摘要：針對并網(wǎng)光伏充電站直流模塊可能存在的問題，基于光伏發(fā)電系統(tǒng)和國家電網(wǎng)的直流耦合，優(yōu)化太陽能、儲能設(shè)備、電網(wǎng)之間的電能分配，實現(xiàn)三者的智能聯(lián)合和切換。供電模塊優(yōu)先向充電站監(jiān)控系統(tǒng)和運轉(zhuǎn)設(shè)施供電，再采用先進算法為汽車動力電池提供更為穩(wěn)定的充電。據(jù)此，分析了新光伏充電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點介紹了直流電路耦合模塊的原理和算法，并對光、電和儲能裝置充放電能量流方向進行了探討。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)光伏充電站；直流耦合；能量流；動力電池充電

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-05-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407023

1 前言

隨著電動汽車的大量推廣使用，光伏充電站由于其環(huán)保特點和性價比優(yōu)勢，越來越受到國家和社會的重視。并網(wǎng)光伏充電站可以在電網(wǎng)低谷時段選擇從國家電網(wǎng)購買電量儲存在儲能裝置里，解決光伏發(fā)電量供不應(yīng)求的情況。相反地，當國家電網(wǎng)到高峰時段用電壓力較大時，可以反向供電給國家電網(wǎng)[1]。

儲能裝置、直流充電樁、光伏板和配電設(shè)施的反向供電和正向輸送電路復(fù)雜、能量損耗大，若采取合理能量流算法，簡化太陽能、儲能設(shè)備、電網(wǎng)之間的電能分配，使場站設(shè)施和直流充電樁及時使用太陽能，減少電能的存儲，提高能量利用率。這種優(yōu)化能量流算法的光儲充直流電路即為本文重點研究內(nèi)容。

2 并網(wǎng)光伏充電站直流電路的算法原理

并網(wǎng)光伏充電站是由分布式光伏、用電電荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護裝置組成的小型供電系統(tǒng)。太陽能和配電網(wǎng)通過直流母線實現(xiàn)對充電樁和儲能電池的電能分配。儲能裝置通過直流母線可以儲存多余太陽能和低價電力，并在充電樁功率不足補充電能。監(jiān)控系統(tǒng)和運轉(zhuǎn)設(shè)施同樣需要光伏供電。下面將根據(jù)直流母線的運行原理設(shè)計相應(yīng)算法。

如圖1所示，為提取直流部分設(shè)計的算法，采用單片機控制電路光和電的耦合，在太陽能、儲能設(shè)備、電網(wǎng)一方弱勢時此實現(xiàn)強勢電源對弱勢電源的切換，盡量減少傳輸至儲能裝置的總電量，從而減少電能傳輸?shù)南?，實現(xiàn)儲能裝置的合理容量。太陽能與電網(wǎng)直接向充電站監(jiān)控系統(tǒng)和運行機構(gòu)供電能減少充電站對電網(wǎng)的依賴程度，更加充分利用太陽能。儲能裝置能直接地響應(yīng)電網(wǎng)電價波動，適時存儲電量。采用此能量流算法能使光伏充電站結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟節(jié)能。

3 模擬并網(wǎng)光伏充電站直流電路耦合的方法

對于電動汽車快速充電相當于將直流電加載到巨大電容上，電動汽車的電池相當于數(shù)千個小蓄電池和小電阻的串聯(lián)和并聯(lián)。18650電池的能量約為8 W·h、2 200 mA·h。實際充電過程是分割高壓和大電流（120 kW的充電電源，輸出電壓200～750 V，最大電流200 A），形成數(shù)千個小電流。小電流分別給數(shù)千個電芯充電，每節(jié)電池的截止電壓約為42 V（具體的截止電壓取決于電池的類型）。若動力電池分為20節(jié)18650并聯(lián)，每節(jié)18650電池最大有10 A（200 A/20=10 A）電流，充電倍率約為5 C（假設(shè)18650為2 200 mA·h，10A/2 200 mA=45 C）。

根據(jù)電池串并聯(lián)原理，可以取一塊美國A123汽車動力鋰電池（快速充電倍率5 C，電芯單體2 200 mA·h）為電動汽車充電模擬；用700 mm×670 mm的80 W太陽能板模擬光伏陣列；用家用220 V電源模擬光交流配電網(wǎng)模塊；后續(xù)可結(jié)合實際光伏場站的參數(shù)仿真。用動力鋰電池充電，要求是比較高的，一般先用一定的電流充電，等電池達到一定電壓再轉(zhuǎn)換為恒電流充電。接入42～5 V電壓的太陽能輸入端，添加太陽能充電模塊，并聯(lián)一儲能電容，直接AC/DC轉(zhuǎn)換家用交流電為5 V恒壓電源。恒壓充電法采用恒定不變的電壓值給蓄電池充電，它的缺點如果選擇的充電電壓過高，則會使充電初期的充電電流過大，容易損壞電池；如果選擇的充電電壓過低，則會使蓄電池充電不足[2]。當5 V給37 V電池充電的電壓時應(yīng)增加充電管理電路，以防止過電壓、過放電、短路等[3]，再按照圖1的能量流算法控制直流電轉(zhuǎn)換。隨著電池SOC的提高，電源切換，充電電流發(fā)生變化且小于10 A。充電倍率可達5 C，對單一動力電池供電，直至鋰電池電壓達到42 V。

圖2所示的單片機需要采集充電過程中的電壓電流狀態(tài)，用于分析電池充電特性。本文采用分流器測量充電電流。電池的回路中串聯(lián)一個分流電阻（shunt電阻），實際上就是一個15 mΩ的電阻，當電流流過分流器的時候，可以通過測量兩端的小壓降計算出電流的大小，以擴大測量范圍[4]。根據(jù)上文，充電電流范圍在10 A內(nèi)，最大工作電流時在分流器上產(chǎn)生最大值為150 mV的壓降。相關(guān)公式如下：

R（分流器的阻抗）=Vmv（表頭標志滿度電壓）/ImA（表頭滿度電流）

IA（充電電流）=Vmv（電壓表數(shù)值）/R（分流器的阻抗）

4 實際電路和光伏場站設(shè)計

a.LCD1602液晶顯示模塊電路設(shè)計。液晶顯示模塊接收分流器電壓信號，輸入分流器阻值，根據(jù)分流器公式計算充電電流；同時接收電壓表信號，輸出動態(tài)充電電壓。將充電電壓電流信號輸入STC89C52單片機控制模塊，成為能量流控制參數(shù)。

b.5 V繼電器控制電路設(shè)計。繼電器控制充電電流不超過10 A，當電流過大時熱量高，溫度保護降低電流。充電電壓不超過5 V，汽車動力鋰電池最大電壓不超過42 V。相應(yīng)的電路原理如圖3所示。

c.單片機代碼設(shè)計。按照圖1能量流算法控制單片機三個端子，輸入太陽能充電特性和動力電池額定電壓，按照圖2設(shè)計出光伏智能充電器模塊。算法中并未涉及依據(jù)電網(wǎng)經(jīng)濟性進行的充放電控制。單片機代碼如圖4所示。

5 模擬場站經(jīng)濟效益大概測算

智能光伏充電場站的特點大概三種：

a.可以確定各時刻目標并網(wǎng)負荷功率，從而提高電力銷售的效率。

b.并網(wǎng)光伏充電站相對于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電可以減少大量的CO2排放。

c.降低運營成本并提高經(jīng)濟效益。

以江蘇省某單位進行市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測，已知光伏板在江蘇省一年中平均每天所受光照7 h，省內(nèi)某一單位建設(shè)了一個60 kW·h的光伏車棚，采用一體化整體設(shè)計。光伏車棚部分為365 kW，國家電網(wǎng)部分為235 kW，另配置了60 kW·h的儲能電池。此車棚包含16個車位，其中10個交流慢充車位，6個直流快充車位[5]。其中慢充車位平均功率為3 kW且需平均充電7 h，快充車位平均功率為10 kW，且平均充電2 h。通過數(shù)據(jù)可知，江蘇省國家電網(wǎng)一度kW·h電費為055元，且光伏充電裝置1 kW·h向外出售04元，則通過最大經(jīng)濟效益可以計算出在16個車位同時充電時，10個慢充車位與3個快充車位同時充電，其功率剛好為60 kW，其余3個快充車位用儲能電池充電。如此下來，每天可賺取110元。一個2×8×30光伏板成本80元，480塊的成本38 400元，且光伏板平均生命周期為25年，按照此效益，一年產(chǎn)生效益40 000元。若不算用地成本等，在一切正常情況下可持續(xù)24年盈利。

6 結(jié)語

隨著電動汽車市場的擴大，未來光伏充電站的前景廣闊，而光伏充電站的并網(wǎng)供電型式可能成為主流。本文依托大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，通過一個能量流算法，實現(xiàn)了用一塊太陽能板和家庭交流電借助儲能電容對一塊動力電池的充電，提出優(yōu)化光儲充直流電路的構(gòu)想，以提高能量利用率。

參考文獻：

[1]朱宇琦，馬健光儲式電動汽車充電站直流微網(wǎng)運行控制策略研究[J]渤海大學學報（自然科學版），2021，42（2）：187-192

[2]李琳電動汽車動力電池的充電方法的研究[D]保定：華北電力大學，2013

[3]龐靜，盧世剛，劉莎鋰離子電池過充特性的研究[J]電化學，2005（4）：398-401

[4]孫景榮焊接名詞術(shù)語釋義大全[M]北京：化學工業(yè)出版社，2015.

[5]固威德如何建設(shè)一個光儲充電站-光伏系統(tǒng)解決方案[EB/OL]（2023-05-19）[2024-2-10]https：//cngoodwecom/photovoltaic-system-solutions/4536html

作者簡介：

焦淑豪，男，2003年生，本科在讀，研究方向為車輛工程。

馬振江（通訊作者），男，1980年生，講師，研究方向為載運工具運用工程。

基金項目：東北林業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目“基于光伏充電的汽車充電站儲能裝置”（S202310225186）