电动汽车报告.docx
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电动汽车报告
辽宁工程技术大学
智能用电报告二
设计题目太阳能电动汽车
指导教师刘健辰
院（系、部）电气与控制工程学院
专业班级智能电网信息工程
学号1305080116
姓名苏小平
日期2016/10/24
太阳能电动汽车
摘要：
随着社会不断进步，汽车总数不断攀升，因此，所造成的环境污染也日益严重。
传统的火力发电已经不能满足人类生活水准的需要了，为解决这一难题，必须充分利用新能源来服务于人类社会。
本文提出了清洁无污染的太阳能电动汽车这一设计概念，即利用太阳能电池板发电作为汽车的动力源。
未来新能源发电将成为发电行业的主流大军，本文讲述了太阳能电动汽车的提出背景，并通过数学建模的方法研究了光伏发电的电路模型，叙述了电动汽车充、放电原理和太阳能电池板最大功率追踪装置（MPPT）最后，阐述了太阳能电动汽车充、放电即太阳能电动汽车并网对电网造成的影响。
这一设计的目标即为充分发挥电动汽车的优势，提高电网运行的稳定性，解决环境污染和资源短缺问题。
关键词：
电动汽车；太阳能供电；最大功率追踪装置；电动汽车并网
0引言
随着中国汽车工业的飞速发展，人们对汽车的需求量日益壮大，截至2013年末，我国汽车保有量超1.37亿辆，但目前中国的石油资源自给率不到一半，每年进口几千万吨石油，经济的不断发展，中国汽车持有量还将持续增加，石油进口就成为大问题．而近些年来我国大部分地方受雾霾影响，空气的污染已不能忽视，燃油汽车排放是主要污染源之一，我国已有16个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中．发展汽车工业与环境污染的矛盾日趋明显，采用新能源技术可减少汽车排放污染，改善空气质量，保护生态环境，因此电动汽车发展已应运而生，电动汽车以电能做驱动能源，运行中不产生像汽车尾气这样的污染。
从2008年北京奥运会到2010年上海世博会，都可看见电动汽车作为新能源汽车代替燃油汽车的身影。
目前的美国特斯拉电动汽车更是拥有引领全世界新能源汽车产业的技术和理念[1]。
电动汽车的发展在现阶段，大部分是油电混合动力汽车，无论是混合动力还是纯电动车都是需要电力能源来驱动。
太阳能充电站的建设也是没太多约束，只要有充足的光源，比如把太阳能硅晶板安装在停车场的顶棚上，或是装在宽广的马路边，太阳能电池板就能持续地吸收太阳的辐射能量，之后光转为电力通过电线传输并被储存在埋在地下的高功率电容中，最后通过电容给充电桩提供电力。
所以当电容中有蓄电，也可以满足夜晚来为电动车充电的使用者，因此太阳能电动汽车充电站并不会局限在白天使用[2]。
如若有连续阴雨天出现，太阳能电池板供电不足，此时可以连接电网，由公共电网提供低谷电为其充电，减少常规电能的输出，可长期连续使用，绿色环保，安全可靠，为国家节约大量的电力、燃油资源．可方便地应用各个电动汽车充电站，具有广阔的市场应用前景。
1充、放电结构和工作原理
太阳能电动汽车的主体构造是由太阳能电池板、储能装置和电机系统三大结构组成。
其太阳能电动汽车充、放电结构原理如图1所示。
图1太阳能电动汽车充、放电结构
太阳能电动汽车的工作原理如下：
光照射在电池板上产生电流，通过峰值功率跟踪仪以及蓄电池的充电控制器输送至蓄电池存储或直接送给电动机工作。
为了有效地利用太阳能，常常需要有太阳能最大功率跟踪装置（MPPT即太阳能电池板的输出V/A特性为非线性，需要实时调整光伏发电的端电压值使之始终工作在最大功率点附近）。
同时，也能对储能系统进行控制，限制其充电电流和电压。
而且在车辆工作中需要控制装置进行合理的能量分配。
结构图中电能与电网的交互链接，体现了电动汽车并网这一特点，表现在两个方面：
一是当电网中出现用电高峰情况，可以将电动汽车中所储存的部分电能直接并网，提供电网所缺少的电量。
而是，当太阳能电池板不能自主完成电动汽车充电要求的情况下，可以调用电网中的电量供其充电。
通过二者双向连接，实现互利互助的能量交换。
太阳能电池板发电后，其中的电能流向如图2所示。
图2能量流向
太阳能电池板利用光能将其转化为电能，在这一过程中受到最大功率追踪装置的控制，下一步，通过控制系统分配电能，电能流向方向分别为电网、储能装置和电动机。
最终控制电机旋转。
2太阳能发电数学建模
单体太阳能电池是光电转换的最小单元,一般不能单独作为工程电源使用。
将单体太阳能电池进行串并联并封装后就成为太阳能电池组件。
太阳能电池组件的I-V特性强烈地随日射强度S和较强烈地随电池温度T而变化,即I=f（V,S,T）。
太阳能电池组件生产厂家通常仅为用户提供产品在标准测试条件（STC）下测出的短路电流Isc、开路电压Voc、峰值电流Im、峰值电压Vm、标称功率Pm值,如何根据这些仅有的工厂测试数据在工程精度下复现组件及由相应组件构成之阵列在不同日射、不同温度下的I-V特性,对光伏系统技术人员来说显得特别需要,它是众多光伏系统研究及工程设计人员共同关心的课题。
2.1光伏发电等效电路
太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理，直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。
典型太阳电池是一个p-n结半导体二极管。
详见图3。
图3光伏发电等效电路
太阳能电池光照后产生一定的光电流，在等效电路图中用恒流源
来表示,其中一部分暗电流，在等效电路图中用并联二极管表示该部分电流
。
恒流源
：
在恒定光照下，一个处于工作状态下的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路仲可以把他看作恒流源。
暗电流
：
光电流一部分流经负载，在负载两端建立端电压U，反过来，他又正向偏置与PN结，引起一股与光电流方向相反的暗电流。
串联电阻
：
实际的太阳能电池，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。
流经负载的电流，经过他们时，必然引起损耗，在等效电路中，可将他们的效果用一个串联电阻来表示。
并联电阻
：
由于电池边沿的漏电和制作金属电极时在划痕等处形成的金属桥漏电等。
使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用可以用一个并联电阻等效。
2.2光伏发电输出
方程
单体太阳能电池是光电转换的最小单元,一般不能单独作为工程电源使用。
将单体太阳能电池进行串并联并封装后就成为太阳能电池组件。
太阳能电池组件的
特性强烈地随日射强度S和较强烈地随电池温度T而变化,即
。
（1）
q为电子电
；K为玻耳兹曼常数
;T为绝对温度;A为二极管因子;
为反向饱和电流。
3太阳能电动汽车并网
3.1电动汽车并网容量计算
根据《节能与新能源汽车发展规划（2011年至2020年）》，2015年电动汽车将达到50万辆，而到2020年达到500万辆。
2015年上海市电动汽车保有量预测有1万辆。
充电桩的额定电压为交流220V，32A。
准确计算某一个区域的接入电网的电动汽车数量的计算公式如下[3]：
（2）
某时刻连接在电网的电动汽车总数量；
参与双向能量流动的电动汽车占所有电动汽车的百分比；
平均每户所拥有的电动汽车的数量；
该区域电力用户的的数量。
3.2电动汽车并网对电网的影响
（1）电压波动包括两方面，一是横向电压变化，二是纵向电压变化。
（3）
式中：
R、X分别线路的电阻、电抗。
由于输电线路的电阻值很小，线路阻抗主要表现形式为感性，同时并网容量中的无功分量忽略不计，因此，电动汽车并网所产生的电网电压波动较小。
（2）电压偏差的定义为：
（4）
电动汽车并网应满足以下条件：
20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%，220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%。
从变压的馈电线路出口向树状网络上的多个负荷节点供电，配电网络辐射运行，充电桩为末端节点。
电动汽车向电网回馈电能时可等效成一个发电系统向母线提供电能。
（3）谐波含量[3]
直流电源并网需要用到逆变模块，目前通常采用功率变换和滤波模块级联三相全桥可控逆变模块。
逆变器脉波数为6，主要谐波次数为m=6k±1，其中k=1，2，3…，所以反馈到交流电网的高次谐波主要由5次、7次、11次、13次谐波组成，实际测单台充电桩向电动汽车充电时的谐波电流含有率和幅值如表1所示。
表1
谐波次数
谐波电流含有率/%
谐波电流幅值/A
2
0.79
0.08
3
22.37
2.14
5
63.96
6.11
7
48.25
4.61
11
11.51
1.1
13
12.14
1.16
根据国标对注入公共连接点的谐波电流允许值的规定，以5次谐波为例，标准线电压为380V，允许5次谐波注入值为62A（基准短路容量为10MVA）。
所以当有大量电动汽车并网发电时，如果不采取措施谐波含量将会超出国标的允许值。
3.3电动汽车并网系统（V2G）结构
电动汽车与智能电网的互动可以通过能源的双向或单向流动实现。
电能在电动汽车和电网间的双向流动意味着需要更多的安全保护和系统成本。
而电能的单向流动，则意味着电能只能从电网流向电动汽车。
电动汽车在参与到能源市场的同时，也可以为电网提供其他功能，例如频率和电压调节服务。
只能进行单向充电的电池必须使其电池容量翻倍，才能达到双向充电电池对电网的支撑能力。
确切地说，使用双向充电的20kwh电池所储存的电量可以支持6.6kw容量的调节，同样20kWh使用单向充电的电池则只能满足调节3kW容量的需要。
而且，双向充电器产生的年收入比单向充电器多12.3%，但是这不足以抵消系统保护及计量电表升级所需产生的费用。
因此，双向充电所带来的优势需要以牺牲一定的经济性为代价，而单向充电在具备双向充电的附加功能的同时，更加经济友好[4]。
在有V2G功能的电动汽车充电站，电网侧的变压器采用电压型PWM调制波整流，主要用于实现电网侧单位功率因数和直流侧电压稳定。
三相电源通过三相电压型PWM整流器、滤波电路和双向DC/DC变换连接到电动汽车蓄电池组上，以实现电网和电动汽车的连接，充放电机结构见图4。
图4充放电机结构
该控制系统具有功率因数高，工作频率高，体积小和谐波含量小的特点，其放电能量可以全部回馈电网，提高了能量的利用率[5]。
4结论
太阳能电动汽车与电网的双向流动可以为电网提供诸如电压/频率调节、削峰填谷以及无功补偿等附加功能，增强电网运行安全，降低运行成本。
在此基础上，能够解决传统发电方式带来的环境污染，资源短缺问题。
因此，本文提出的建设电动汽车与电网的V2G结构，实现二者的友好互连，最大程度的节约资源。
参考文献
[1]朱正菲，喻俊.电动汽车太阳能与交流电网的协同充电设计[J].浙江省能源
与核技术研究院，浙江浙电电网工程技术公司.
[2]江璐.太阳能电动汽车充电站设计研究[J].湖北工业大学硕士研究生论文,
2012.
[3]单佳樑.电动汽车并网发电对电网的影响分析[J].上海机动车检测中心，上
海市,2014.
[4]王天幸.电动汽车与智能电网并网的探索[J].国网冀北电力有限公司经济
技术研究院，北京，2015.
[5]曹琦琦.V2G建模及接入系统分析研究.北京交通大学硕士学位论文，2011.
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