基于电动汽车充换电站建设的研究分析

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蓄电池技术的快速发展,以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车工业发展已经成为必然的趋势。电动汽车要被广泛的使用,完善的配套设施不可缺少,所以电动汽车充电站的建设将直接影响电动汽车在未来的发展。

1国内外充电设施的发展动态

国外与国内(示范线路)已建立的电动汽车(主要使用蓄电池作为动力源)充电站(室),主要利用晚间富余电力对电动汽车的动力源进行充电,也有部分充电站采用直接更换电源的模式。在国家电网公司“十二五电动汽车充换电设施规划”的政策引导下,全国电动汽车充换电设施的建设正向一个发展高峰迈进。

欧美发达国家,如美国、德国、加拿大等在20世纪80年代初就研制出了电动自行车和电动汽车,作为提供应急充电服务的功用充电站。法国标致汽车集团先后在英国的哥兵托利、德国的卡尔斯洛因、意大利的米兰和西班牙的塔拉沙等四城市建立了复杂的停车场和充电设施;德国Varta公司与另一家公司合作,开发研制了一种可移动式电池更换装备,可将其放置在市内交通的某个车站,随时进行电池的自动更换。

美国、法国、德国、日本等发达国家的电力公司积极与电动汽车厂商和动力源厂商合作,支持并参加了电动汽车及其配套设施(主要为充电站)的研发。其主要原因在于电动汽车。

充电时,可以对电网在用电低峰时起到调峰作用,而不影响用电高峰时对电力的需求,这样就可使低峰部分的剩余电能得以利用,提高电网的经济效益,同时达到环保的目的。

2充换电站的主要构成

充电站的基础设施一般由电力输入设备(接口与缆线)、快速充电器(机)、电能输出设备线路(接口与缆线)、动力源性能检测与诊断仪器、专用灭火器材以及电动汽车零配件等组成。此外,还应与电动汽车动力源供应商通力合作,为有更换需要的电动汽车提供备用动力源。

理想的电动汽车充电站主要由供电系统、储电系统、若干台非隔离高频充电机和充电站监控系统构成。

2.1 供电系统

主要完成将电网中高压。交流电压变为与充电装置和适应的低压直流电或380V(220V)交流电源。

2.2 储能系统

连接在供电系统和每台高频充电机之间,在充电机不工作时,外部电源储存在储能介质中;在充电机工作需要为电动汽车充电时,储能介质中储存的电能可以在短时间内将足够大的功率转移到电动汽车蓄电系统中。

2.3 高频充电机

通过数据总线与充电站监控系统相连,可实现对不同厂家生产的多辆不同类型电动汽车的充电。

3充换电站充放电系统

目前国内的电动汽车蓄电池充放电技术仍然广泛的采用晶闸管移相控制,然而对于这种常规技术存在诸多缺点,主要表现在:(1)电网侧电流波形畸变严重,功率因数低,对电网污染严重;(2)充放电设备操作复杂,自动化程度低,且容易出现故障,可靠性不高;(3)充放电设备工作在工频50Hz,体积大,成本高。

随着电力电子技术的快速发展,针对传统充放电技术的缺陷,基于DC/DC变换器技术的充放电系统开始被推广,这种充放电系统由变换器和降压斩波器组成,其优点在于(1)控制技术成熟,运行可靠,对电网污染小;(2)工作频率高,体积小,而且系统配置灵活。然而该种充放电系统在电池放电时,只能对电阻放电,电能不能回馈电网,因而会造成能量的大量浪费。

4充电技术对充换电站建设的影响

由于目前电动汽车用蓄电池类型琳琅满目,种类繁多,且各种电池要求的电压等级也不尽相同,如何做到充电通用性也必须是充电站考虑的问题。要做到这一点也需要相关规程规范来协调充电装置与电动汽车的充电接口。

与电机和控制技术相比,电动汽车用电池的充、放电技术仍很落后,目前只能通过优化现有蓄电池充电智能化方法以达到电池的无损充电,避免过放电从而达到延长电池的使用寿命和节能的目的,最大程度上保证电池的稳定可靠的运行。

5充换(放)电站建设对电网公司的影响

大量充换(放)电站的建设将带来新一轮的负荷快速增长;充电场所的不固定,也将导致系统的运行工况随时发生改变,对电网系统的稳定运行带来隐患;而且由于电动汽车动力电池充电机属于非线性装置,这必然将对供电系统产生谐波污染,导致功率因数下降,对供电系统的电能质量带来不利影响,在用电高峰充电时,会加重供电系统的负担。

然而充换(放)电站建设对电网公司带来严峻挑战的同时,机遇也孕育而生。电动汽车产业的发展将开拓电网公司的售电市场,提高电能占终端能源消费的比重;同时引导用户采用适当的充电模式(夜间充电,白天使用),减少电网峰谷差,提高电网设备利用率;而且能够在不影响用户使用的前提下将电动汽车作为移动储能设备,延缓电网基础设施投入。

6充换(放)电站的未来

随着智能电网的蓬勃发展,V2G正成为研究热点,V2G描述了电动汽车在停驶状态下接入电网,并与电网实现能量与信息双向交换的关系:车载电池作为一个分布式储能单元,在电网负荷非高峰时段自动充电,在不影响自身续驶里程要求的前提下,在负荷高峰时段将部分能量回馈电网。数量庞大的电动汽车通过智能化电网平台实现规模化应用,用于电网储能和控制负荷、停电时的备用电源、削峰填谷。推动电动汽车产业发展,引导夜间低谷充电,积极开发V2G技术,对于扩大电力终端用电市场,降低需求侧峰谷差,提高电力供需平衡和电力设备负荷效率,具有重要的意义。

然而现在关于充电设施的谐波研究都仅仅局限于充电设施的一个点区域,对于电动汽车充电站大面积铺开后,形成的充电网的谐波问题治理是今后研究的关键。

目前对充电机接入电网长期运行积累的数据和经验都不充足,国内迄今为止还没有电动汽车充电站进行电能质量的在线监测,电网公司应积极积累运行数据并将数据通过信息网上传至电能质量在线监测网进行远程监控。

最后还要坚持充换电站的管理系统开发,实现对充电机参数的设置和充换(放)电控制,完成人机界面对话和对数据库的管理。良好的管理系统能够对充电机的状态进行判断和故障诊断,为充换(放)电站安全稳定的运行奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 夏超英,刘奎,郭熠.电动汽车用数字双向DC/DC变换器的实现[J].电力电子技术,2006,40(2):70～72.