浅析电动汽车充电方案与控制

浅析电动汽车充电方案与控制

葛秀华

江苏省盐城技师学院   224000

  摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，我国充电设施从无到有，从规模小众化到逐渐发展壮大，充电设施的基础建设也越来越引起相关部门的重视。但是就目前已经安装的部分充电桩来看，普遍存在着人机交互体验差、充电时间长、缴费繁琐等问题。因此，充电桩的设计开发有着重要的现实意义和实用价值。

关键词：电动汽车;充电方案;控制策略

  针对光伏和储能供电对电动汽车充电的协同问题，提出了一种光伏和超级电容储能的充电方案。该充电方案充分利用大功率储能设备超级电容以保证供电的持续性和可靠性。同时提出了一种基于超级电容储能的模糊双闭环ＰＩ控制策略，采用电压外环模糊Ｒ控制及电流内环Ｒ控制的方法，提高光伏母线输出电压的稳定性。利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件建立电动汽车充电和模糊Ｒ控制器模型，仿真并验证了上述储能方案与控制策略的可行性和有效性。

1传统方案分析

传统电动汽车充电设施主要由停车位、充电桩构成，部分充电设施带有雨棚以便于雨天充电。传统充电设施功能繁简不一，没有统一的设计或建设方案，主要存在以下不足。（１）各设施独立建设，兼容性较差。传统户外充电设施设计一般仅包含充电桩，布置在车位的后方或侧边，遇雨雪天气充电接口会打湿，导致电器故障。为此，部分地区增设了挡雨棚，但各设施相对独立，建设周期不一，会受原有场地和建筑限制，不能规划雨棚最优尺寸，兼容性较差。（２）设施间缺少电气联系。充电桩之间、充电桩与辅助设备之间是分散连接到上级配电房低压母线侧的，不能进行统一的电气操作，且没有集中控制设备，因此无法监控其工作状态和采集相应信息。（３）未考虑新能源和储能建设需求。充电桩由上级配电房母线供电，用电高峰期电网承受的负荷压力大且峰值时使用成本高。为解决此问题，部分地区考虑扩建光伏、储能系统，但扩建过程中往往遇到改造成本大、扩建光伏容量无法满足充电需求、需拆除或重建雨棚等问题。本文提出的设计方案充分考虑了以上问题，同步考虑充电、光伏发电、储能等建设需求，将各类设备紧密结合，构成一体化充电设施。

2模糊ＰＩ控制器的设计
  2.1模糊ＰＩ控制器原理
  传统电压电流双闭环ＰＩ控制器采用电压外环、电流内环控制方式。传统ＰＩ控制器难以在系统参数发生变化以及非线性的情况下满足系统的性能要求。而模糊控制主要依靠工程技术，在没有精确模型的前提下进行推理得到模糊信息，是种基于规则的控制方法，在一定程度上优化了参数和非线性的问题。本文将传统ＰＩ控制和模糊控制相结合，构建模糊ＰＩ控制一器。利用模糊控制技术，在ＰＩ控制的基础上进行算法的改善，计算系统当前的误差￡和误差变化率￡Ｃ，通过模糊规则自动调整变量以适应当前的系统状态。相比于传统ＰＩ控制器以误差及误差变化率作为输入变量来反映受控过程中输出变量的动态特性，模糊ＰＩ控制具有更高的鲁棒性和稳定性，同时可提高ＰＩ控制的自适应性能。模糊控制器设计首先要进行模糊化，实值输人必须表示模糊集的形式，才能进行推理，而模糊输出值的信息必须被转化为一个单值，也就是输出实值％所设计的模糊ＰＩ控制器以超级电容储能组的实时电压￡的偏电压偏差变化率￡Ｃ＝ｄｅ／ｄｔ作为控制器的输入语言变量，以ＰＩ的两个参数变化量控制变量Ａｉ＾、Ａ私为输出语言变量。通过模糊控制理和传统ＰＩ控制理论相结合，建立输人和输出量之间的函数关系。
  2.2模糊ＰＩ双闭环控制
  本文控制方案采用模糊ＰＩ双闭环控制，电压外环控制回路使用模糊ＰＩ控制器，电流内环控制使用传统ＰＩ控制器。其中，取母线参考电压为３８０Ｖ。在控制器中使用超级电容的电感电流作为控制命令６由于模糊控制器的非线性特性可以快速将输出转换为高脉冲电流，当输出电压与参考值存在偏差时，给出高脉冲电流的命令输出。当与参考值无偏差时，将模糊控制器的输出设为零，从而确保了在稳定状态下不会发生任何功率转移。所谓的移动充电包，就是一条充电线，任何有普通电源插口的地方都可以充电，体积和重量均较小，所以使用非常方便。

3系统实验结果及分析
（一）急停功能实验充电桩连接负载，并设置在额定电压、电流下运行，要求在急停操作情况下，充电桩应能在200ms内断开直流输出，且输出电压应在1s内降至60V以内。从测试结果来看，充电桩在14.8ms内就将直流输出断开并降至60V内，满足设计需求。（二）软启动实验软启动是为了防止充电桩输出电压突变损坏车内装置，所以电压输出需要一个逐渐升高的过程。充电桩连接负载，并设置在额定电压下运行，利用示波器等仪器检测充电机电压输出波形，输出电压从开始到稳定输出变化时间为(3~8)s。从测试结果来看，输出电压从开始到稳定输出变化时间为5.7s，满足设计需求。（三）输出电压误差实验充电桩在恒压状态下带负载运行，在输入电压保持不变的情况下，设置输出电压在允许电压范围内，调整负载输出电流为额定电流的50%，然后测量充电桩输出电压U。输出电压U误差不应超过±0.5%。从测试数据及结果来看，根据设定不同的输出电压值，输出电压误差均在±0.5%范围内，满足设计需求。（四）输出电流误差实验充电桩在恒流状态下带负载运行，在输入电压保持不变的情况下，设定输出电流在20%~100%额定范围内，通过调整输出电压在允许范围内的中间值，然后测量充电桩的实际输出电流Iz。在充电桩设定电流值≥30A时，输出电流误差应满足：≤±1%；在充电桩设定电流值<30A，输出电流误差应满足：≤±0.3A。从测试数据及结果来看，根据设定不同的输出电流值，输出电流误差均在标准范围范围内，满足设计需求。（五）稳压精度实验充电桩在恒压状态下带负载运行，在输入电压保持不变的情况下，调整输入电压分别在85%、100%、115%额定值时，通过调整负载，使输出电流在为0~100%范围内，分别测量充电机的输出电压极限值UM。在上、下限范围内改变输出电压设定值，然后多次测量。稳压精度应满足：≤±0.5%。从测试数据及结果来看，根据设定不同的输出电流值，稳压精度均在标准范围范围内，满足设计需求。

充电器是指将电网提供的交直流电能转化为车载高电压蓄电池所需的直流电能的装置（即AC/DC、 DC/DC整流器）。纯电动汽车和插电式混合动力汽车充电器分为车载充电器（安装在车内）和非车载充电器（安装在充电桩内）两种。车载充电器是指将AC/DC整流器安装在插电式混合动力或纯电动汽车上，采用地面交流电网或车载电源对高电压蓄电池组进行充电的装置，如图1所示。车载充电器负责与交流电网建立连接并满足车辆充电电气安全要求。此外还通过控制导线与车辆建立通信。这样可以安全启动充电过程并在车辆与车载充电器之间交换充电参数

结语

本文采用双向ＤＣ／ＤＣ变换器为拓扑结构，建立超级电容配合光伏储能的电动汽车充电系统，仿真结果表明，该储能方案可以在光照能量不稳定时对电动汽车进行稳定充电，实现光伏储能的合理应用。同时提出电压外环模糊ＰＩ控制及电流内环ＰＩ控制的策略，克服超级电容充放电过程中端电压的波动，在设计的光伏能量变化中，应用模糊PI控制的方法相对于传统PI控制电压幅值波动减小41％，直流母线侧电压稳定性显著提高。