【文章內(nèi)容簡介】 油的依賴，向可代替性能源的利用又邁進(jìn)新的一步。 ” 英國建高速公路太陽能充電站 世界上第一個全國性高速公路電動汽車充電站網(wǎng)絡(luò)在英國投入使用。（圖 ）這種免費使用的太陽能充電站已經(jīng)現(xiàn)身 12 個高速路服務(wù)區(qū) ，日后還將有 18 個服務(wù)區(qū)的免費充電站投入使用。這一舉措意味著電動汽車將第一次能夠行駛到英國的任何地方。在此之前，電動汽車的潛在購買者面臨的主要問題就是行駛范圍有限，只能在自己所在城市駕駛電動汽車。充圖 插入式太陽能充電站 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 電站網(wǎng)絡(luò)由 Ecotricity公司負(fù)責(zé)建設(shè)，公司創(chuàng)始人戴爾 文斯表示： “ 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示電動車在城鎮(zhèn)行駛時并不需要中途充電，真正需要充電的是城市間的高速公路。 ” 每一個充電站都將提供 100%的 “ 綠電 ” ，電力由 Ecotricity遍布英國的風(fēng)力和太陽能發(fā)電場提供。如果使用 32A 快速充電站，電動汽車在短 短 20分鐘內(nèi)便可完成充電，完全充滿需要兩個小時。較慢的 13A 充電站則為在服務(wù)區(qū)酒店過夜的駕駛者使用。 我國太陽能充電站的建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀 襄樊具有新能源汽車城之美譽(yù)，為了能給電動汽車更綠色、更清潔的能源，襄樊市建成我國首座太陽能光伏智能充電站（圖 ）。太陽能光伏充電是指利用光伏逆變技術(shù)，把太陽電池板所產(chǎn)生的低壓直流電轉(zhuǎn)變成 220 伏的交流電，之后就可直接用其給電動汽車充電。該項技術(shù)提高了充電效率、且具有安全可靠及零污染等特點。這座太陽能光伏充電站是由湖北追日電氣設(shè)備公司建造，該公司已表明，光 伏逆變器與智能充電機(jī)都研制成功并小批量開始生產(chǎn)。該充電站總占地面積約 2700 平方米，如果只依靠太陽能來發(fā)電，每日可產(chǎn)出 100 余度電，足夠 1 至 2 臺大型公交電動汽車的用電。這座充電站與電網(wǎng)連接并網(wǎng)工作，太陽能電網(wǎng)產(chǎn)生的剩余電量圖 英國高速公路太陽能充電站 電動汽車光伏充電樁的研究與設(shè)計 14 可輸送到電網(wǎng)使用，而在光照不充足的情況下可以使用電網(wǎng)來補(bǔ)充電量。 在 20xx 年 2 月，上海通用汽車園區(qū)建成國內(nèi)第一個 Sunlogics Green Zone太陽能充電站（圖 ），而這座太陽能充電站的研發(fā)者是 Sunlogics 公司 ——通用汽車風(fēng)險投資公司的股權(quán)合 作伙伴。 Sunlogics Green Zone 太陽能充電站是通過從太陽中獲取輻射能量，并將能量轉(zhuǎn)化為綠色可再生能源。 Sunlogics Green Zone 太陽能充電站落戶在通用汽車的中國園區(qū)這個事實就能充分表明，通用汽車正致力于電動汽車的配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，目的是為了更深入的打開中國電動車市場的大門。通用汽車將繼續(xù)致力于與相應(yīng)配套設(shè)施的各個供應(yīng)商和各種電力集團(tuán)加強(qiáng)合作關(guān)系，力爭能為電動汽車用戶提供更便捷且可靠的理想的充電模式。通用汽車為了加快增程型電動車 ——雪佛蘭 Volt 沃藍(lán)達(dá)汽車的市場推廣，通 用汽車將會把Sunlogics Green Zone 太陽能充電站在逐步建設(shè)在世界多個地區(qū)，這一舉措不僅是解決增程型電動車的充電問題同時也利于以后通用汽車的其它類型的電動汽車能較快的進(jìn)駐全球國際市場。 圖 襄樊電動汽車太陽能充電站 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 上海 Green Zone 充電站 電動汽車光伏充電樁的研究與設(shè)計 16 光伏發(fā)電是根據(jù) 光生伏特效應(yīng) 原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨立使用還是并網(wǎng)發(fā)電， 光伏發(fā)電系統(tǒng) 主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。理論上講， 光伏發(fā)電技術(shù) 可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)相連可 以分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種。 如圖 所示，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池、 DC/DC變換器、逆變器組成。太陽能電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換為直流形式的電能，一般只在白天有光照的情況下輸出能量。根據(jù)負(fù)載的需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時，太陽能電池通過充電控制器對蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時對負(fù)載供電?？刂破饕话阌沙潆婋娐贰⒎烹婋娐泛妥畲蠊β庶c跟蹤控制部分組成。如果獨立系統(tǒng)要供電給交流 負(fù)載使用，就需要逆變器，其主要作用是將直流電轉(zhuǎn)換為可供交流負(fù)載使用的交流電。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 并網(wǎng) 太陽能光伏發(fā)電 系統(tǒng)是由光伏電池方陣 并網(wǎng)逆變器 組成，不經(jīng)過蓄電池 儲能，通過并網(wǎng) 逆變器直接將電能輸入公共電網(wǎng)。并網(wǎng) 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 相比離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，減少了其中的能量消耗，節(jié)約了占地空間，還降低了配置成本。值得申明的是，并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)很大一部分用于政府電網(wǎng)和發(fā)達(dá)國家節(jié)能的案件中。并網(wǎng) 太陽能發(fā)電 是太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展方向，是 21世紀(jì) 極具潛力的能源利用技術(shù)。 并網(wǎng) 光伏發(fā)電 系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng) 光伏電站 一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，因而沒有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是 光伏建筑一體化 發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。 DC/DC 變換器 由于光伏電池的輸出電壓與逆變器和蓄電池的輸入電壓不吻合，所以需要 DC/DC 變換器的轉(zhuǎn)化。 圖 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 DC/DC 蓄電池 逆變器 充電樁 太陽能 電池板 DC/DC 電動汽車光伏充電樁的研究與設(shè)計 18 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)常用 DC/DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 到目前為止，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的 DC/DC 變換電路主要有BUCK 電路， BOOST電路， BUCKKBOOSTT電路以及 CUK 電路。它們的電路拓?fù)浞謩e如下圖 (a)(d)所示。 Buck 變換電路的工作原理 在獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只有在白天太陽能電池才能有電量輸出，因此系統(tǒng)一般會選用鉛酸蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時，太陽能電池通過充電控制器對蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時對負(fù)載供電。但由于太陽能輸出的電壓一般比蓄電池充電所需要的電壓高，因此當(dāng)太陽能電池對鉛蓄電池充電式多采用降壓式變換器（ Buck）進(jìn)行降壓， Buck 變換電路在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中起到穩(wěn)壓降壓的作用，因為太 陽能光伏發(fā)電輸出的電壓要大于蓄電池所需要電壓，且不穩(wěn)定，所以使用 Buck 變換電路很好的解決了這一問題。 a. BUCK 電路拓?fù)鋱D b. BOOST 電路拓?fù)鋱D c. BUCKBOOST 電路拓?fù)鋱D 電路拓?fù)鋱D 圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的 DC/DC 變換電路拓?fù)鋱D 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 Buck 電路圖如圖 所示，該電路由二極管 D、電感 L、開關(guān) Q 以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較簡單。 Buck 電路是通過開關(guān)管 Q 不斷導(dǎo)通和關(guān)斷交替變換，實現(xiàn)降壓和穩(wěn)壓的。當(dāng)開關(guān)管 Q 導(dǎo)通時，如圖 所示，此時二極管處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，電感 L 未飽和之前不斷儲存能量，輸出極性為上正下負(fù)的電壓 U0 ，同時I1I2， 電容 C2 處于充電狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管截止時，如圖 所示，此時二極管導(dǎo)通處于續(xù)流 狀態(tài)，為了保持電流 I1 不變，電感 L兩端電壓極性不變，輸出電壓極性也不變即上正下負(fù)，同時 I1I2，電容開始放電。假設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通時間為 t0 ，一個周期為 T ，則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為ii UUTtU ??? 00，其中 α為導(dǎo)通占空比，可知輸出電壓 U0 始終小于輸入電壓 Ui ，所以該電路為降壓變換器。 圖 開關(guān)導(dǎo)通時 Buck 等效電路圖 電動汽車光伏充電樁的研究與設(shè)計 20 首先我們給開關(guān) Q 施加一個占空比可調(diào)的驅(qū)動信號即 PWM 信號，使開關(guān) Q 不斷導(dǎo)通和關(guān)斷之間交替變化，實現(xiàn)對蓄電池充電。當(dāng)開關(guān)管 Q 導(dǎo)通時，二極管 D 反向截止。太陽能發(fā)出的電能向負(fù)載供電，同時電感 L上開始儲能，能量增加。當(dāng)開關(guān)管 Q 關(guān)斷時，二極管 D 導(dǎo)通，此時電感 L所儲存的能量供給負(fù)載，濾波電容 C2 使輸出的電壓的紋波進(jìn)一步減小。 Boost 變換器的工作原理 升壓式 DCDC 變換器是輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，它由功率開關(guān)管 S、儲能電感 L、二極管及濾波電容 C 組成。 為分析穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導(dǎo)公式的過程，特作如下幾點假定： (1)開關(guān)開關(guān)管、二極管均是理想元件。也就是可以瞬間的 “ 導(dǎo)通 ” 和“ 截止 ” ，而且 “ 導(dǎo)通 ” 時壓降 為零， “ 截止 ” 時漏電流為零； (2)電感、電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零，穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期中電感電流始終大于零，即變換器工作于 CCM 模式； (3)輸出電壓中的紋波電壓與輸出電壓的比值小到允許忽略。 Boost 電路有兩種工作方式：電感電流連續(xù)模式（ CCM）和電感電流斷續(xù)模式（ DCM）工作方式。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感 L的電流總 圖 開關(guān)關(guān)閉時 Buck 等效電路圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 是大于 0，電感電流斷續(xù)指開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時間電感 L的電流為 0。 Boost 升壓電路在電感電流連續(xù)模式下的工作原理如圖 所示 ，轉(zhuǎn)換電路中的電感在輸入側(cè)，一般稱之為升壓電感。開關(guān)管 S 仍為 PWM 控制方式，但它的最大占空比 D 必須限制，不允許在 D=1 情況下工作。圖 3圖 為開關(guān)管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時的等效原理圖。 圖 升壓式 DCDC 變換器電路的原理 圖 圖 開關(guān)管導(dǎo)通時的等效原理圖 圖 開關(guān)管關(guān)斷時的等效原理圖 電動汽車光伏充電樁的研究與設(shè)計 22 從圖 可以看出，在開關(guān)管導(dǎo)通時，電源給儲能元件電感 L充電， L上的電流逐漸增大，而從圖 可看出當(dāng)開關(guān)管截止時電感 L 放電， L 上的電流逐漸減小。電容起到濾波的作用，使負(fù)載上的電壓的波紋減小。圖 顯示了電感 L上電流的變換波形和電壓波形。在 t=0 時，開關(guān) 管 S 導(dǎo)通，電源電壓 Ui全部加到升壓電感 L上，電感電流 iL 線性增長，這時二極管 D截止，負(fù)載由濾波電容 C 供電。 iL UdtdiL ? (31) 當(dāng)onTt?時， Li 達(dá)到最大值 maxLI ， Li 通過二極管 D 導(dǎo)通期間， Li 的增長量 )(?Li 為 sioniL DTLUTLUi ??? ? )( (32) 圖 升壓式 DCDC 變換電路的輸出波形 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 在 onTt? 時刻，開關(guān)管 S 關(guān)斷， Li 通過二極管 D 向輸出端流動，電源功率和電感 L 的儲能向負(fù)載和電容 C 轉(zhuǎn)移，給 C 充電，此時加在 L 上的電壓為 oi UU? ，因為 oi UU? ，故 Li 線性減小。 oiL UUdtdiL ?? (33) 當(dāng) sTt? 時， Li 達(dá)到最小值 maxLI ，在開關(guān)管 S截止期間， Li 的增長量 )(??Li為 sioonsioL TDL UUTTL UUt )1()()( ??????? ? (34) 在 sTt? 時，開關(guān)管 S 又導(dǎo)通，開始另一個開關(guān)周期。 由此可見， Boost 變換器的工作為兩個階段。在開關(guān)管 S 導(dǎo)通時為電感 L的儲能階段，此時電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠存儲在電容 C 的能量維持工作。在開關(guān)管 S 關(guān)斷時，電源和電感共同向負(fù)載供電，此時還給電容 C 充電，因此 Boost 變換器的輸入電流就是升壓電感 L電流的平均值。 )(21m i nm a x LLL III ?? (35) 開關(guān)管 S 和二極管 D 輪流工作， S 導(dǎo)通時，流過它的電流就是 Li ， S截止時，流過 D 的電流也是 Li ，通過它們的電流 Si 和 Di 相加就是升壓電感的電流 Li ，穩(wěn)態(tài)工作時電容 C 充電量等于放電量，通過電容 C 的平均電流為 0，故通過二極管 D