电动汽车充电站监控系统设计

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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，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 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汽车、PHEV 等。
2）模式2。在专用停车场安装一定数量的智能地面充电机，直接连接电动汽车上的专用充电接口为车载电池充电。该模式适用于具有专用停车场的车辆，如纯电动公交车、纯电动环卫车等。
3）模式3，即电池更换站模式。站内安装有直接为电池包充电的充电机和直接为电动汽车充电的应急充电机，配备电池快速更换设备和电池架，配有专用配电系统(含电能谐波集中治理装置)，能为纯电动汽车提供电池更换服务。该模式适用于一次充电续驶里程不能满足日常行驶需要而频繁充电的车辆，如大型纯电动公交车、纯电动环卫车等。
2.2系统应用功能需求
2.2.1充电监控功能
充电监控功能是充电站监控系统的核心功能，主要实现对充电桩和充电机的监视与控制。
1）对充电桩的监控。
监视充电桩的交流输出接口的状态，如电流、电压、开关状态、保护状态等；采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息；控制充电桩交流输出接口的开断。
2）对充电机的监控。
充电机作为被监控对象，上送给监控系统的数据主要包含2 类：充电机状态信息，即输入输出电压、电流、电量、功率因数、充电时间、当前充电模式、充电机故障状态等；电池状态信息，即电池包基本信息、电池单体电压、电池单体温度、电池故障状态、电池管理系统设置信息等。此外，在电池包状态信息部分，系统还需根据采集到的电池单体电压、温度等计算出电池包内单体最高电压、最低电压、最高温度、最低温度等统
计信息，供限值统计、告警系统使用。对充电机的控制功能主要包括：对充电机充电
开始、停止、紧急停止的控制；充电机充电模式的调整，即根据充电机连接电池的类型及其充电特性，操作人员可通过图形画面调整各阶段充电参数，并下发给充电机；向充电机及其连接的电池管理系统下发对时命令。
2.2.2 配电监控功能
实现对电动汽车充电站配电设备的监控，方便统一管理和数据共享。可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制。
2.2.3 烟感监视功能
在模式3 的充电站中，为了保障电池充电安全，除了通过电池管理系统监视电池电压、温度外，在电池充电架中安装了数量众多的烟雾传感器，用于探测锂离子动力电池因过充导致电池自燃而释放出的烟雾。这些传感器接入充电站监控系统后，和充电监控功能(特别是在电池管理系统失效时)一起保障电池充电的安全。
2.2.4 电池维护监控功能
在大型充电站中，需要通过专门的电池维护设备对电池进行定期维护。在维护过程中，系统将采集到的维护数据存入充电站监控系统数据库，形成电池的完整数据档案，便于对电池进行整体评估。
2.2.５快速更换设备监控功能
在具备电池快速更换设备的充电站中，可通过充电站监控系统对电池快速更换设备下发具体电池更换命令：让快速更换设备在指定轨道位置更换
2.3 电动汽车充电站
电动汽车充电站是指为电动汽车充电的站点，与现在的加油站相似。随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律，电动汽车作为新能源战略和智能电网的重要组成部分，以及国务院确定的战略性新兴产业之一，必将成为今后中国汽车工业和能源产业发展的重点。然而，电动汽车产业是一项系统工程，电动汽车充电站则是主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。
在中国电动汽车充电站的发展是必然的，抢占先机也是企业的制胜之道。在目前的情况下，国家虽有大力倡导，各企业又蠢蠢欲动，但电动汽车走入寻常百姓家不是短期内容易做到的。国家政策可以给（购车补偿、上路等），而电动汽车充电站网则无法短期建，主要原因是给电动汽车快速充电需要瞬时强大的功率电力，常规电网无法满足，必须要建专用充电网络，这涉及整个国家电网改造，国家电网大改造不是小事，耗资巨大，从讨论、立项到成网，非一朝一夕能实现。
　　现在能较好的解决快速充电问题的方案是-换电站-利用给汽车更换电池的方法代替漫长的充电过程。一辆汽车需要配备两块电池，当一块电池用完后自动切换到另一块，此时可到换电站将用完
的电池换下，装上满电的电池。而换下的电池由电站统一充电和维护，前提是充电站要有相当数量的备用电池。这个方法优点是快速，用户换完电池就可以上路，比加油都快。用这种方法再加上停车场充电桩等辅助手段，相信电动汽车的普及就近在眼前。
　　充电业务模式是指电动汽车用户在汽车电能将要耗尽的时候选择到固定地点的充电站和充站桩为汽车的电池进行直接充电的模型。这是电动汽车充电站最先考虑的业务模式，在这种业务模式下，电动汽车用户通过在充电站/充电桩直接为汽车充电，即时消费电力产品并通过现场付费的模式支付费用，完成交易。
　　为此，建设相应的电动汽车充电计费系统，引入集中式的信息管理平台，是开展电动汽车充放电站建设工作的重要组成部分。
2.3.1系统模块介绍
充电站的收费系统是必须的，建设电动汽车充电计费系统，系统的实现由三部分组成，下面分别进行介绍：
　　1、建设充电计费系统管理平台，对系统涉及到的基础数据进行集中式管理，例如电动汽车信息、购电用户信息、资产信息等。
　　2、建设充电计费系统运营平台，用于对电动汽车的充放电及购电用户的充值进行运营管理。
　　3、建设充电计费系统查询平台，用于对管理平台及运营平台产生的相关数据进行综合查询
充电站按照功能可以划分为四个子模块：配电系统、充电系统、电池调度系统、充电站监控系统。充电站给汽车充电一般分为三种方式：普通充电、快速充电、电池更换。普通充电多为交流充电，可以使用220V或380V的电压。快速充电多为直流充电。充电站主要设备包括充电机、充电桩、有源滤波装置、电能监控系统。
2.3.2 充电站电力配套
常规充电
　　① 典型常规充电站的规模
　　根据目前电动汽车常规充电的数据资料，一般以20~40辆电动汽车来配置一个充电站，这种配置是考虑充分利用晚间谷电进行充电，缺点是充电设备利用率低。在高峰时也考虑充电，则可以60~80辆电动来配制一个充电站，缺点是充电成本上升，增加高峰负荷。
　　② 充电站电力配套的典型配置（前提充电柜具有谐波等处理功能）
　　a方案：
　　建造配电站设计2路10KV电缆进线（配3*70mm电缆），2台500KVA变压器，24路380V出线。其中二路为快速充电专用出线（配 4*120mm电缆、50M长、4回路），二路为机械充电或备用出线，其余为常规充电出线（配4*70mm电缆、50M长、20回路）
　　b方案：
　　设计2路10KV电缆线（配3*70mm电缆），设置2台500KVA用户箱变，每台箱变配4路380V出线（配4*240mm电缆、20M长、8回路），每路出线设置一台4回路电缆分支箱向充电柜供电（配4*70mm电缆、50M长、24回路）。
快速充电
　　① 典型快速充电站的规模
　　根据目前电动汽车快速充电的数据资料，一般以同时向8辆电动汽车充电来配置一个充电站。
　　② 充电站电力配套的典型配置
　　a方案、建造配电站设计2路10KV电缆进线（配3*70mm电缆），2台500KVA变压器，10路380V出线（配4*120mm电缆、50M长、 10回路）。
　　b方案、设计2路10KV电缆线（配3*70mm电缆），设置2台500KVA用户箱变，每台箱变配4路380V出线，供充电站（配4*120mm电缆、 50M长、8回路）。
机械充电
　　①机械充电站的规模
　　小型机械充电站可以结合常规充电站建设同时考虑，可以根据需要选择更大容量的变压器。大型机械充电站一般以80~100组充电电池同时充电配置一个大型机械充电站，主要适用于出租车行业或电池租赁行业，一天不间断充可以完成对400组电池的充电。
　　② 充电站电力配套的典型配置（大型机械充电站）
　　配电站2路10KV电缆进线（配3*240mm电缆），2台1600KVA变压器， 10路380V出线（配4*240mm电缆、50M长、10回路）。
便携式充电
　　① 别墅
　　具备三相四线表计，独立的停车库，可以利用已有的住宅供电设施，从住宅配电箱专门放一路10mm2或16mm2的线路至车库的专用插座，来提供便携式充电电源。
　　② 一般住宅
具有固定的集中停车库，一般要求地下停车库（充电安全考虑），可以利用小区原有的供电配套设施进行改造，必须根据小区已有的负荷容量来考虑，包括谷电的负荷。具体方案应根据小区的供电设施、方案以及小区的建筑环境具体来确定。