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从印度的交通电动化趋势,浅谈太阳能与电动汽车充电系统的应用与布局

2020-02-27 10:33
意法半导体
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从印度的交通电动化趋势,浅谈太阳能与电动汽车充电系统的应用与布局

RANAJAY MALLIK

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众所周知,印度政府在全国推行交通工具电动化,积极推广电动汽车,电子产业看好本土电动汽车的研制活动。大型OEM厂商正在研发电动汽车,同时电动汽车生态系统也在平稳的建设中,老牌企业以及各种初创公司在电动汽车充电器、充电站以及软件和云计算服务开发方面开始发力,且初见成效。但是,电子系统还有很多改进机会。本文将以印度的交通电动化趋势为例, 探讨太阳能与电动汽车充电系统的应用与布局。

在BIS、ARAI、EESL等机构组织帮助下,印度政府已经发布了充电站技术规范;部分原有规范如AC-001和DC-001的充电器已经开发出来,并部署在了选定位置的充电站。最新指引要求充电站必须配备多种标准充电器,即CCS AC 2型和CHADEMO连接器,以及较低功率的AC和DC-001充电器。但是,这些系统的电源完全依赖于电网,在大城市和半城镇化地区,充电站场地选址是一个难题,电网是否为电动汽车预留了负载的问题依然存在。

这些问题可以通过太阳能发电来解决。太阳能发储电不仅可以补充电网供电能力,还可以在全国各地安装,即使不连接电网也可以给电动汽车充电。幸运的是,印度的太阳能推广很成功,地理位置让印度拥有丰富的太阳能。考虑其至少20-25年的使用寿命,太阳能充电站一次性安装费和资金投入比较合理,性价比高,在几年内就能获得投资回报。在投入使用后,电站的电源几乎是免费供给。下面介绍一个利用太阳能发储电给电动汽车充电的可行方案,将会涉及太阳能发储电方法、分布式电池管理、功率转换、通信连接,以及开发一个可扩展的模块化太阳能电动汽车充电站所需的基本模块。

下图是一个典型的电动汽车太阳能充电站功能示意图。

从印度的交通电动化趋势,浅谈太阳能与电动汽车充电系统的应用与布局

图1:电动汽车太阳能充电站功能框图

用户终端主要显示终端用户所能看到的功能,负责信息交换和人机交互,组件通常包括TFT触屏和用于身份验证或付款的NFC读卡设备,为实现更高级的功能,或许还有蓝牙接口。充电连接器支持不同的充电标准:小型电车和电动三轮车用AC慢充、电动汽车AC和DC快充。在开始充电前,用户必须验证身份,设置充电偏好。较复杂的功能是在后台进行的,中央控制器和其它模块负责监控后台运行。

电流和电源管理:充电系统有3个电源。首先是太阳能光伏板。本文不讨论太阳能板面积测算,通常情况下,充电站功率至少要几千瓦。在额定光照度条件下,太阳能板正常发电量约150W /平方米。太阳能板将电能送入MPPT模块,这是一个能效极高的DC-DC转换器,内部运行最大功率点跟踪算法,转换效率超过98%。这些转换器通常是多相交错的降压或降压-升压转换器,输入端和输出端的工作电压都在几百伏。电气隔离可能不是强制要求,但出于法规和安全考虑,大多数转换器都是电气隔离的。输出端连接公共直流母线,为下游负载供电。控制可以采用模拟、纯数字或模数混合方法。

第二个电源是电网。因为本充电站是设计目的是最大程度地利用太阳能,所以电网充电是备选电源。不过,有些地区电网是间歇性供电,还有些地区因为光照不足,太阳能板无法全年发电,电网必须在某些季节补充太阳能发电。本充电系统本质上是一个太阳能储电设备,在用电高峰时段可以通过双向并网逆变器补充电网供电能力,起到发电厂的作用。有了合理的净电量结算政策,太阳能发电厂或自备电厂就可以合法地向电网回送电力,因此,这是一个“一站两用”的解决方案。

第三个电源是储电站。当下的趋势是使用锂电池建站,因为锂电池使用寿命长,非常适合快充,放电深度和能量密度极高。为节省占地成本,电池可以安装在地下。这些锂电池组通过混联和串联的方式连接在一起,最后连到一个兼具监控功能的接线盒端接单元。每个电池都有一个数据端口,通常是CAN或RS485,通过菊花链方法将这些电池连在一起,最后连到接线盒,以便端接单元显示每个电池、电池串或整个电池库的运行状况。本质上,这是一个数据集中器和一个开关单元,控制电池组电路的输入输出状态。另外,接线盒与中央控制器通信,以决定电池的充放电操作。

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