1、非车载充电机直流电源模块调度管理策略与应用 符晓明 江苏省计量科学研究院 一、前言电动汽车作为我国战略性新兴产业, 近年来发展快速。非车载充电机是一种利用现代功率电子变换和控制结算, 将电网交流电能转换为直流电能的功率变换器。其由多个充电模块并联组成, 目前常用的充电模块为直流电源模块, 功率一般在 (7.530) k W, 采用 LLC 串联谐振来控制直流电源模块的实际输出。二、直流电源模块的现状目前国内直流电源模块生产厂家比较多, 产品质量良莠不齐, 体现在以下几个方面:1.转换效率高低不一;2.各类保护告警功不全;3.通信接口没有完全统一;4.排风系统;5.可靠性差。三、直流电源模块的优
2、化方向1. 从降低能耗角度进行优化尽量让充电桩在空闲状态下保持休眠状态, 以减少电能损耗。在充电桩各主要部件中, 能耗较大 (发热) 的部件是直流电源模块, 其他部件的电能损耗几乎可以不计。因此, 只需要在系统空闲一段时间后, 直接将直流电源模块关机即可。直流电源模块关机后, 充电桩系统内的主要发热源就消除了, 因此设备外壳上的排风系统也可以关闭, 大大降低噪音, 同时显示屏的背光灯也可以关闭。当有用户需要充电时, 首先触发触摸屏, 点亮背光灯, 随即将直流电源模块、排风系统等恢复正常状态, 用户几乎不需要额外的等待时间来正常充电。除传统的触摸屏唤醒方式外, 还可用红外感应技术、车联网移动定位
3、技术等来进行唤醒。当充电桩进入休眠状态时, 利用红外探头检测到车辆靠近或者利用车联网移动定位技术检测到预约车辆进入一定区域时, 充电桩自动唤醒进入正常工作状态, 等待用户来充电。减少直流电源模块空闲运转时间, 可直接降低系统能耗, 提高直流电源模块的可靠性。2. 合理调度直流电源模块, 延长直流电源模块使用寿命现场安装的直流充电桩往往都是按最高容量来配置的, 例如大多数电动车 60k W 的充电桩就够用, 但电动公交车可能需要 120k W 的充电桩才能实现快充, 因此现场就按 120k W 的功率要求来安装。以每个直流电源模块 15k W 为例, 理论上最少需要配置 8 个直流电源模块, 实
4、际上考虑到电能转换效率及冗余, 建议至少要配置 10 个直流电源模块, 将它们依次编号为 1 到 10。面对不同充电 (功率) 需求的客户, 如何调度这 10 个直流电源模块进行协同工作是有一定策略的, 通常有以下 3 种方案可供选择:(1) 负载均衡即每次充电时, 所有可用的直流电源模块同时工作, 每个直流电源模块输出的功率相同。面对大功率充电需求时, 每个直流电源模块输出的实际功率就大;相反, 面对小功率充电需求时, 每个直流电源模块输出的功率就小。这也是国网充电桩目前所推荐的一种策略, 最大的好处就是直流电源模块调度简单, 面对大功率充电需求时效率也比较高, 但在面对小功率充电需求时,
5、效率就会明显下降。试想一台最大充电功率为 60k W 的电动汽车用额定功率为 120k W 的充电桩来充电, 配置的 10 个直流电源模块可以说 5 个以上都是多余的, 是可以休眠的。从总体上来说, 参与充电的直流电源模块数量越多, 单个直流电源模块出力越小, 整体充电效率就越低, 况且无论充电需求大小如何, 每个直流电源模块都要跟着一起运行, 容易缩短直流电源模块的使用寿命。因此这种方案适合真正大功率满负荷充电需求的专用场合, 如电动公交车专用充电站。(2) 按次轮休每次充电时, 在保证投入充电的每个直流电源模块在额定功率范围内的前提下, 尽可能投入最少的直流电源模块数量, 让更多的空闲直流
6、电源模块休眠, 并且每次优先安排上次投入运行的直流电源模块休眠, 真正做到每个直流电源模块的工作时间和休息时间均匀交替, 轮流执行。这种方案的最大优点是按需安排部分直流电源模块进行工作, 关闭不必要的工作模块, 既保证了充电需求, 又降低了能耗, 延长直流电源模块使用寿命。因此, 非常适合面对社会各种充电功率需求的公共充电站。(3) 分时轮休直流充电桩也就是我们通常说的快充, 相对于交流充电桩 (慢充) , 其最大的特点就是采用高电压大电流的直流模式充电, 相对慢充来说大大缩短充电时间, 非常适合公共场合安装使用。但大电流模式充电在过程中也容易出现其他问题, 如充电过程中的发热问题、大电流对电
7、池的损伤问题及直流充电桩如何利用电网低谷时段充电以节省充电成本问题。如果能延长充电时间, 减少充电时的电压电流, 那所有这些问题都可解决。因为毕竟公共场合安装的交流充电桩数量非常有限, 对那些住在老旧小区、甚至没有固定停车位无法安装交流充电桩的电动汽车用户来说, 如果能利用附近直流充电桩在夜深空闲时段, 对自己的电动汽车进行慢充那将是最好的选择。其实直流充电桩除了默认的自动充电模式以外, 还可以根据用户需求设定充电参数进行手动模式充电, 如果将充电参数中的电压电流都调到很低, 即可将快速充电桩当成慢速充电桩使用, 实现交流充电桩的功能。很显然, 在这种小功率长时充电模式下, 直流电源模块的调度
8、策略需要调整, 负载均衡和按次轮休都不是最佳的选择。如果在整个长时间充电过程中以一定时长为切换周期, 让每个直流电源模块轮流参与充电过程, 就能将直流电源模块调度配置达到最优化。如实际充电最多 3 个直流电源模块工作就可以满足充电要求, 总共有 10 个直流电源模块, 那么可以先开 1、2、3 号模块 (其他关闭) , 半小时后再开4、5、6 号模块 (其他关闭) 依次类推, 轮流执行, 让直流电源模块调度实现分时轮休。四、结束语在实际产品开发过程中, 上述的几种直流电源模块管理策略可以灵活应用, 甚至是多种策略组合, 在不同的应用场景下分别应用。如在专用电动公交车应用场合采用均衡负载模式, 社会车辆在自动充电模式下优先采用按次轮休模式, 在手动充电模式下采用分时轮休模式。
