电动汽车充电站监控系统设计

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1、1 绪论1.1 引言汽车工业的告诉发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安全等方 面的问题越来越突出。 为了保持国民经济的可持续发展， 保护人类居住环境和能源 供给，各国政府不惜巨资，投入大量人力、物力，寻求解决这些问题的各种途径。 我国面临的形式也十分严峻， 国内的石油储藏量和开采量相当有限， 随着汽车保有 量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足， 而且每年成递增趋势。由于电动汽车具有突出的环保方面的优势， 使得电动汽车的开发和研究成为各 国开发绿色汽车的主流。 电动汽车使用的能源是可以用与发电的一切能源。 因此使 用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依

2、赖，改善能源结构，使能源供给多样化， 使能源的供给有保障。 电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一 定优势。因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。电动汽车具有 良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特点， 即可以保护环境， 又可以缓 解能源短缺和调整能源结构， 保障能源安全。 目前发展电动汽车已成为各国政府和 汽车行业的共识，电动汽车的研发已成为汽车行业的热点。因此，无论是从设计、 研究和开发的观点， 还是从实用的角度来看， 了解和掌握电动汽车技术的社会需求 会越来越大。目前世界上许多发达国家的政府、著名汽车厂商及相关行业科研机构都 在致力于电动汽车技术的研究开

3、发与推广应用。电动汽车充电站是电动汽车 大规模商业化后不可缺少的电动汽车能源服务基础设施，如何实现电动汽车 充电站运行管理的自动化是必须研究的课题。系统建设的必要性：1）保证动力电池充电安全的需要。目前纯电动汽车多使用锂离子蓄电池作为 电能存储单元。锂离子电池对充电要求较高，充电过程控制不好会造成电池 永久损坏，甚至引起电池爆炸。充电站监控系统的充电监控功能可以监测电 池和充电机当前状态。采用智能充电机的充电保护措施可以有效保证动力蓄 电池充电过程的安全。2) 提高充电站运行和管理水平的需要。电动汽车充电站作为保障电动汽车正 常使用的能源基础服务设施，因其构成设备数量多，用人工方式来管理这些

4、设备很难实现，所以有必要利用先进的信息技术实现其运行和管理自动化， 降低工作人员的劳动强度，提高充电站运行和管理水平。1.2 电动汽车的发展及其关键技术1881 年的法国诞生了世界上第一辆电动车，但是由于技术的原因，在不长 的时间里燃油汽车就占据了汽车市场的绝大部分市场份额。近年来，随着许 多电动汽车关键技术的不断发展以及全球汽车生产商对电动汽车发展的重视 程度不断加深，现代电动汽车己经作为一种全新概念的交通工具被提上日程， 它自身将会承担更多的功能，正因为这样，电动汽车在发展中，必须面对并 解决以下关键技术：(1) 车身设计 车身设计的工作早在一开始就将实用性和外观性联系在了一起。尤其在现代

5、 汽车要求速度越来越快的情况下，对于汽车的空气动力学、行驶平顺性等方 面考虑己经成为车身设计的主要工作。在设计电动汽车时，应该在车身设计 上多下功夫，力争使电动汽车的无功损耗降低到最低点。(2) 动力驱动技术 电动汽车主要是依靠直流电动机来驱动的，但是由于目前直流电动机的转速 转矩变化范围窄，并不能满足汽车行驶的需要，所以国际上已经开始了关 于电动汽车用交流电机的研制的热潮，其中开关磁阻电机的研制，高效永磁 同步电机交流电机都已进入试用阶段；控制技术矢量控制和直接转矩控 制技术己经在理论界得到了充分的验证和肯定，技术也同趋成熟。随着技术 的发展，电机和电机控制器也越来越成熟，电机向着高电压、小

6、电流、大功 率、小体积、重量轻的方向发展，直流电机已逐渐被交流电机所代替。控制 器也向着智能化、集成化的方向发展。(3) 能源供应系统 现代电动汽车经过数十年的发展，其各项标准己经基本达到了人们用车的要 求，但是却迟迟不能占据市场，最主要的原因就是现在的电动汽车的续驶里 程不能满足入们的要求。如何寻找或者研制一种更加优良的能源是电动汽车 发展的一个极其关键的问题，目前的局面是铅酸、镍氢、锂离子、燃料电池 多种电源并存，铅酸电池占据了主要地位，针对目前的市场占有情况如何合 理的使用提高铅酸电池的寿命和效率，就具有十分明显的经济和社会价值， 而且随着铅酸电池生产技术的不断更新，新一代的卷式铅酸电池

7、能量比将大 大增强，其充放电将变得越来越简单，因此本论文的研究将围绕铅酸电池展 开。1. 3 电动汽车充放电技术研究概况电动汽车充放电技术就是对蓄电池的输入输出进行合理的控制，达到节 能、延长设备寿命的预期目标。电动汽车的充放电技术对电动汽车的能源存 储源免维护铅酸蓄电池的充放电进行合理的控制，达到行驶里程和蓄电池寿 命的最大化。电动汽车充放电控制系统如同电动汽车的总体控制中心，它具有功能多、 灵活性好、适应性强的特点，从而可以非常合理地利用有限的车载能量，达 到电池寿命和行使里程的最大化。根据目前国内外技术发展的情况，主要是 实现充电时间的缩短，电池寿命的延长和持续行驶罩程的最大化，因此，问

8、 题归结于两个方面，一、根据电池充放电原理缩短蓄电池充电时间 （ 快速充电 技术 ） ，二、电动汽车运行过程中在保证制动正常的条件下结合充放电原理进 行能量的回收。常规的充电方式包括恒压充电、恒流充电和将两者组合起来应用于不同 时问段的混合充电方式。从本质上来讲都是一种充电电流无法随蓄电池充电 状态自动调节的单一模式充电法，所以无法实现充电过程的最优化。相对于常规充电模式而言，智能化充电模式根据电池生产单位提供的技 术数据对其整个充电过程进行控制，根据蓄电池的充电状态而动态跟踪蓄电 池的可接受最大充电电流及后期充电电压的变化，使得实际充电电流始终保 持在最优值附近，从而保证了蓄电池几乎在满足自

9、身理论特性的状态下的充 电。对于智能充电可以概括为：根据蓄电池的充放电特性来找到一种最佳的 充电方式，并且用合适的电力电子装置来实现它。前面是针对蓄电池特性的 研究，后者是针对电力电子装置的研究。这里的最佳的充电方式就是最佳的 充电电压和充电电流的选取。智能充电的作用是给标准蓄电池充电，它的功 能是要求根据不同的电池，控制不同的状态，自动检测电池端电压和端电流 的值，经过处理后产生电压偏差和变化率信息，再经过模糊处理，输出电流 和电压的控制信息，实时、精确的控制充电过程，目前不少研究者在这一方 面已经做了大量的研究，但大多是基于不可控整流方式和功率因素补偿来实 现，对电网仍有一定的污染，其控制

10、方式有待于进一步的提高。结合电池充 放电原理，根据电动汽车的驱动设备电机特性，在电动汽车运行过程 ( 减速和 制动时电动机工作在发电状态 ) 对其能量进行有效的回收利用，可以有效增加 汽车行驶里程，根据日本本田公司研究数据，对电动汽车能量进行有效回收 利用，可使汽车在 UDDS(Urban Dynamo Driving Schedule) 市区发电工况下延 续行驶罩程 26左右。因此，结合蓄电池充放电特性对其充放电过程进行控 制就具有明显经济价值。电动汽车在运行过程中，其输出功率会随着路况、 环境等多种因素的变化而变化，同时在减速和制动过程中对电机能量进行回 收，根据负载变化动态调节蓄电池充电

11、电流的大小，达到延长行使里程的目 的。目前日本丰田、本田公司和美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学以及美国 的国家航空与航天管理局路易斯研究中心在此领域的研究较为深入，我国近 几年，也在此领域展开了研究，如清华大学、北京理工、武汉理工等研究机 构。1.4 电动汽车充放电技术存在主要问题 当前电动汽车产业迟迟未能工业化的主要原因电池问题，当前的电池容 量和体积质量的关系不能满足电动汽车的需要，也就是说一定重量的蓄电 池只能提供给电动汽车有限的能量，致使电动汽车行驶里程太短，由于电池 技术不可能再短时间内取得突破，所以只能在短时充电和延续汽车行驶里程 进行深入的研究，一方面，随着快速充电技术的深入，可以

12、使电动汽车像在 加油站加油一样，在较短时间内补充能源，也可以采取在公共的充电站更换 蓄电池组来补充能源；另一方面，我们可以对运行过程中的能量进行部分回 收，通过对对电池充电的方式实现减速和制动，一方面延续行驶里程，另一 方面，可以拉大充电站之间的距离，减少充电站的建设。1.5 本论文的主要内容 当今社会电动汽车的发展迅猛，因此对电动汽车充电站监控系统提出了很高 的要求。面临能源和环境的巨大压力， 以电力作为驱动系统动力源的电动汽车成为 绿色交通工具， 有着广阔的前景， 电动汽车充电站则是电动汽车运行的不可缺少的 能源服务基础设施。 但是目前电动汽车充电站普遍实行无人值班， 且能够保证大规 模充

13、电站正常运营的充电站监控系统尚无成熟产品，各充电站之间也无信息联系， 这就要求充电机的可靠性及自动化智能化程度更高，功能更加完善。仪器的设计， 本着简明、科学、实用的原则，力求从整体出发，从实际使用出发，突出系统的可 靠性、免维护、免培训特点和系统结构的简明完整性，把对操作人员的专业技术要求降到最低，发挥系统整体设计的优势，使系统整体性能达到最佳，功能强大而操 作简单，测量精确而维护方便，在此基础上，完成电动汽车充电站监控系统设计， 做到监测系统稳定，可靠性能高。在系统设计中， 应充分应用近年来发展起来的各种新技术、新器件、新方法， 在保证各项性能指标能够满足系统方面要求的前提下，力求简化结构

14、，降低成本， 提高可靠性和稳定性 4 。设计时需要注意的问题：（1）、产品的技术指标、生产工艺等要符合国家有关规定和地方管理部门的规 定。（2）、运行的可靠性和稳定性一定要好，安装、维护要方便，操作要简单。（3）、各项功能要实用， 既要满足国家和地方的有关规定也要考虑用户的要求。（4）、设计、制造尽可能使用通用的有替代产品的原件，器件和设备。（5）、能使用软件实现的功能，一般不用硬件来实现，以减小体积，将成本降 至最低。（6）、设计要从整体出发，分步、分层实施，突出系统的整体性能，力求系统 整体性能最大优化。2 系统的设计理论与基本知识从第一章中我们了解到了电动汽车发展及其相关技术，对电动汽车

15、的发展应该 用了一个大概的认识。 要想建成一个合格的电动汽车充电站监控系统， 所需了解的 地方包括电动汽车的电能供给方式、 充电站建设模型、 以及一个电动汽车充电站的 监控系统应该包括哪些监控方面等。 下面就以上所说的比较重要的几点做一下简要 的介绍2.1 电动汽车的电能供给方式与充电站建设模式2.1.1 电动汽车的电能供给方式 目前，电动汽车电能供给方式主要有交流充电、直流充电和电池组快速更换 3 种 典型方式。1）交流充电方式。外部提供 220 V 或 380 V 交流电源给电动汽车车载充电机，由 车载充电机给动力蓄电池充电。 一般小型纯电动汽车、 可外接充电式混合动力电动 汽车（plug

16、 in hybrid electric vehicle , PHEV）多采用此种方式。车载充电机一般功率 较小，充电时间长。2）直流充电方式。地面充电机直接输出直流电能给车载动力蓄电池充电，电动汽 车只需提供充电及相关通信接口。地面充电机一般功率大，输出电流、电压变化范 围宽。有些地面充电机还具备快速充电功能。3）电池组快速更换方式。电动汽车与充电机无直接联系，而是通过专用电池更换 设备将车上少电的电池取下，换上充满电的电池，这个过程所需2.1.2 充电站建设模式 结合电动汽车的发展趋势以及电动汽车电能供给的典型方式， 本文认为未来电动汽 车充电站建设主要有 3 种典型模式：1）模式 1。在住宅小区或商业大厦的专用停车场安装一定数量的智能充电桩和少 量的智能地面充电机。 智能充电桩为电动汽车提供 220 V 或380 V 交流电源接口， 智能地面充电机为电动汽车提供应急充电服务。该模式适用于小型纯电动