本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車充電控制的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車充電開(kāi)關(guān)裝置及充電方法。
背景技術(shù)：
：能源危機(jī)與環(huán)境污染是當(dāng)今世界發(fā)展過(guò)程中面臨的兩大難題，而大量的傳統(tǒng)汽車對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境污染帶來(lái)了不可忽視的影響。電動(dòng)汽車不直接消耗一次能源，因具有效率高、低污染等優(yōu)點(diǎn)，在解決上述問(wèn)題方面相較傳統(tǒng)汽車有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。家用通勤電動(dòng)汽車(私家電動(dòng)汽車)通常在日間停駛，夜間停在小區(qū)車庫(kù)，具有較長(zhǎng)的可充電時(shí)段供選擇，通常采用常規(guī)慢速充電方式，即采用單相220V電源進(jìn)行充電。三相不平衡是指在三相供電線路中各相線路的電流/電壓的幅值不相等或相角差不為120度。三相平衡是電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，嚴(yán)重的三相不平衡不僅會(huì)導(dǎo)致電壓質(zhì)量不合格，還會(huì)增加電網(wǎng)損耗(線路、變壓器損耗)，甚至引發(fā)電網(wǎng)安全事故。規(guī)模化私家電動(dòng)汽車在小區(qū)車庫(kù)進(jìn)行慢速充電時(shí)，如果不采取控制措施，最顯著問(wèn)題是：1)增加區(qū)域電網(wǎng)最大負(fù)荷值并進(jìn)一步加大負(fù)荷峰谷差；2)造成三相負(fù)荷不平衡，使得局部低壓配電網(wǎng)三相電壓不平衡度不合格、網(wǎng)損增加，甚至威脅到電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。通過(guò)文獻(xiàn)分析可知，目前絕大多數(shù)私家電動(dòng)汽車有序慢速充電方法的研究，均針對(duì)單相充電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析的，忽略了低壓配電網(wǎng)三相不平衡問(wèn)題的分析與處理?，F(xiàn)有技術(shù)中也有研究低壓配網(wǎng)負(fù)荷不平衡治理方法(但未針對(duì)電動(dòng)汽車充電)。上述方法通過(guò)檢測(cè)低壓線路在母線出口處各相負(fù)荷(圖1中虛線所圈部分)，形成用戶用電方案(每個(gè)用戶用哪相電)，然后通過(guò)有線或無(wú)線通信方式把控制指令下發(fā)給用戶的選相開(kāi)關(guān)。這種低壓配網(wǎng)負(fù)荷不平衡治理方法存在以下缺點(diǎn)：1)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷不平衡時(shí)，參與動(dòng)作的選相開(kāi)關(guān)數(shù)目比較多，選相開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁；2)選相開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間，用戶負(fù)荷會(huì)存在供電中斷或電壓跌落，影響用戶供電可靠性和用電安全。3)需要通信介質(zhì)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的下發(fā)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車充電開(kāi)關(guān)裝置及充電方法。一種實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車充電接入開(kāi)關(guān)裝置，所述裝置包括：微型測(cè)量電壓變換器、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、CPU模塊、三選一互鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)和充電機(jī)單元；所述微型測(cè)量電壓變換器輸入端接三相電源，所述微型測(cè)量電壓變換器輸出端接所述信號(hào)調(diào)理模塊的輸入端；所述三相電源為三相四線制，分別為A相、B相、C相和N線；所述A/D采樣模塊的輸入端接所述所述信號(hào)調(diào)理模塊的輸出端，輸出端接所述CPU模塊；所述CPU模塊的輸出端與所述三選一互鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)的輸入端連接，所述三選一互鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)的輸入端還與所述三相電源的A相、B相、C相連接；所述充電機(jī)單元分別與所述三選一互鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)的輸出端和所述三相電源的N線連接。所述微型測(cè)量電壓變換器為220V/5V微型測(cè)量電壓變換器。所述A/D采樣模塊具體包括：采樣保持、多路選擇和A/D轉(zhuǎn)換三部分。一種采用上述任一項(xiàng)所述的裝置對(duì)電動(dòng)汽車充電的方法，所述方法包括如下步驟：S1，將電源電壓變換為信號(hào)采集電壓；S2，將所述微型測(cè)量電壓變換器的輸出電壓變換到A/D輸入電壓范圍，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波；S3，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行采樣保持、多路選擇和A/D轉(zhuǎn)換；S4，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，選出所述A相、B相、C相中電壓最高的一相，并由三選一互鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通所述電壓最高的一相作為電動(dòng)汽車充電電源。所述步驟S4還包括：根據(jù)輸入控制信號(hào)，將除所述電壓最高的一相外的另外兩相截止。本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車充電機(jī)接入開(kāi)關(guān)裝置。利用私家電動(dòng)汽車的出行規(guī)律(出行和回家時(shí)間、日行駛里程)數(shù)據(jù)和充電數(shù)據(jù)，對(duì)該裝置的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該裝置在實(shí)現(xiàn)充電負(fù)荷平衡、改善三相電壓不平衡度及降低配網(wǎng)線損的效果。附圖說(shuō)明圖1是低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡的即時(shí)調(diào)控示意圖；圖2是自動(dòng)負(fù)荷平衡電動(dòng)汽車充電接入開(kāi)關(guān)裝置圖；圖3是私家電動(dòng)汽車小區(qū)地下車庫(kù)集中慢速充電低壓配網(wǎng)接線示意圖；圖4是私家電動(dòng)汽車小區(qū)地下車庫(kù)集中充電低壓配網(wǎng)接線簡(jiǎn)圖；圖5是私家車輛最后行程返回時(shí)刻概率分布圖；圖6是私家車輛日行駛里程概率分布圖；圖7是恒流–恒壓兩階段慢速充電時(shí)序圖；圖8是方案1各相充電功率時(shí)序圖；圖9是方案1三相電壓不平衡度時(shí)序圖；圖10是方案1末端節(jié)點(diǎn)各相節(jié)點(diǎn)電壓幅值時(shí)序圖；圖11是方案2各相充電功率時(shí)序圖；圖12是方案2三相電壓不平衡度時(shí)序圖；圖13是方案2末端節(jié)點(diǎn)各相節(jié)點(diǎn)電壓幅值時(shí)序圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。針對(duì)私家電動(dòng)汽車小區(qū)內(nèi)慢速充電負(fù)荷的需求特性(單相220V充電)，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)檢測(cè)電源接入點(diǎn)電壓自動(dòng)實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車充電機(jī)接入開(kāi)關(guān)裝置，如圖2所示。TV模塊是一個(gè)微型測(cè)量電壓變換器，將220V電源電壓變換到較低電壓，以方便信號(hào)采集，本裝置采用了220V/5V微型測(cè)量電壓變換器；信號(hào)調(diào)理模塊：將TV輸出電壓變換到A/D輸入電壓范圍，同時(shí)對(duì)被采樣信號(hào)進(jìn)行濾波，抑制干擾以提高系統(tǒng)的量測(cè)精度和穩(wěn)定性；A/D采樣模塊：主要包括采樣保持、多路選擇和A/D轉(zhuǎn)換三部分，實(shí)現(xiàn)模擬電壓的數(shù)字化。CPU模塊：控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，選出電壓最高的一相，再控制三選一互鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電壓最高一相作為電動(dòng)汽車充電電源。三選一互鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)：是一個(gè)三相相互閉鎖固態(tài)開(kāi)關(guān)，根據(jù)輸入控制信號(hào)，選通其中一相導(dǎo)通，其他兩項(xiàng)截止。該開(kāi)關(guān)裝置具有如下特點(diǎn)：1)自動(dòng)檢測(cè)UAN、UBN、UCN電壓，選擇電壓最高一相作為電動(dòng)汽車充電電源；2)負(fù)荷(電動(dòng)汽車充電負(fù)荷)接入前進(jìn)行選相，接入之后持續(xù)使用該相電作為充電電源，直到充電完畢，中途不再切換其他相作為充電電源，因此不存在供電中斷或電壓跌落現(xiàn)象；3)不需要遠(yuǎn)方控制，應(yīng)用簡(jiǎn)便?；诒景l(fā)明的“自動(dòng)負(fù)荷平衡開(kāi)關(guān)”的小區(qū)停車位慢速充電系統(tǒng)示意圖如圖3所示。為了驗(yàn)證本專利的有效性，根據(jù)實(shí)際小區(qū)地下車庫(kù)電動(dòng)汽車集中慢速充電設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證(目前私家電動(dòng)數(shù)量少，只能進(jìn)行仿真驗(yàn)證)?；趫D3得到的私家電動(dòng)汽車小區(qū)地下車庫(kù)集中充電的低壓配網(wǎng)接線簡(jiǎn)圖如圖4所示，圖中電氣設(shè)備和低壓配電線路參數(shù)如表1所示。表1低壓配電系統(tǒng)電氣設(shè)備參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于家用緊湊型電動(dòng)汽車、中高級(jí)電動(dòng)汽車和SUV電動(dòng)汽車的分類方式和燃油私家車關(guān)于緊湊型汽車、中高級(jí)汽車和SUV汽車的保有量比例，得到的各車型的參數(shù)和車型比例如表2所示，參考車系為日產(chǎn)Leaf、長(zhǎng)安E30、BYDE6。表2各車系的參數(shù)和車型比例三相不平衡是指在三相供電線路中各相線路的電流/電壓的幅值不相等或相角差不為120度。三相平衡是電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，嚴(yán)重的三相不平衡不僅會(huì)導(dǎo)致電壓質(zhì)量不合格，還會(huì)增加電網(wǎng)損耗(線路、變壓器損耗)，甚至引發(fā)電網(wǎng)安全事故。不平衡電流(由不平衡負(fù)荷產(chǎn)生)是引起不對(duì)稱電壓的重要原因，并且電壓不平衡是電能質(zhì)量考核參數(shù)之一，即電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度(國(guó)標(biāo)值)不超過(guò)2％，短時(shí)不超過(guò)4％?；趫D3所示的私家電動(dòng)汽車小區(qū)地下車庫(kù)集中充電系統(tǒng)(充電停車位每相50個(gè)，共計(jì)150個(gè))和表1、表2所示電氣設(shè)備參數(shù)，采用相關(guān)文獻(xiàn)中私家電動(dòng)汽車的出行規(guī)律和行駛里程概率密度分布函數(shù)，分別進(jìn)行了不采用和采用自動(dòng)負(fù)荷平衡電動(dòng)汽車充電接入開(kāi)關(guān)裝置的兩種方案的時(shí)序仿真(5分鐘作為一個(gè)時(shí)間間隔)，詳細(xì)過(guò)程如下：根據(jù)私家電動(dòng)汽車的用車習(xí)慣，統(tǒng)計(jì)得出的私家電動(dòng)汽車谷時(shí)段有序充電假設(shè)條件如下：(1)電動(dòng)汽車具備的開(kāi)始充電時(shí)刻為最后一次出行返回時(shí)刻，開(kāi)始充電時(shí)刻滿足如下正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為:fS=1σS2πexp[-(x-μS)22σS2],(μS-12)<x≤241σS2πexp[-(x+24-μS)22σS2],0<x≤(μS-12)---(1)]]>式中，μS＝17.6；σS＝3.4。得到私家車輛最后行程返回時(shí)刻概率分布圖如圖5所示。(2)日行駛里程滿足如下對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：fD(x)=1xσD2πexp[-(lnx-μD)22σD2]---(2)]]>式中，μD＝3.20；σD＝0.88。得到私家車輛日行駛里程概率分布圖如圖6所示。(3)家用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量通常在20-30kWh范圍內(nèi)呈均勻分布。目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池以鋰電池為主，在小區(qū)內(nèi)一般采用三段式慢速小電流充電方式，三段式充電階段分別是預(yù)充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段，如圖3所示。私家電動(dòng)汽車小區(qū)充電使用的是車載充電機(jī)，采用慢速充電時(shí)只需要停車位提供要一個(gè)額定電流為16A(或更大)交流220V的電源的充電樁，即自動(dòng)負(fù)荷平衡電動(dòng)汽車充電接入開(kāi)關(guān)裝置固態(tài)開(kāi)關(guān)的輸出。家用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量的分布通常在20-30kWh(也有容量跟大的)范圍內(nèi)呈正態(tài)分布。目前家用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池以恒流–恒壓的兩階段慢速小電流充電方法為主，各電動(dòng)汽車的充電功率PC取0.1C或0.2C(C為電池容量，單位kWh)，即2-6kW(大容量電池的充電功率也會(huì)大一些)充電過(guò)程將近似為恒功率特性，如圖7所示。仿真過(guò)程采用表2所示的各電動(dòng)汽車的慢充功率進(jìn)行恒功率充電，即PC＝3kW/4.8kW/15kW(4)電動(dòng)汽車充電時(shí)間計(jì)算公式如下：TC=LW100100PC---(4)]]>式中，TC為充電時(shí)間長(zhǎng)度，單位(h)；L為日行駛里程，單位(km)；W100為百km耗電量，單位(kWh)；PC為充電功率,單位(kW)。仿真結(jié)果分析：方案1：不采用自動(dòng)負(fù)荷平衡電動(dòng)汽車充電接入開(kāi)關(guān)裝置仿真得到的充電私家電動(dòng)汽車分布情況如下：當(dāng)天參與充電的汽車共計(jì)145輛，其中，A相：48輛，B相：50輛，C相：47輛；這些車輛的總行駛里程：8434公里，總充電量：1380.4kWh；得到的充電功率時(shí)序圖如圖8所示。統(tǒng)計(jì)各時(shí)刻三相電壓不平衡度最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)三相電壓不平衡度值，得到的系統(tǒng)三相電壓不平衡度值時(shí)序圖如圖9所示。末端節(jié)點(diǎn)各相節(jié)點(diǎn)電壓幅值時(shí)序圖如圖10所示。ABC三相24小時(shí)網(wǎng)損和系統(tǒng)網(wǎng)損率如下：A相：8.39kWh，B相：9.96kWh，C：7.04kWh；ΔP％＝1.8％方案2：采用自動(dòng)負(fù)荷平衡電動(dòng)汽車充電接入開(kāi)關(guān)裝置仿真得到的充電私家電動(dòng)汽車分布情況如下：當(dāng)天參與充電的汽車共計(jì)146輛，其中，A相：49輛，B相：47輛，C相：50輛；這些車輛的總行駛里程：8329公里，總充電量：1398.6kWh；得到的充電功率時(shí)序圖如圖11所示。統(tǒng)計(jì)各時(shí)刻三相電壓不平衡度最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)三相電壓不平衡度值，得到的系統(tǒng)三相電壓不平衡度值時(shí)序圖如圖12所示。末端節(jié)點(diǎn)各相節(jié)點(diǎn)電壓幅值時(shí)序圖如圖13所示。ABC三相24小時(shí)網(wǎng)損和系統(tǒng)網(wǎng)損率如下：A相：7.81kWh，B相：6.02kWh，C：7.91kWh；ΔP％＝1.6％方案1和方案2對(duì)比分析由圖8和圖11可以看出，在充電車輛相當(dāng)?shù)那闆r下，未采用本發(fā)明裝置的三相平衡充電模式時(shí)，B相出現(xiàn)了近8kW過(guò)負(fù)荷，A、C兩相出現(xiàn)了輕微過(guò)負(fù)荷(圖8)，而采用本發(fā)明裝置的三相平衡充電模式時(shí)，各項(xiàng)負(fù)荷比較均衡，不僅未出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷，而且還有留有一定負(fù)荷域度。由圖9和圖12可以看出，未采用本發(fā)明裝置的三相平衡充電模式時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的三相電壓不平衡度(超過(guò)國(guó)標(biāo)允許值2％)，而采用本發(fā)明裝置的三相平衡充電模式時(shí)，未出現(xiàn)三相電壓不平衡度超標(biāo)現(xiàn)象。由圖10和圖13可以看出，采用本發(fā)明裝置的三相平衡充電模式后，末端節(jié)點(diǎn)電壓最小值(212.5V)明顯好于未采用本發(fā)明裝置的三相平衡充電模式時(shí)末端節(jié)點(diǎn)電壓最小值(208.5V)，電壓質(zhì)量也得到了提升。另外采用本發(fā)明裝置的三相平衡充電模式后，系統(tǒng)網(wǎng)損率也由采用前的1.8％減少到采用后1.6％。本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置具有如下特點(diǎn)：1)自動(dòng)檢測(cè)UAN、UBN、UCN電壓，選擇電壓最高一相作為電動(dòng)汽車充電電源；2)負(fù)荷(電動(dòng)汽車充電負(fù)荷)接入前進(jìn)行選相，接入之后持續(xù)使用該相電作為充電電源，直到充電完畢，中途不再切換其他相作為充電電源，因此不存在供電中斷或電壓跌落現(xiàn)象；3)不需要遠(yuǎn)方控制，應(yīng)用簡(jiǎn)便。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車充電機(jī)接入開(kāi)關(guān)裝置。利用私家電動(dòng)汽車的出行規(guī)律(出行和回家時(shí)間、日行駛里程)數(shù)據(jù)和充電數(shù)據(jù)，對(duì)該裝置的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該裝置在實(shí)現(xiàn)充電負(fù)荷平衡、改善三相電壓不平衡度及降低配網(wǎng)線損的效果。此實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3