多输入电动汽车充电装置的设计

周雅夫 刘邵勋 黄立建

摘 要：为解决退役汽车动力电池资源浪费和传统电动汽车占用电网资源的问题，文章以退役汽车动力电池储能为基础，提出了一种结合了电网，退役储能系统以及太阳能发电装置的多输入电动汽车充电装置，文章从功能描述，装置选型及实验验证的角度出发，验证了该多输入充电装置方案切实可行，同时证明了该装置可以缓解电网压力，增加退役电池的梯次利用率和新能源的利用率。

关键词：退役电池;充电装置;梯次利用;储能

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-20-06

Design of Multi-input Electric Vehicle Charging Device*

Zhou Yafu， Liu Shaoxun， Huang Lijian

（ School of Automotive Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural

Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Liaoning Dalian 116024 ）

Abstract： In order to solve the problems of waste of retired power battery resources of vehicles and the occupation of power grid resources by traditional electric vehicles， this paper proposes a multi-input electric vehicle that combines power grid， retired energy storage system and solar power generation device based on the energy storage of retired vehicle power batteries Charging device. From the perspective of functional description， device selection， simulation and experimental verification， the article verifies that the multi-input charging device solution is feasible， and at the same time proves that the device can ease the pressure on the power grid and increase the cascade utilization rate of retired batteries and The utilization rate of new energy.

Keywords： Decommissioned Battery; Charging Device; Echelon Utilization; Energy Storage

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-20-06

前言

近年来，国家大力支持新能源汽车行业发展，随着一系列的国家政策颁布，新能源汽车行业的迅速发展，同时退役汽车动力电池的数量也急剧上升[1-3]，根据规定，当其能源汽车动力电池容量降低为原标定容量的80%时，已经不能满足其使用需求，需要做退役处理[4]，但此时电池还有部分容量未经完全利用，直接报废该类动力电池会造成能源的浪费[5，6]，若將此类电池梯次利用于电池储能领域，能有效提高退役电池的利用率，避免资源浪费。

退役电池梯次利用时近年来的研究热门之一，文献[7，8]从经济角度出发，在当前退役电池梯次利用的三大主要应用场景：新能源发电、电网以及用户层面分析明确了退役电池成本具有极为强大的竞争优势，指出了电池梯次利用经济层面的可行性。文献[9，10]指出了风能和太阳能等新能源发电具有能源生产不稳定的问题，需要有相应的储能装置保证能源的利用，进而引出了退役电池储能装置。文献[11]提出了针对风场发电中退役电池储能系统的优化配置。文献[12]则是针对太阳能发电的储能系统给出了具体优化措施。文献[13]通过具体分析电池相应的衰减数据，给出了优化储能系统中电池健康状态的一种措施。文献[14]将锂电池应用到光伏发电站储能系统中，并通过数据分析给出了充电时的平稳电池搭建方案。文献[15]通过分析退役储能电池搭建新型公交汽车充电站，着重对其经济性进行分析，并指出其可以提升公交站的经济效益。文献[16，17]针对日常楼宇设计了电池储能系统，并通过经济角度分析了其可行性。文献[18]提出了一种退役储能系统中的主动均衡控制系统，延长了退以电池的使用寿命。

在装置电路设计和元件选型方面，文献[19]设计了一种运用于储能系统中的升压电路，讲述了针对储能系统升压的电路器件选型。文献[20]设计了针对电网向储能电池充电的一种降压电路。文献[21]针对DC/DC转换器中的电感选型，利用电路仿真提出了一种更为节省成本的方法。

本文通过将退役动力电池作为储能装置，结合电网和太阳能发电提出了一种新型的多输入汽车充电装置，首先通过装置选型确定充电装置中各个元器件的参数，然后利用MATLAB环境中Simulink模块进行仿真，检验所选电路元器件的正确性，最后通过实际台架试验检验该多输入充电装置达到技术要求。

1 多输入充电装置整体介绍

1.1 Boost电路

Boost电路是一种开关直流升压电路，其电路拓扑结构如图3-1所示。Boost电路的功能是是通过控制IGBT的通断，使输出电压高于输入电压，Boost电路采取恒频率的控制方式，占空比可调节，如图1所示，在充电过程中，开关闭合（Q导通），此时输入电流流过电感，由于输入直流电，所以流经电感的电流以一定的比率增加，随着电流的增加，电感中储存了一定的电量。

放电过程中，开关断开（Q截止），由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会立刻降为0，原有的电路已经断开，电感只能通过新电路给电容C充电，此时电容两端的电压升高，即电路的输出电压升高，升压完成。

图中，Uin为输入电压;L为储能元件;C为电容器，Q为三极管，Uout为输出电压。

1.2 Buck电路

Buck电路是一种降压式变换器，电路拓扑结构如图2所示。 其功能是实现输出电压小于输入电压，图中，Q为开关管，一般由PWM（Pulse width modulation 脉冲宽度调制）信号控制，若信号周期为Ts，则：

（1）

其中：Ton为导通时间;Toff为关断时间;信号频率为 f=1/Ts。

当Q导通时，电感电流增加，电感储能;当Q关断时，电感电流减小，电感释能，电流的增量大于其减少量，则 为一个开关周期内产生的平均感应电势，在此电势的作用下，电感电流上升与下降的速度均被减少，最终导致一个开关周期内电感上磁链增量小于零。

1.3 整流电路

AC/DC即为交流电转换为直流电，新型充电装置采用采用电网为输入源，所以需要将电网的交流电转换为直流电，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为整流，拓扑结构如图3所示：

1.4 整体结构介绍

多输入充电装置整体结构包括一个AC/DC变换器和两个DC/DC变换器，利用上述装置结合太阳能电池、电网和退役储能电池，整个装置通过CAN总线与控制器连接。整体装置示意图如图4所示。

其中，黑色线为电路连接线，蓝色虚线为控制线路。

由图4可知，装置整体结构可分为退役电池储能系统，多输入充电装置，充电桩和控制系统四大结构。退役电池储能系统是由废旧电池经过回收，拆解获得的电池单体，通过上一章节提到的电池剩余寿命预测技术记性筛选，将电池健康程度良好的一类电池单体进行配对重组，进而组成了退役电池储能系统。

图4中的控制系统由监控单元和调度单元组成，其中监控单元用于接收退役电池储能系统中电池管理系统（Battery Management System，BMS）中传来的信息，具体包括电池温度，电池剩余容量（State Of Charge，SOC），电池健康状态（State Of Health，SOH）以及退役电池组的故障报警等信息。

新型充电装置中的多输入充电模块由DC/DC1、DC/ DC2、AC/DC以及若干个继电器组成，DC/DC2的作用是将太阳能发电装置中的电量进行升压，以便用于退役电池储能系统充电或新能源汽车供电;DC/DC1的作用是将退役电池储能系统的端电压升压，或是将太阳能发电装置和电网的电量经过整流升压对退役电池储能系统充电;AC/DC的作用是对电网上的三相交流电进行整流升压，以便于DC/DC1的利用。该装置中的DC/DC1和DC/DC2主要由输入滤波电感、电容，升压电感，IGBT和输出π型滤波的电感等功率元件构成。

电动汽车充电装置控制系统系统能够对该装置进行自动峰谷充放电控制，具体为：通过控制DC/DC1、DC/DC2和AC/DC上的继电器K1、K2、K4的通断，实现系统的多种工作状态，充电装置的工作状态分别表现为：

（1）当电网处于用电低谷期，系统处于退役储能电池电量不足，无电动汽车充电且太阳能电源无法利用时，控制器识别此状态，控制继电器K4闭合，K1、K2關断，利用电网的电量经过整流调压后输送给退役储能电池;当太阳能电源可用时，利用太阳能和电网电能向退役储能电池充电。

（2）当电网处于用电高峰期，系统处于退役储能电池电量不足，无电动汽车充电且太阳能电源无法利用时，控制器识别此状态，控制继电器K4闭合，K1、K2关断，利用电网的电量经过整流调压后输送给退役储能电池;当太阳能电源可用时，为节约使用成本，利用太阳能向退役储能电池充电。

（3）当电网处于用电低谷期，系统处于退役储能电池电量充足，无电动汽车充电时，控制器识别此状态，控制继电器K1、K2、K4断开，系统此时处于待机状态;

（4）当电网处于用电高峰期，系统处于退役储能电池电量充足，无电动汽车充电时，控制器识别此状态，控制继电器K1、K2、K4断开，系统此时处于待机状态;

（5）当电网处于用电低谷期，系统处于退役储能电池电量较低，有电动汽车充电时，控制器识别此状态，控制继电器K2断开，K1、K4闭合，此时电网与太阳能电池产生的电量经整流调压后，由DC/DC1调压完成后将电量输送给电动车充电接口，向电动汽车供电;若太阳能电源不可用，单独采用电网电量向退役储能电池充电;

（6）当电网处于用电高峰期，系统处于退役储能电池电量较低，有电动汽车充电时，控制器识别此状态，控制继电器K2断开，K1、K4闭合，此时电网与太阳能电池产生的电量经整流调压后，由DC/DC1调压后供入充电接口，向电动汽车充电;若太阳能电池不可用，单独使用电网电量向退役储能电池充电;

（7）当电网处于用电低谷期，系统处于退役储能电池电量较高，有电动汽车充电时，控制器识别此状态，控制继电器K1、K2断开，K4闭合，此时电网中的电量经过整流，太阳能电池中的电量经过调压，由DC/DC1调压后供入充电接口，向电动汽车充电;

（16）

在公式16中，Ud为IGBT稳态下能承受的电压值，α为设计过程中流出的安全余量值。

公式17为变压器输出一侧的电流值计算公式，只适用于AC/DC;公式18为关断时候的峰值电压计算公式。

（17）

在公式17中，I1为需要计算的变压器一侧的电流值;N为变压器的匝数比，I2为变压器输入一侧的电流值。

（18）

在公式18中，Umax为IGBT关断时候的电压峰值;Ud为IGBT稳态下能承受的电压值;α为设计过程中流出的安全余量系数;Up为，DC/DC1，DC/DC2和AC/DC中各自与IGBT搭配的电感带来的电压峰值。

公式19为IGBT上额定电流计算公式。

（19）

其中，Ii为装置需求IGBT的额定电流值，Ie为IGBT承受的电流平均值，其对于AC/DC中的IGBT中，该值等于I1，对于DC/DC1，DC/DC2，该值分别等于装置最低输入电流值和太阳能电源的输出电流值;1.5为电流的过载系数，1.23为电路中的电流通过IGBT的集电极时的电流缩小系数。

本文采用是代号为MBM600GS6CW，耐压程度为600V的IGBT。

通过对多输入充电装置中主要电路元器件的参数计算，为下一章完成该装置的仿真以及实验打下了基础。

3 多输出充电装置的实验

上一章主要介绍了多输入充电装置中主要电路元器件参数计算，本节基于D&V公司的EPT-150实验台架对多输入充电装置中的DC/DC1进行试验，主要原因是在多输入充电装置中，DC/DC1直接连接整个装置的输出端，其功能是否正常将直接影响整个装置的运行。

D&V公司生产的 EPT-150台架是专为纯电动和混合动力系统的电机和驱动器而设计制造的，其内置完全可编程的电池仿真器，完全可以满足本次实验的条件。图7为实验台架的照片。

试验通过分析DC/DC1输入端电压为140V，160V，200V时分别测试其输出电压，输出电流以及效率，利用三者的对应关系找出装置最佳的工作点。图8，9，10分别为输入电压为140V，160V，200V的输出电流，电压以及效率的MAP图。

结合三种输入电压条件下的MAP图分析，在输入电压一定时，增加升压比会导致多输入充电装置的效率下降，总而言之，DC/DC1的效率会随着其输出功率的升高而下降，但考虑其应用环境，多输入充电装置需保证电动汽车用户的充电体验，所以该装置不能为了提高效率而降低其输出功率，所以为了尽可能的提高装置的效率，需要尽量使DC/DC1的输入端电流平稳。

但是考虑在实际运行条件下，DC/DC1输入端会存在电流波动的可能，同时DC/DC1输入端电流的提升会导致电流纹波的增加，过大的电流纹波值会对电路中的元器件造成冲击，影响装置使用寿命甚至带来危险，为避免输入电流增大带来的电流纹波问题，在DC/DC1的输入端加入的滤波电感可以解决此问题。图11和图12是有无滤波电感时的输入电流对比图。

从图中可以明显看到，在加入了滤波电感后，该装置的输入电流明显更为稳定，在图11中，输入电流的振动幅值为28A，电流纹波为33.3%，在图12中，输入电流纹波电流振动较小，电流振动的幅值为0.7A，纹波值为0.83%，属于装置输入端电路元器件可承受范围内。

4 总结

文章以增加退役电池梯次利用率为目的，提出一种基于退以电池储能的多输入电动汽车充电装置，基于其技术要求和功能模式完成了该装置的电路选型，并结合实际的台架实验对该装置的可行性进行了有效验证。结果表明，将退役电池梯次利用于电池储能装置，结合电网和太阳能发电装置的多输入电动汽车充电装置在技术上具有可行性，该方案为电动汽车动力电池退役后的处理问题提供了一种解决思路，提高了退役电池的利用率。

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