摘要:文章通过对充电系统架构、软硬件设计,以及柔性功率分配策略的分析,提出了一种适用于高电压充电场景的充电设备的设计方法,最终通过实验样机验证了设计方案的可行性,为实际的充电需求提供了重要资料。
随着电动汽车的不断普及,充电桩作为其中必要的配置设施得到了快速发展,根据国家规划,2020年将实现电动汽车总量突破500万辆的目标,新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个。电动汽车的充电需求增长迅速,而电动汽车的续航里程及充电时间一直是人们关注的重点,而解决方法一般是增大电池容量或者是实现快速充电两个方向突破。高压直流充电方式是实现快速充电的一个有效途径,随着电池技术的不断进步,相较于常规750V以下电压等级的充电方式,1000V高压直流充电方式为进一步提升充电速度提供了一个有效的解决方案[1]。
本文介绍了1000V高压直流充电桩的设计方法,包括软硬件设计、散热设计及柔性功率分配策略。
1、直流充电桩种类介绍
直流充电桩根据枪口分布情况,可以分为一机单枪、一机双枪、一机多枪、分体多枪等形式。一机多枪方式适合于大型场站,受现场布局影响较大;一机双枪因其安装放置较为灵活,适合不同的场站规划方式,可以兼顾两个相邻车位的充电,提升土地利用率,在实际场站中得到较多的应用。一机双枪方式会根据充电车辆的情况,配置不同的充电功率,主流的双枪方式功率为60kW、120kW、180kW,大功率更多应用于公交、大巴等大型车辆,以达到充电时间、前期投资等最佳,对于家用等小型车辆,一般采用60kW。本文以60kW为例介绍充电系统的设计方案。
2、充电系统架构设计
60kW一机双枪整体实施架构如图1所示。双枪一般采用主从架构,分别由两个相对独立的硬件系统组成,主控主要实现枪一人机交互、与后台通信、读卡、功率分配、控制导引等功能,从控主要完成枪二与主控通信、控制导引等功能。主从架构便于实现各个枪口独立控制,同时也便于进行功率协调分配。
图1 直流双枪系统架构图
3、充电系统设计
3.1 充电系统硬件设计
控制系统硬件部分如图2所示,STM32F107为主控芯片,内部集成了各种高性能的接口,符合工业标准,且该芯片具备兼容性,可以灵活调整,在工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品上得到了广泛应用。控制系统硬件部分具备强大的通信能力和数据交互能力,通过232及CAN总线接口实现与功率变换模块及各个其他功能部件的信息交互,同时通过IO口实现开入开出量的控制,方便投入和切除功率模块,实现柔性功率分配。同时与车载BMS间遵循一定的通信规约,参考充电过程的控制导引,实现完整的充电过程。
图2 硬件系统接口
CAN通信采用串行通信方式,可以有效解决信号传输的干扰和冲突,其稳定性和可靠性高,在汽车及工业自动化领域到了广泛应用。在充电设备内部通信及与车载BMS通信也大量采用了CAN通信方式[3]。STM32F107V自带2个CAN通信口,与外部通信需进行电气隔离,为提高抗干扰能力,在输出接口接有共模电感和TVS管等保护电路,具体电路如图3所示。
图3 CAN通信电路
为了保证充电过程的安全,充电设备会实时检测当前的充电状态,通过检测电路将信息传输至控制CPU芯片,主控CPU芯片将信息汇总并进行逻辑处理,实现如过流、过温、过欠压、短路、继电器误动作等保护,同时通过与车载BMS之间的通信,也可以实时监控车载电池状态,从而进一步对所充电车辆实施保护。
3.2 充电系统软件设计
整体软件设计遵循模块化设计理念,降低模块间的耦合度,提升程序稳定性和可维护性。对于双枪及多枪设备,柔性功率分配功能具有十分重要的意义,当桩体处于单枪、双枪等不同充电场景变换情况下,仍旧能确保输出功率满足车体充电需求,提升模块的利用效率。柔性功率分配的控制流程图如图4所示,模块的数量会根据每个枪的需求情况自动调整,当其中一个枪充电结束后,会自动将一部分功率转移至正在充电枪口,确保总体模块的利用率最高。
图4 柔性功率分配控制流程图
3.3 系统散热设计
充电桩属于户外产品,其工作环境较为恶劣,高温时由于受地表辐射的影响,进风口空气温度要明显高于正常空气温度,而散热对于提升设备可靠性至关重要,所设计的设备温升越低,整机过温的可能性就会越低。设备内部功率模块的阻力曲线如图5(a)所示,随着风量的提升系统阻力会逐渐增加,同时将所选风机工作曲线、温升的要求一并作为参考因素,最终获得一最优值,依据此可以建立整机的3D模型及散热仿真模型,仿真结果如图5(b)所示。经仿真发现,整机温升ΔT=12.56℃,符合要求。
图5 整机温升仿真
(a) 阻力曲线 (b)仿真结果
3.4 充电系统功率变换设计
功率变换部分是充电设备的核心部件,是充电设备的“心脏”,其性能的优劣直接影响充电性能,同时对充电过程的安全也具有至关重要的作用。功率变换部分不仅要实现AC/DC变换功能,还要具备PFC功能,提升输入交流侧电能质量降低对电网的影响。一般采用两级变换方式,即AC/DC+DC/DC,前级AC/DC较为成熟的拓扑是三相PFCVIENNA,后级DC/DC拓扑一般根据电平不同分为两电平变换方式和三电平变换方式,根据工作模式的差异又分为LLC全桥变换和移相全桥变换[4]。
三相PFCVIENNA拓扑如图6所示,整体电路简单、器件较少、功率器件开关应力小,可工作于较高的开关频率下,降低了滤波器尺寸,提升了整体功率密度,降低了系统成本。
4、系统验证
根据以上设计准则,设计了一款直流60kW双枪充电桩,输出的最高直流电压达1000V,为了满足整体输出功率,功率变换部分由多个模块并联而成。单个功率模块输出电压电流特性曲线如图7所示,桩体单枪模式工作最高输出电压为1000V,最大输出电流为66A,最大功率为60kW,当输出电压降低时,输出电流将限定在最大输出值。不同充电模式下整机效率测试数据见表1,整体在93%以上。
图7 输出电流与输出电压、功率曲线
表1 效率测试数据
5、结语
本文设计了一款适合于高压场合应用的充电桩设备,从系统架构到各个功能组件设计进行了描述,同时介绍了柔性功率分配的控制策略,也提供了整体散热的计算仿真结果,在最后的整机验证环节,经实测数据证明所设计的整机可满足充电需求,可以在实际使用中推广应用。
参考文献:
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