密度为400 MWHr，整个系统可同时为五个EV充电。该MCS模块具备2 MWHr的存储容量，以75千瓦的充电率同时为五个EV进行充电，一个完全充电的移动台将能够为大约100个完全耗尽的EV充电，本文提出了一种拟议的移动充电器和存储系统，其可以制造和扩展以获得更高的容量。

2 系统配置

MCS配置包含以下电源组件：

1.滤波电路，用于整形输入电网电流。

2.AC / DC整流器，用于将AC输入电网电压转换为DC。

3.用于控制操作模式的继电器。

4.高功率双向DC / DC转换器，用于控制功率流。

5.用于实现控制和通信算法的控制和接口板。

各个充电器模块的建议配置,如图2所示。

图2 个人充电原理图

该系统有两种操作模式[4-6]：

当电网对存储系统充电时，充电器模块切换到充电模式，并且电力从电网流入蓄电池；电网电流通过滤波电路滤波，然后整流器用于整流输入的交流电。此模式下的DC / DC转换器控制进入蓄电池的充电电流。

在放电模式期间，电池存储器为EV充电提供电力。 MCS系统控制EV的充电速率，EV由EV的电池管理系统控制。 模块中使用两个继电器来决定操作模式。

充电器模块和EV之间的连接通过连接盒完成，图3所示。

连接盒提供EV和充电器模块之间的一对一连接。对于充电器模块停止运行的情况，连接盒会绕过连接并寻找可用的充电器模块。 一旦检测到可用的充电器模块，新充电器模块和汽车之间的连接就通过旁路通道完成，此功能可为电动车提供连续充电，而无需在充电器模块失效的情况下更换车辆插接位置[7]。

3 模块化电源接口

由于车载充电器不提供快速充电能力，因此需要DC充电以确保快速充电以扩展全电动驱动范围。能量存储系统和整流器之间的DC-DC转换器主要用于控制电池存储器的充电和放电速率。 它还可用于减少或消除电网谐波，从而产生更高的功率因数和更高效的充电配置。DC-DC转换器必须是双向的，使电池能够从电网充电并通过EV放电。此外，某些应用可能需要重叠的输入输出电压范围，这在转换器选择中被考虑。在该研究中分析和比较单级和双级DC-DC转换器拓扑，以用于EV充电站基础设施[8-10]。

图3 车辆连接盒和充电器模块接口

4 双向转换器的比较

4.1 单级双向转换器

单级双向转换器通过有源元件的单级处理总功率，与双级转换器相比，单级转换器的主要优点是功率流所需的有源元件数量减少。在该分类下研究的三个双向转换器如图4所示。

图4 探索双向DC / DC转换器

降压—升压(buck-boost，BB)双向转换器可以通过仅需要一个电感器传感器来轻松实现。 另一方面，应该在转换器的两侧使用具有相对高纹波电流的电容器，期望高电感器电流通过电感器，并且输出电压是负极化的。

与BB拓扑不同，Cuk双向转换器减少了对输入和输出电压平衡电容器的需求，因为预期会降低输入和输出电流纹波。与降压—升压拓扑相比，需要更多的电感器，并且用于传输功率的电容器额定值非常高。在降压—升压拓扑的情况下，输出电压极性被反转。

在Sepic-Luo配置中也可以消除对其中一个电压平衡电容器的需求。与Cuk转换器相比，该转换器实现了传输电容器额定值的降低，此外，输出电压具有与输入电源相同的极性，因此它们可以共享相同的接地连接。从图4c可以看出，需要更多具有更高电感的无源元件来保持输入和输出电流的纹波限制。

4.2 双级双向转换器

在双级双向转换器中通过两个不同的转换级处理功率。除了施加在有源元件上的较低电压应力之外，两级方法还允许更宽范围的输出电压和电流。

图5 CBB型转换器

在本节中，介绍了两个双级双向转换器之间的比较，以分析EV应用的不同拓扑结构的优点和缺点。比较过程基于系统效率，组件尺寸和额定值。第一个转换器是图5所示的级联降压升压(CBB)转换器，该转换器已被用于不同的应用；第二个转换器是组合半桥(CHB)转换器，图6所示。

图6 CHB型转换器

两个转换器仅需要一个开关以特定频率切换，以作为降压或升压转换器工作，其他开关在整个开关周期内保持导通，以提供导通路径。

5 实验验证

本实验开发了一个75 kW CBB转换器，以验证MCS的工作模式，如图7所示。

图7 实验设置

控制算法使用TI2812数字信号处理器实现。 ADC采样和PWM开关速率保持在10 kHz。

相对于DC-DC转换器的充电电流的效率曲线，如图8所示。

图8 DC-DC转换器相对于充电电流的效率曲线

通过对实验装置进行测试，以充电电流为参数，分析电池的充电效率，实验结果表明，为MCS设计的DC-DC转换器在所需的充电速率附近非常有效。

MCS在瞬态条件下进行测试，以确保平稳有效的瞬态操作。DC-DC转换器的输入和输出电压，图9和图10所示。

图9 DC-DC转换器输入和输出电压以及可变充电命令的充电电流(0-50 A-90 A)

图10 DC-DC转换器输入和输出电压以及可变充电命令的充电电流(0-90 A-50 A)

以及可变充电命令下的充电电流。 在图9中，DC输出电流从零开始并在20.1秒内达到50 A，然后在命令90 A之前保持其值30秒，充电电流成功地跟踪命令速率并且转换非常平滑；在图10中，电流从零开始并在20.15秒内达到90 A，然后被命令衰减到50 A，充电电流在命令充电速率之后逐渐降低到50 A。

6 总结

本文所提出的MCS是为EV充电而设计、开发和实施的。开发的系统提供快速的EV充电速率，同时在电网上保持均匀的需求分布。本文介绍了各种高功率可用双向转换

器的组成结构，实验通过MCS采用75 kW CBB转换器开发，并在不同充电电流条件下条件下进行性能测试，测试结果验证了MCS对EV充电基础设施的有效性以及快速充电的高效性。