移动救援充电车充电系统设计

姚翔宇;江栋;邵显清;张杰

【摘 要】随着电动汽车运营数量的不断增加,电动汽车故障救援工作的重要性日渐突出,针对中国目前充电设施数量不足、分布不平衡、缺乏移动充电救援设施的实际情况,介绍一种基于直流母线结构的移动充电车充电系统设计方案并验证方案的可行性.充电系统包括取力发电机、直流母线前级电源、交直流一体化充电机和大容量储能电池4个部分.此车载充电系统具有灵活性、安全性和环保性的特点,并能满足各种类型待救援电动汽车的充电需求.%The rescue for broken-down vehicles is becoming increasingly important with the increasing quantity of electric vehicles.Considering the situation of the shortage and unbalanced distribution of charging facilities,,a design of charging system for mobile charging vehicle is proposed and verified especially aimed at the reality of lacking mobile charging rescue facilities.The charging system consists four parts including the power generator,the power supply before DC bus,the integrated AC-DC charger and the large capacity energy storage battery.The safe and green charging system can be flexibly applied to various types of electric vehicles with a good compatibility.

【期刊名称】《中国电力》

【年(卷),期】2018(051)005

【总页数】8页(P80-86,117)

【关键词】直流母线;电动汽车;取力发电;充电系统;车载式

【作 者】姚翔宇;江栋;邵显清;张杰

【作者单位】南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京 211000;国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北武汉 430074;南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京 211000;国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北武汉 430074;南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京 211000;国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北武汉 430074;南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京 211000;国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北武汉 430074

【正文语种】中 文

【中图分类】U469.72;TM910.6

0    引言

2009年以来，中国密集出台了鼓励电动汽车及相关行业发展的措施，并加快试点示范应用[1-5]。据中国电动汽车充电基础设施促进联盟(充电联盟)统计，截至2017年年底，电动汽车累计保有量已达180万辆，而全国充电桩数量仅45万个，车桩比为4∶1，固定充电设施严重不足。移动充电车恰好可以弥补固定充电设施建设存在的许多客观障碍，应用到许多充电桩难以普及的场景，对于提升电动汽车能源补给服务和道路救援能力，解决电动汽车用户的后顾之忧具有重要的现实意义。

现有车载充电系统的研究中，文献[6]对车载充电机的有源功率校正（APFC）电路模型和增量数字PID控制模型进行研究，通过测试表明，所开发的充电机输出电压、电流稳定，纹波系数低，功率因数高。文献[7]对车载充电系统集成设计及模糊控制方法进行研究，提出一种带模糊控制的脉冲充电法，通过最优控制，提升了充电速度和效率。目前，还没有专门针对具备储能系统且可对外部车辆进行充电的不间断移动充电系统的研究，本文对移动充电车车载充电系统的拓扑结构、配置方案进行研究，对关键装备进行设计与研制，提出一种基于直流母线结构的移动充电车充电系统，并通过试验验证充电系统的各项技术指标。

1    系统需求分析

作为移动充电车的核心部分，充电系统的主要任务在于电能存储和应急充电，系统的需求可以归纳为以下几个方面。

（1）市电作为系统的交流输入之一。救援车驶出救援站前通过市电输入对救援车上的储能电池进行充电，采用三相380 V AC的接口方式。

（2）救援站外的储能电池能量补给。由于在救援站外一般不容易获得市电输入，且车载电池容量有限，因此，当车载电池消耗至缺电状态时，充电系统应具备其他交流输入供电方式提供救援充电的电源，也可以给电池充电。

（3）车载电源系统的直流母线电压可调节。车载电源系统需要根据车载储能电池的实际电压将母线调节到合适的电压给电池充电。

（4）被救援车的充电需求。救援车应能兼容各种类型的电动车充电需求，包括充电接口需求和充电电压、电流需求。

（5）系统的控制和保护功能。充电系统应能对车载充电机和储能电池BMS以及被救援电动车储能电池BMS保持通信，对电池充放电过程进行监控和保护。

2    设计方案

直流母线的发供电方案如图1所示，轴取力发电机和市电电源提供的交流电接入直流母线前级电源，直流母线前级电源包括双电源自动转换开关、AC/DC整流电路和DC/DC降压电路3个部分，通过双电源自动转换开关选择取力发电机供电方式或市电电源供电方式，前级电源装置的输出接入系统直流母线，对其供电，DC/DC降压电路的作用是将直流母线调整到合适的电压。

图1   移动充电车电源系统结构Fig. 1    Structure diagram of the power system of mobile charging truck

车载储能电池、交直流一体化车载充电机和其他车载负荷都直接挂在直流母线上，到达救援地点后车载充电机从直流母线获取能量对故障电动汽车进行应急充电，交直流一体化车载充电机提供交流慢充和直流快充2种充电接口，可兼容乘用车、中巴车和大客车等各种车型的充电需求，小型乘用车的充电功率需要一般都在30 kW以下，可以采用储能电池或取力发电机供电方式。中巴车和大客车的充电功率较大，根据实际需求可采用储能电池供电或取力发电机和储能电池共同供电的方式。一体化充电机可从待救援车辆BMS获取充电需求信息，匹配合适的充电电压和充电电流进行充电。

3    子系统原理

3.1    轴取力发电系统

救援车应具备可靠性高、故障率低、续航能力强等特点，故选取了传统燃油汽车作为救援车车型。目前，转播车、通信车等特种车辆的供电设备通常采用油机组，油机组是由1立原动机驱动1台发电机实现自发电，使用的燃料包括汽油、柴油和燃气等，汽油机和燃气机因其燃料具有易燃性，不适用于消防、电磁和静电环境较复杂的场合，而柴油机因其噪音高、重量和体积大，也从根本上了自身的应用区域[8]。

轴取力发电机的原理是利用车辆自身发动机作为驱动源，无高温发热部件，安全性高，且与车辆有机结合，不受车厢空间和承载能力，具有重量轻、体积小、噪音低、振动小等特点，是一种节能环保的车载供电方式。本系统选用35 kW轴取力发电机作为除市电以外的交流电输入方式，既能以消耗救援车燃油的方式通过母线前级电源给车载储能电池补电，也能通过一体化充电机给待救援电动车充电。轴取力发电系统很好地解决了救援站外的交流供电问题。

汽车底盘发动机是车辆行驶时的动力装置，发动机在行车状态下处于变速变负载运行，而取力发电系统的发动机在驻车状态下为定速变负载运行，为实现驻车取力发电，必须配置调速系统。调速系统主要由测速传感器、调速控制器和执行器等组成。本文设计的调速系统原理如图2所示，首先，对取力发电机工作转速进行设定并启动发动机，取力发电机的转速通过测速传感器变换为电信号，发送给调速控制器，调速控制器根据当前转速与转速设定的差值通过PID运算，生成调节量信号，控制执行器通过改变机械扭矩调节取力发电机转速，形成速度控制闭环，实现取力发电机的恒速运转发电。

图2   调速系统原理Fig. 2    The principle block diagram of speed regulation system

3.2    直流母线前级电源

直流母线前级电源的作用是将交流输入转换为直流供电，使系统形成基于直流母线的能量流动形式。电源采用恒流限压的充电方式，包括双电源输入自动切换电路、AC/DC滤波整流电路和DC/DC降压限流电路。输入自动切换电路用于切换市电输入或取力发电系统输入。

3.2.1    AC/DC滤波整流电路

采用高频PWM整流可以有效调节输出电压，使输入电流近似于正弦波。但其成本高，控制复杂，且开关损耗大，效率不高[9]。故开关电源前置输入整流部分基本都采用不控整流电路，直接接入电网后若不采取有效措施，由于不可控整流环节的非线性特性，会使得网侧输入电流严重畸变，谐波含量增多，降低设备的电磁兼容性能，给电网及其他用电设备带来危害[10]，对电网产生严重的谐波污染。随着开关电源设备功率的增大，这种不控整流装置所产生的谐波更加严重，对电网的干扰也随之加大。因此，本电源整流电路采用12 脉波整流方式，使用三相变压器电路使交流线电压实现相移，将2个三相桥式整流电路移相30度相位差并联或者串联起来，达到完全消除输入电流中的5次、7次、17次、19次谐波的目的，使最低次谐波为11次，更容易滤除。AC/DC滤波整流电路原理如图3所示，交流输入经过前级LC滤波电路后接入到12脉波自耦移相变压器，变压器输出接入整流模块，整流模块输出经过直流均流电感，然后经过软启动电路输出到前级电源的直流母线。

图3   AC/DC滤波整流电路Fig. 3    AC/DC filter rectifier circuit

3.2.2    DC/DC降压限流电路

DC/DC电路的输入电压为整流输出母线电压，按输入电压为380±10%Vac，自耦变压器原、副边的匝比为1∶1∶线电压变比为1∶1∶1，整流输出电压为500～600 V。DC/DC电路的输出电压根据储能电池的电压范围设计为400～500 V，输出电流设计为额定100 A。考虑到电路不需要隔离，采用非隔离buck电路，为减小大电流输出纹波，并降低开关损耗，采用两路交错并联的输出方式[11]，交错并联buck电路原理如图4所示。

图4   交错并联buck电路原理Fig. 4    The circuit of the interleaved buck principle

3.3    交直流一体化充电机

充电机为电动汽车运行提供能量补给，是电动汽车的重要基础支撑系统[12]，交直流一体化车载充电机从直流母线取能，实现对电动汽车的应急充电。充电机需要兼容市面上的各种电动汽车车型的充电需求，充电机应尽量采取直流快充充电方式对故障车辆进行应急充电以节省救援时间，但目前还有很多类型的电动汽车没有提供直流快充接口。因此，车载充电机必须配备交流和直流2种充电接口，交流充电机的规格比较单一，最大额定功率7 kW（220 V/32 A）即可满足需求[13-14]。而不同类型的电动汽车由于电池配置不同，其直流充电的电压和电流差异较大，对某电动汽车示范运营公司运营车辆电池参数进行统计，详细数据如表1所示。

表1   某电动汽车运营公司运营车辆电池参数统计Table 1    Battery parameters statistics of electric vehicles in an operation company车辆名称 电池总电压/V电池总容量/A h直流充电电流/A武汉扬子江纯电动公交客车 5 4 7 2 9 2.5 1 0 0扬子江即充式电动公交客车 5 6 3 2 0 4.3 1 0 0南京金龙纯电动城市客车 5 4 6 4 7 6.2 1 0 0山东沂星纯电动公交客车 5 8 2.4 5 1 5 1 0 0比亚迪K 9 5 4 0 6 0 0 1 0 0东风襄旅纯电动城市客车 5 9 5 6 7 2 1 0 0东风日产启辰 3 9 5 6 0 1 2 0东风E 3 0 L 3 0 7 6 0 6 0

可以看出主流电动汽车电池电压为300～600 V，额定充电电流为60～120 A。因此，车载充电机采用交直流快慢充一体化设计，直流快充功率为90 kW，输出电压为50～750 V，输出电流范围为0～120 A，限流10%～110%无级可调，输出宽范围的设计满足多种不同车型的电池规格[15]。

整个充电机主要由2部分组成，一部分是逆变器单元，功率7 kW，用于交流慢充；另一部分是DC/DC单元，功率90 kW，由3个30 kW的DC/DC单元模块化并联而成，如图5所示。

图5   交直流一体化充电机主电路结构Fig. 5    Main circuit structure of the AC and DC integration charger

移相全桥软开关PWM变换电路是目前中大功率直流电源适应场合的首选拓扑[16-18]，为满足车载化应用，单个模块电源设计需要功率密度高、集成化程度高、体积重量小，同时考虑到ZVZCS拓扑的复杂会提高成本，最终确立FBZVS-PWM（全桥零电压开关）变换器作为单个DC/DC模块单元的主电路拓扑，如图6所示。

Q1和Q2组成超前桥臂，Q3和Q4组成滞后桥臂。每个桥臂上2个开关管的导通角呈180度互补（中间留有死区），2个桥臂之间相差1个相位导通角（Q1和Q2分别超前Q3和Q4），即移相角。通过调节移相角的大小可以调节输出电压大小。

DC/DC模块电源基于移相全桥软开关技术，实现了高频化、小型化和轻量化。同时输出采用限流限压控制，可实现多模块并联，便于根据大、中、小型电动汽车的充电需求配置不同的输出容量，保证充电效率。

图6   FB-ZVS-PWM变换器原理Fig. 6    Schematic of FB-ZVS-PWM converter

图7   大容量储能系统Fig. 7    Photo of the large capacity energy storage system

3.4    大容量储能系统

移动式充电车电源系统所配备的大容量储能系统是为待救援的电动汽车提供能量补给的。动力电池种类繁多，磷酸铁锂电池具备循环性能好、能量密度高、绿色环保、充电速度快、安全性好、体积小、重量轻、成本低及无记忆性等优点，用于电动汽车或作为后备电池方面都具有优越性[19]。因此，系统选择磷酸铁锂电池作为储能电池，电池能量为100 kW·h，最大输出功率100 kW，保证对大型电动车的充电需求，电池组设计为11个模块，分为2个箱体，如图7所示。为保证电池组的重量能够均匀分布，将2个箱体分别放置在移动充电车车厢前部的左右两侧。电池组各模块能量为9 kW·h，额定电压为38.4 V，额定电流为235 A，11个模块串联的总额定电压为422.4 V，电池组配置有BMS系统，具备过压保护、过流保护、过温保护、过充保护、过放保护、单体电池短路保护、电池组短路保护等功能。对外采用RS485通信接口和标准Modbus通信协议，可以上传电池组电压、电流、温度等信息。

4    试验与测试

4.1    主要设计参数

移动充电车电源系统设计参数如表2～3所示。充电系统配置轴取力发电机功率为35 kW，车载大容量蓄电池组工作电压为370～485 V。因此，前级电源输出电压设计为0～500 V DC，输出功率设计为50 kW，充电机直流输出电压设计为0～750 V，直流输出电流设计为0～120 A，以适应车载储能电池和各类车型的不同充电要求。稳压、稳流精度和纹波系数设计参数均≤1%。

表2   充电系统前级电源设计参数Table 2    Parameters of the pre-stage power supply for the charging system design?

表3   交直流一体化充电机设计参数Table 3    Parameters of AC and DC integrated charger design项目 数值 项目 数值直流输入电压/V 4 0 0～5 0 0 直流输出功率/k W 9 0直流输出电压/V 0～7 5 0 直流输出电流/A 0～1 2 0交流输出功率/k W 7 交流输出电压/V 2 2 0交流输出电流/A 0～3 2 效率/% ≥9 2稳压精度/% ≤±1 稳流精度/% ≤±1纹波系数/% ≤±1 限流范围/% 1 0～1 1 0

4.2    移动式充电车充电适配试验

试验选取江淮iEV5型纯电动乘用车作为被充车辆，其动力电池标称电压为340 V、容量为23 kW·h。移动式充电车分别设置为储能电池供电与取力发电机和储能电池共同供电模式进行试验，且测试结果为充电正常。

4.3    轴取力发电系统性能测试

表4列出了轴取力发电系统不同转速工况下的输出电压与频率数据。测试结果表明，轴取力发电系统在发动机额定转速区间内输出电压、频率稳定，适合作为车载的自供电交流输入电源。

表4   轴取力发电系统性能测试Table 4    Generator system performance test results发动机转速/(r·m i n-1) 输出电压/V 频率/H z 1 8 0 0 3 6 7 4 6 1 9 0 0 3 7 3 4 6 2 0 0 0 3 8 2 4 8 2 1 0 0 3 8 5 4 8 2 2 0 0 3 9 8 5 0

4.4    直流母线前级电源性能测试

电源连接负载，并设置在稳压状态下运行，输入电压为额定值，设定输出电压整定值，调整负载电流在上、下限范围内，分别测量电源输出电压值，找出上述变化范围内输出电压的极限值。在20%～100%额定输出电压值范围内改变输出电压的整定值，重复上述测量，测试数据如表5所示。然后设置电源在恒流状态下运行，输入电压为额定值，设定输出电流整定值，调整输出电压在上、下限范围内，分别测量电源输出电流值，找出上述变化范围内输出电流的极限值。在20%～100%额定输出电流值范围内改变输出电流的整定值，重复上述测量，测试数据如表6所示。测试结果表明，直流母线前级电源在额定功率工况下工作稳定，输出稳压精度、纹波系数和稳流精度均小于±1%，性能指标满足设计要求。

表5   直流母线前级电源稳压性能测试数据Table 5    Experiment data of the DC bus power supply voltage stabilizing performance test输入电压/V 输出电压/V 负载/% 稳压精度/% 纹波系数/%1 0 0 0.6 8 0.7 8 2 0 0 0.7 6 0.7 9 3 0 0 0.6 2 0.6 8 4 0 0 0.5 7 0.7 0 5 0 0 0.5 3 0.5 0 3 0 4～4 5 6 0～1 0 0

表6   直流母线前级电源稳流性能测试数据Table 6    Experiment data of the DC bus power supply current stabilizing performance test负载/% 输入电压/V 输出电压/V 稳流精度/%2 0 3 0 4～4 5 6 1 0 0～5 0 0 0.8 7 5 0 0.6 3 1 0 0 0.6 0

4.5    交直流一体化充电机性能测试

重复4.4中测试步骤，交直流一体化充电机的稳压精度、纹波系数、稳流精度测试数据如表7～8所示。测试结果表明，交直流一体化充电机直流输出在额定功率工况下工作稳定，直流输出稳压精度、纹波系数、稳流精度均小于1%，性能指标满足设计要求。

表7   直流输出稳压性能测试数据Table 7    Experiment data of the DC output voltage stabilizing performance test输入电压/V 输出电压/V 负载/% 稳压精度/% 纹波系数/%3 5 0 4 0 0～5 0 0 0～1 0 0 0.7 9 0.8 3 4 5 0 0.7 4 0.8 0 5 5 0 0.6 4 0.7 8 6 5 0 0.6 2 0.7 4 7 5 0 0.5 8 0.7 0

表8   直流输出稳流性能测试数据Table 8    Experiment data of the DC output current stabilizing performance test负载/% 输入电压/V 输出电压/V 稳流精度/%2 0 4 0 0～5 0 0 0～7 5 0 0.7 7 5 0 0.6 3 1 0 0 0.5 1

电源连接负载，输入电压为额定值，输出电压为额定值，调整负载电流在上、下限范围内变化，分别测量电源输出电压值，找出上述变化范围内输出电压的极限值，测试数据如表9所示。测试结果表明，交直流一体化充电机交流输出在额定功率工况下工作稳定，交流输出稳压精度小于±1%，性能指标满足设计要求。

表9   交直流一体化充电机交流充电性能测试Table 9    AC charging performance test of AC and DC integration charger输入电压/V 输出电压/V 负载/% 稳压精度/%4 0 0～5 0 0 2 2 0 0～1 0 0 0.7 9 0.7 4 0.6 4 0.6 2 0.5 8

4.6    试验波形

部分直流母线前级电源性能测试波形如图8所示。

图8   直流母线前级电源性能测试部分波形Fig. 8    Waveforms of the DC bus power supply performance test

部分交直流一体化充电机直流充电性能测试波形如图9所示。

图9   交直流一体化充电桩性能测试部分波形Fig. 9    Waveforms of the AC and DC integration charger DC charging performance test

5    结语

本文提出一种基于直流母线拓扑结构的移动式充电车电源系统设计方案，系统可自动选取市电或取力发电机为直流母线前级电源提供不间断交流供电，提高了移动充电车电源系统的灵活性、安全性和环保性。并提出直流输入式的交直流一体化大功率充电机配备合理的大容量储能系统的方案，充分保障了各种类型待救援电动汽车的充电需求。直流母线前级电源采用12脉波整流和交错并联buck电路结合的方案，降低了电源的复杂程度，提高了可靠性，并减小了电源输出纹波，为储能电池补充电能和充电机供电提供了有力保障。基于本设计的移动充电车样车已完成改装和研制，取得良好的运行和使用效果，验证了设计方案的可行性。

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