电动汽车光伏充电桩研究与设计学士学位论文(编辑修改稿)

电动汽车光伏充电桩研究与设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

油的依赖，向可代替性能源的利用又迈进新的一步。 ” 英国建高速公路太阳能充电站 世界上第一个全国性高速公路电动汽车充电站网络在英国投入使用。 （图 ）这种免费使用的太阳能充电站已经现身 12 个高速路服务区 ，日后还将有 18 个服务区的免费充电站投入使用。 这一举措意味着电动汽车将第一次能够行驶到英国的任何地方。 在此之前，电动汽车的潜在购买者面临的主要问题就是行驶范围有限，只能在自己所在城市驾驶电动汽车。 充图 插入式太阳能充电站 山东科技大学学士学位论文 13 电站网络由 Ecotricity公司负责建设，公司创始人戴尔 文斯表示： “ 统计数据显示电动车在城镇行驶时并不需要中途充电，真正需要充电的是城市间的高速公路。 ” 每一个充电站都将提供 100%的 “ 绿电 ” ，电力由 Ecotricity遍布英国的风力和太阳能发电场提供。 如果使用 32A 快速充电站，电动汽车在短 短 20分钟内便可完成充电，完全充满需要两个小时。 较慢的 13A 充电站则为在服务区酒店过夜的驾驶者使用。 我国太阳能充电站的建设发展现状 襄樊具有新能源汽车城之美誉，为了能给电动汽车更绿色、更清洁的能源，襄樊市建成我国首座太阳能光伏智能充电站（图 ）。 太阳能光伏充电是指利用光伏逆变技术，把太阳电池板所产生的低压直流电转变成 220 伏的交流电，之后就可直接用其给电动汽车充电。 该项技术提高了充电效率、且具有安全可靠及零污染等特点。 这座太阳能光伏充电站是由湖北追日电气设备公司建造，该公司已表明，光 伏逆变器与智能充电机都研制成功并小批量开始生产。 该充电站总占地面积约 2700 平方米，如果只依靠太阳能来发电，每日可产出 100 余度电，足够 1 至 2 台大型公交电动汽车的用电。 这座充电站与电网连接并网工作，太阳能电网产生的剩余电量图 英国高速公路太阳能充电站 电动汽车光伏充电桩的研究与设计 14 可输送到电网使用，而在光照不充足的情况下可以使用电网来补充电量。 在 20xx 年 2 月，上海通用汽车园区建成国内第一个 Sunlogics Green Zone太阳能充电站（图 ），而这座太阳能充电站的研发者是 Sunlogics 公司 ——通用汽车风险投资公司的股权合 作伙伴。 Sunlogics Green Zone 太阳能充电站是通过从太阳中获取辐射能量，并将能量转化为绿色可再生能源。 Sunlogics Green Zone 太阳能充电站落户在通用汽车的中国园区这个事实就能充分表明，通用汽车正致力于电动汽车的配套基础设施建设，目的是为了更深入的打开中国电动车市场的大门。 通用汽车将继续致力于与相应配套设施的各个供应商和各种电力集团加强合作关系，力争能为电动汽车用户提供更便捷且可靠的理想的充电模式。 通用汽车为了加快增程型电动车 ——雪佛兰 Volt 沃蓝达汽车的市场推广，通 用汽车将会把Sunlogics Green Zone 太阳能充电站在逐步建设在世界多个地区，这一举措不仅是解决增程型电动车的充电问题同时也利于以后通用汽车的其它类型的电动汽车能较快的进驻全球国际市场。 图 襄樊电动汽车太阳能充电站 山东科技大学学士学位论文 15 图 上海 Green Zone 充电站 电动汽车光伏充电桩的研究与设计 16 光伏发电是根据 光生伏特效应 原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。 不论是独立使用还是并网发电， 光伏发电系统 主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。 理论上讲， 光伏发电技术 可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。 光伏发电系统的分类 光伏发电系统按是否与电网相连可 以分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。 如图 所示，独立光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、 DC/DC变换器、逆变器组成。 太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有光照的情况下输出能量。 根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电控制器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。 控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制部分组成。 如果独立系统要供电给交流 负载使用，就需要逆变器，其主要作用是将直流电转换为可供交流负载使用的交流电。 山东科技大学学士学位论文 17 并网 太阳能光伏发电 系统是由光伏电池方阵 并网逆变器 组成，不经过蓄电池 储能，通过并网 逆变器直接将电能输入公共电网。 并网 太阳能光伏发电系统 相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。 值得申明的是，并网太阳能光伏发电系统很大一部分用于政府电网和发达国家节能的案件中。 并网 太阳能发电 是太阳能光伏发电的发展方向，是 21世纪 极具潜力的能源利用技术。 并网 光伏发电 系统有集中式大型并网 光伏电站 一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。 但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，因而没有太大发展。 而分散式小型并网光伏系统，特别是 光伏建筑一体化 发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。 DC/DC 变换器 由于光伏电池的输出电压与逆变器和蓄电池的输入电压不吻合，所以需要 DC/DC 变换器的转化。 图 独立光伏发电系统结构框图 DC/DC 蓄电池 逆变器 充电桩 太阳能 电池板 DC/DC 电动汽车光伏充电桩的研究与设计 18 独立光伏发电系统常用 DC/DC 变换器拓扑结构 到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的 DC/DC 变换电路主要有BUCK 电路， BOOST电路， BUCKKBOOSTT电路以及 CUK 电路。 它们的电路拓扑分别如下图 (a)(d)所示。 Buck 变换电路的工作原理 在独立太阳能光伏发电系统中，只有在白天太阳能电池才能有电量输出，因此系统一般会选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电控制器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。 但由于太阳能输出的电压一般比蓄电池充电所需要的电压高，因此当太阳能电池对铅蓄电池充电式多采用降压式变换器（ Buck）进行降压， Buck 变换电路在系统拓扑结构中起到稳压降压的作用，因为太 阳能光伏发电输出的电压要大于蓄电池所需要电压，且不稳定，所以使用 Buck 变换电路很好的解决了这一问题。 a. BUCK 电路拓扑图 b. BOOST 电路拓扑图 c. BUCKBOOST 电路拓扑图 电路拓扑图 图 太阳能光伏发电系统中常用的 DC/DC 变换电路拓扑图 山东科技大学学士学位论文 19 Buck 电路图如图 所示，该电路由二极管 D、电感 L、开关 Q 以及电容 C1 和 C2 构成，结构比较简单。 Buck 电路是通过开关管 Q 不断导通和关断交替变换，实现降压和稳压的。 当开关管 Q 导通时，如图 所示，此时二极管处于反偏截止状态，电感 L 未饱和之前不断储存能量，输出极性为上正下负的电压 U0 ，同时I1I2， 电容 C2 处于充电状态。 当开关管截止时，如图 所示，此时二极管导通处于续流 状态，为了保持电流 I1 不变，电感 L两端电压极性不变，输出电压极性也不变即上正下负，同时 I1I2，电容开始放电。 假设开关管导通时间为 t0 ，一个周期为 T ，则输出电压与输入电压的关系为ii UUTtU  00，其中 α为导通占空比，可知输出电压 U0 始终小于输入电压 Ui ，所以该电路为降压变换器。 图 开关导通时 Buck 等效电路图 电动汽车光伏充电桩的研究与设计 20 首先我们给开关 Q 施加一个占空比可调的驱动信号即 PWM 信号，使开关 Q 不断导通和关断之间交替变化，实现对蓄电池充电。 当开关管 Q 导通时，二极管 D 反向截止。 太阳能发出的电能向负载供电，同时电感 L上开始储能，能量增加。 当开关管 Q 关断时，二极管 D 导通，此时电感 L所储存的能量供给负载，滤波电容 C2 使输出的电压的纹波进一步减小。 Boost 变换器的工作原理 升压式 DCDC 变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，它由功率开关管 S、储能电感 L、二极管及滤波电容 C 组成。 为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假定： (1)开关开关管、二极管均是理想元件。 也就是可以瞬间的 “ 导通 ” 和“ 截止 ” ，而且 “ 导通 ” 时压降 为零， “ 截止 ” 时漏电流为零； (2)电感、电容是理想元件。 电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零，稳态开关周期中电感电流始终大于零，即变换器工作于 CCM 模式； (3)输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Boost 电路有两种工作方式：电感电流连续模式（ CCM）和电感电流断续模式（ DCM）工作方式。 电感电流连续是指输出滤波电感 L的电流总 图 开关关闭时 Buck 等效电路图 山东科技大学学士学位论文 21 是大于 0，电感电流断续指开关管关断期间有一段时间电感 L的电流为 0。 Boost 升压电路在电感电流连续模式下的工作原理如图 所示 ，转换电路中的电感在输入侧，一般称之为升压电感。 开关管 S 仍为 PWM 控制方式，但它的最大占空比 D 必须限制，不允许在 D=1 情况下工作。 图 3图 为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图。 图 升压式 DCDC 变换器电路的原理 图 图 开关管导通时的等效原理图 图 开关管关断时的等效原理图 电动汽车光伏充电桩的研究与设计 22 从图 可以看出，在开关管导通时，电源给储能元件电感 L充电， L上的电流逐渐增大，而从图 可看出当开关管截止时电感 L 放电， L 上的电流逐渐减小。 电容起到滤波的作用，使负载上的电压的波纹减小。 图 显示了电感 L上电流的变换波形和电压波形。 在 t=0 时，开关 管 S 导通，电源电压 Ui全部加到升压电感 L上，电感电流 iL 线性增长，这时二极管 D截止，负载由滤波电容 C 供电。 iL UdtdiL  (31) 当onTt时， Li 达到最大值 maxLI ， Li 通过二极管 D 导通期间， Li 的增长量 )(Li 为 sioniL DTLUTLUi   )( (32) 图 升压式 DCDC 变换电路的输出波形 山东科技大学学士学位论文 23 在 onTt 时刻，开关管 S 关断， Li 通过二极管 D 向输出端流动，电源功率和电感 L 的储能向负载和电容 C 转移，给 C 充电，此时加在 L 上的电压为 oi UU ，因为 oi UU ，故 Li 线性减小。 oiL UUdtdiL  (33) 当 sTt 时， Li 达到最小值 maxLI ，在开关管 S截止期间， Li 的增长量 )(Li为 sioonsioL TDL UUTTL UUt )1()()(   (34) 在 sTt 时，开关管 S 又导通，开始另一个开关周期。 由此可见， Boost 变换器的工作为两个阶段。 在开关管 S 导通时为电感 L的储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠存储在电容 C 的能量维持工作。 在开关管 S 关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容 C 充电，因此 Boost 变换器的输入电流就是升压电感 L电流的平均值。 )(21m i nm a x LLL III  (35) 开关管 S 和二极管 D 轮流工作， S 导通时，流过它的电流就是 Li ， S截止时，流过 D 的电流也是 Li ，通过它们的电流 Si 和 Di 相加就是升压电感的电流 Li ，稳态工作时电容 C 充电量等于放电量，通过电容 C 的平均电流为 0，故通过二极管 D。