电动乘用车应急电源应用研究Word文件下载.docx

1、目前，城市供电系统的安全对策一般是采用并网供电，为城市电力提供可靠的电源保护。但从企业及工业、民用建筑使用情况来看，仅仅靠公用电网还远远不够，必须具备应急供电系统，其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力，以有效降低因为断电而造成的损失，消除在紧急情况和用电高峰时发生停电等带来的不安，为人们生产和生活安全提供保障，因此电动乘用车可作为应急电源进行应用备受关注。从电动乘用车与城市之间的关系来看，保证大型建筑物周围拥有立体停车库，立体停车库内拥有若干辆电动乘用车。以立体停车库为单位，使之与大厦电力系统连接，如果建立起这样的机制，便可使电动乘用车作为每个区域的应急电源发挥作用。即使在平时，

2、也可在盛夏等电力需求高峰时期用做大厦的备用电源，以此来削减峰值电力。 1.1国外研究水平综述近年来随着世界各地的电动汽车试点项目的涌现，关于电动汽车充电以及其接入电网后对电网产生的影响方面的研究，以及如何减少或者消除这些不利影响的研究也逐渐增多。包括美国特立华大学在内的一些国外研究机构在电动汽车与电网互动、有序充电控制以及电动汽车作为应急电源（Emergency Power Supply）等方面进行了一些研究，其中研究内容包括了从网耗和电压偏移两个方面研究这些额外的电气负荷的接入对配电网的影响，从而提出了一个用于降低网损和提高主网负载率的有序充电模型；通过最小化网损，计算得到插入式混合动力电动

3、汽车的最优充电策略，并对两个主要的策略即二次和动态规划进行了分析；在假设电动汽车分布条件下研究其对电网的影响，对不加约束的随机充电和经电价引导后的充电等两种充电模式，以及电动汽车充电负荷对原始电网的叠加效果进行了分析比较。总体而言，目前国外对电动汽车交流充电技术的研究重点在于交流充电设备的关键技术研究和设备研制、小规模试运行等方面，但在交流充电桩建设模式、有序充电控制策略以及电动汽车作为应急电源方面尚未开展深入研究。 1.2国内研究水平综述 应急电源是在不间断电源的基础上发展而来。国内的应急电源系统主要由专用的储能蓄电池作为电源，向用户的重要负载进行短时供电。应急电源的能量来源方面目前主要来自

4、于市电系统向储能蓄电池进行充电，对电动乘用车作为应急电源的研究还处于起步阶段。清华大学提出了使用电动汽车充电站电池作为通信基站应急电源的初步设想。 国内针对停车库的智能化研究及开发已有实用的案例。其采用智能IC卡识别和高速的视频图像存储比较相结合的方式，对车辆进出停车场的收费、保安、车位引导等进行全方位管理。针对电动乘用车停车充电的智能充电库还没有成熟案例可循，对停车库与充电设施的相互结合有关的结构设计、电气回路的布置、管理系统的整合都还没有深入。 目前，国内对交流充电桩建设运行关键技术研究与工程示范的研究基本集中在交流充电桩关键技术研究、关键设备研制、分散充电桩的集中控制技术以及交流充电桩的

5、规划布局等方面，但在多场景下的电动乘用车交流充电桩的建设模式、电动乘用车有序智能充电控制策略、电动乘用车作为应急电源的研究还处于起步阶段。2.应急电源的应用需求分析应急电源，指正常供电电源中断时，可以向用户的重要负载进行短时供电的独立应急电源装置。随着静止逆变电源在建筑消防中应作为急电源的逐步应用，目前国内电源和消防行业中被简称为应急电源的主要是专指采用电力电子技术静止型逆变应急电源系统。常用的应急电源系统主要由整流充电器、逆变器、蓄电池组、隔离变压器，切换开关、监控器和显示、保护等装置及机箱组成，具有一定的先进性和实用性，可以实现微机监控和处理，应急电源的系统结构如图2-1所示 图2-1 应

6、急电源的系统结构1.充电器是把电网的交流电能转换成直流电能给蓄电池充电的装置； 2.逆变器是一种把直流电能转换为交流电能的动力变换装置，也是EPS应急电源的核心部件，目前，正弦波脉宽调制逆变器应用得最为广泛，它能把幅度一定的高频三角波与可调幅度的50Hz正弦波调制合成新的脉冲波，用以控制功率开关的导通时间，以改变输出电压的幅值，从而得到电压稳定、频率稳定的正弦波交流电源； 3.蓄电池是储存电能的装置。当外电源供电时，整流器输出直流电对蓄电池充电；当外电源中断时，蓄电池向逆变器供电，维持EPS继续工作。蓄电池的容量决定了EPS电源在外电源中断时的供电时间。因此，蓄电池的容量应根据实际工程要求来确

7、定； 4.隔离变压器是把逆变器输出的交流电能经隔离转换的变压装置； 5.切换开关是把电网的交流电能与逆变器送来的交流电能相互切换的装置。当电网断电后，切换开关就投向逆变器的一端，让逆变器向负荷供电； 6.监控器是检测和监控逆变器、充电器、切换开关工作的EPU装置。监控器包括网络硬件、软件和通信线路，可向BAS上位机管理系统提供通信协议、检测内容、数据格式等资料。一台计算机可以监控远端的一台或多台EPS，并且能够对EPS定时关机、自我检测、系统配置等管理，还可以在监控网上对EPS的输入/输出电压、电源负载率、频率、充电、电池、温度等状态进行实时监控，也可查阅网络中的EPS的有关资料。如EPS的名

8、称、位置、类型和历史事件记录等； 7.显示和保护装置是对逆变器进行过载、短路保护及对EPS工作状态进行显示的装置； 8.机箱是用来组装、固定各部件的金属框架。根据EPS的规格和容量的不同，机箱可分为嵌墙、壁挂式和落地安装三种。 2.1应急电源的分类 常用应急电源按照种类不同可以划分为： （1）EPS应急电源：由充电器、逆变器、蓄电池、隔离变压器、切换开关等装置组成的一种把直流电能逆变成交流电能的应急电源。适用于允许中断供电时间为0.25s以上的负荷。其中按照输出方式划分可分为：直流输出型、交直流混合输出型和交流输出型；按照运行方式划分可分为：冷后备式、热后备式和在线式。（2）UPS不间断电源：

9、它主要以电力变流器储能装置（蓄电池）和开关（电子和机械式）构成的保证供电连续性的静止型交流不间断电源装置。适用于允许中断供电时间为毫秒级的负荷。（3）自备应急柴油发电机组：它是以柴油机为动力，拖动工频交流同步发电机组成的发电设备。快速自启动的发电机组，适用于允许中断供电时间为15s以上的建筑。应急电源的工作时间应按生产技术上允许的停电时间考虑，当与自动启动的发电机组配合使用时，不宜少于10min。（4）有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路。适用于自投装置的动作时间能满足允许中断供电时间1.5s或0.6s以上的应急电源。凡允许停电时间为毫秒级，且容量不大的特别重要负荷，若有可能采用直流电

10、源者，应采用蓄电池组作为应急电源。（5）自备应急燃气轮发电机组：它是以燃气轮机为动力，拖动工频交流同步发电机组成的发电设备。 其中，EPS的起步较发电机和UPS要晚，人们对其认识的程度还不够，所以在众多的应急供电场合，还是以发电机和UPS为主要应急供电方式来实现EPS的功能。就提供应急供电能力而言，这两种方式已经暴露出许多不足之处。柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最常见的应急备用电源，由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时间长，所以已经有较长的应用历史。然而，无论发电机的起动速度有多快，从停电后使发电机接到起动信号开始，至发电机电压、频率等达到稳定可以供电为止，

11、至少需要数10s至数min。这段时间，所有用电设备均停止工作，就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。而EPS的起动一般不会超过0.5s，所以不会影响设备的正常工作。另一方面，柴油发电机应用在应急供电场合，有诸多不利之处，主要有：（1）在高层建筑中，柴油发电机一般放在地下室，设计难度大，造价高，配备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑；（2）存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”，万一失火，后果不堪设想；（3）日常维护比较频繁。工作量大；（4）柴油发电机噪声大，产生公害；（5）排烟中有大量的二氧化硫，污染严重，影响环保。而UPS作为应急电源，从原理结构上和UPS大同

12、小异。在线式UPS无论市电是否正常，它都一直由逆变器供电，即按照“市电输入整流逆变输出”的顺序进行，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出。而EPS当市电正常时，市电通过开关输出给负载，同时充电器对电池充电。当控制系统检测到市电停电时，逆变器工作，使开关切换至逆变输出状态，向负载提供电能。从以上原理可以看出，UPS是一种双变换结构的不间断电源，主要为负载提供稳定的高质量电能，不受市电电网的影响，而且其转换时间一般在10ms以内，所以，UPS被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所。但正因为UPS不仅担负着应急供电外，还担负着改善电力品质的任务，所以其逆变器要连

13、续不断地工作，使用寿命相对较短，一般为58年，尤其是电池的更换较为频繁。另一方面，UPS的逆变器长期处于工作中，自身的损耗较大，而且对使用环境要求很高，只能放在计算机房或空调房间里。UPS专为IT行业的计算机类和通讯类负载而设计，其负载适应能力不及EPS，举例说明，如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载，那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起动电流通常是其额定电流的57倍，而UPS的过载能力标准规定：过载125%时，A类为10min，B类为1min，C类为30s；过载150%时10s。如果想要UPS能承受电动机起动电流的冲击能力，势必要增大UPS的额定容

14、量，这无疑将加大投资，还未必能彻底解决问题。因此，选用UPS作为应急电源，工作既不可靠，还得花费大量资金。目前EPS应急电源具有一定的先进性和实用性，具有很大的可应用性，所以本文中主要讨论的是EPS应急电源。 2.2应急电源的基本工作原理 EPS应急电源采用单体逆变技术，集充电器、蓄电池、逆变器及控制器于一体，系统内部设计了电池检测、分路检测回路等结构。其中逆变器是核心，通常采用DSP或单片CPU对逆变部分进行SPWM调制控制，使之获得良好的交流波形输出；整流充电器的作用则是在市电非正常时，将蓄电池存储的直流电能变换成交流电输出，供给负载设备稳定持续的电力；互投装置保证负载在市电及逆变器输出间

15、的顺利切换；系统控制器对整个系统进行实时控制，并可以发出故障告警信号和接受远程联动控制信号，并可通过标准通讯借口由上位机实现EPS系统的远程监控。 在市电输入正常时，输入市电通过互投装置给重要负载供电，同时系统控制器自动进行市电检测及通过充电机对蓄电池组充电管理。通常应急电源充电器的容量仅相当于10%蓄电池组容量（Ah），仅需提供蓄电池组浮充或补充电功能，并不需要具备直接向逆变器提供直流电源的能力。此时，市电经由应急电源内的互投装置向用户的应急负载供电。与此同时，在应急电源的系统控制器的调控下，逆变器停止工作处于自动关机状态。用户负载在此时实际使用是电网电源，此时通常称应急电源处在睡眠状态，可

16、以有效达到节能的效果。 当输入市电供电中断或市电电压超限（15%或20%额定输入电压）时，系统控制器指令互投装置将在（0.14）s短时间内投切至逆变器供电，应急电源系统在蓄电池组所提供的直流能源的支持下，向用户负载供电；当输入市电电压恢复正常工作时，应急电源的系统控制器发出指令对逆变器执行关机操作，同时还通过互投开关执行从逆变器供电向交流旁路供电的切换操作。此后应急电源在经交流旁路供电通路向负载提供市电，同时继续通过整流充电器向其蓄电池组充电。 除用于应急照明系统外，其中CYS/B系列三相智能化变频应急电源主要是为一级负荷中的电动机提供一种可变频的应急电源系统，该产品方便解决了电动机的应急供电

17、及其启动过程中对供电设备的冲击影响。CY、CYS、CYS/B系列智能化应急电源可接受消防联动信号、建筑智能总线信号控制，并可设定优先级，防止越级控制。 2.3应急电源的供电场合应急电源多为高层建筑、机场、电信网络机房、消防、医疗等重要场合下采用。根据用户在国民经济中不同应用领域进行分类：（1）工业用电 其特点是用电量大，用电比较稳定，一般冶炼工业的用电量大，而且负荷稳定，负荷率高，一般在0.95以上；而机械制造行业和食品加工业的用电量就小些，且负荷率也较低，一般在0.70以下。但是，无论是重工业还是轻工业，或者是冶炼业、加工业，电力负荷在月内、季度内和年度内的变化是不大的，是比较均衡的。 （2

18、）农业用电农业用电在全部电力消耗中的比重较小，即使像我国这样的农业大国，其农业用电量在全国电力消耗中的比重仍然很低。农业用电的一个突出的特点，就是季节性很强，从负荷特性上看农业用电在日内的变化相对较小，但在月内，特别季度内和年度内，负荷变化很大，呈现出不均衡的特点。 （3）交通运输用电目前我国的交通运输用电比重较小，而且除电气化铁路的负荷比较稳定，今后随着电气化铁路运输及其它运输事业的发展，交通运输用电量也会有较大的增长，但交通运输用电比重不会有多大变化。 （4）市政生活用电 目前我国的市政生活用电还不太高，远小于工业化国家，但今后随着事业的日益发展，生活设施的日益现代化及居民生活水平的提高，

19、市政生活用电的比重会有所上升。根据国际上不同用电行业的通用分类原则进行分类：（1）农、林、牧、渔、水利业。包括农村排灌、农副业、农业、林业、畜牧、渔业、水利业等各种用电，约占总用电负荷的7%。（2）工业。包括各种采矿业和制造业用电，约占总用电负荷的80%。（3）地质普查和勘探业。约占总用电负荷的0.1%。（4）建筑业。约占总用电负荷的1%。（5）交通运输、邮电通信业。包括公路、铁路车站用电，码头、机场用电，管道运输、电气化铁路用电及邮电通信用电，约占总用电负荷的2%。（6）商业、公共饮食业、物资供销和仓储业。（7）其他事业单位。包括：房地产管理、公用事业、居民服务和咨询服务业；卫生、体育和社会

20、福利事业；教育、文化艺术和广播电视业；科学研究和综合技术服务事业；国家、党政机关和社会团体；其他行业（金融业、保险业和其他行业）。约占总用电负荷的3%。（8）城乡居民生活用电。包括城市和乡村居民生活用电，约占总用电负荷的6。针对用电行业的供电用途不同，应急电源的具体供电场合一般为：（1）高层建筑的电梯、中央空调、消防水泵及风机等应急供电和照明。对于突发意外断电的情况，这些场合应该及时提供应急照明，用以保证人们的人身安全。比如防止电梯因断电出现下坠的情况等。（2）金融证券监控、金融设施、数据及印券验析，金库保护等特殊用电。这些场所突然出现断电等情况，会影响金融市场的正常运营，会对金融财政造成较大

21、的影响，也会造成数据的无故丢失以及会有无法分子企图破坏金库的安全等，故应该及时启用应急电源避免不必要的损失。（3）军用雷达、移动电站、人防、消防、安防及通讯、广播的连续供电。这些场合突然出现断电等情况，会影响正常的军事监控、民事通讯以及各种防护工作的正常进行。会影响正常的数据传送。故应该及时对此进行应急供电。（4）医院、手术、科研、实验、超市、商场人员集中地的供电。这些场合突然出现断电等情况，会影响正常有序的工作模式。医院急诊室、手术室的紧急工作会被迫停止，对急需救治的人身安全造成很大的隐患；科研场所会被迫停止科研项目，可能造成科研数据的丢失。超市商场等人口集中地会因断电造成人们恐慌的情绪，可

22、能会出现踩踏事件等悲剧的发生，因此及时应急供电显得尤为重要。（5）工厂、企业的中央控制室，关键运转设备的供电。这些场合突然出现断电等情况不仅会造成大型设备的失控，而且会造成控制系统暂停运行，会对工厂、企业造成很大的经济影响，故需要及时提供应急电源争取损失最小化。 针对以上不同的供电场合，我们需要具体分析一下不同场合下具体的需要供电的负载类型以及需要供电的紧急程度。2.4供电场合的用电负载分类应急电源主要供给事故停电后允许瞬间停电，并希望迅速恢复延长一段供电时间的用电负载。一般工业企业及民用建筑工程的紧急用电负载大致有以下几种类型：（1）为了发挥应急电源的作用，平时有的工厂利用应急电源供尖峰负荷

23、用电，以削平日负荷曲线，节约基本电费。市电停电时，有的民用建筑工程利用应急电源供给经济效益高的餐厅、商场、多功能厅、会议厅等的照明及空调用电，以提高应急电源的经济效益。（2）安全停机设备。属于这一类型的装置有专供处理事故的交流电动阀门，包括关闭有毒或有放射性污染危害的液体、气体的电动阀门或开启将易燃、易爆气体放空的电动阀门等。（3）医疗应用场所，比如需要紧急救护的医院急诊室、手术台的用电设备等。（4）当工程有大型透平时，它们的润华油泵、密封油泵、电动盘车等交流辅助设备。（5）消防设备，例如消火栓泵，喷洒泵，排烟机，加压风机，防、排烟电动阀门，卷帘门，消防电梯，消防报警装置等。（6）安全保卫及管

24、理系统、通信系统的用电设备。（7）交通事故照明、疏散标志照明、航空障碍灯。（8）生活必须保证的用电负载，例如电梯、楼梯灯、饮用水泵、生活给、排水泵等。针对以上不同用电负载，依据建筑物在政治、经济上的重要性或用电设备的可靠性的要求以及中断供电在对人身安全所造成的影响程度分为三级。即一级负荷，二级负荷，三级负荷。下面分别对这几级负荷进行介绍：1.一级负荷（1）中断供电将造成人身伤亡，重大政治影响，重大经济损失，公共场所严重混乱等情况之一的用户或设备，为一级负荷。（2）中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。例如：重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的

25、大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。（3）中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。在一级负荷中，当中断供电将造成人员伤亡或重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为一级负荷中特别重要的负荷。 2.二级负荷 它在国民经济中的地位相比之下，不如一类用户重要，计划停电或事故停电虽然会造成较大的损失，但是这种损失是可以挽回的，一般情况下，电力系统至少要对这类用户提供中等程度的供电可靠性。 （1）中断供电将在政治、经济上造

26、成较大损失时。主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等 （2）中断供电将影响重要用电单位的正常工作。交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。 3.三级负荷 这类负荷在国民经济中地位很低，与人民的生命财产安全并无关系，中断这类负荷的供电，带来的损失最小，因此，这类用户的供电可靠性是最低的。 针对不同级别的负荷，我们应该采取相应的措施 （1）优先保证供电的重点负荷（如农业排灌、医疗救护、粮食加工、交通运输等）。 （2）一般性供电的非重点负荷（如一般机械工业等）。 （3）可

27、以暂时限制或停止供电的负荷（如能耗大、效益低、质量差的工厂等）。2.5应急电源的参数要求应急电源用于意外断电后的电能补充，具有快速响应、供电可靠、能够自动切换、带载能力强、适应性强和应急时间长的特点。对于意外断电等情况，可以起到很好的控制作用。相比于发展成熟的UPS而言，EPS是近几年才迅猛发展起来的一个新兴产业，它们的共同点在于都具备市电故障情况下继续向负载提供交流电源的功能，均采用了IGBT逆变技术和脉宽调制技术。不同之处在于UPS除了提供不间断供电外，还兼备改善市电品质的功能，而EPS则主要解决市电故障时的应急供电问题；UPS主要是为IT行业设备提供用电保障，EPS则适用于各种行业；UP

28、S供电模式要求切换时间很短（010ms），EPS则相对较宽（0.24s）；UPS主要带计算机类负载，而EPS主要用于应急供电，要求与消防联动；UPS以维护信息传输畅通为主要目的，EPS以防范重大灾难事故为主要目的。可以形象地比喻，UPS以“救数据”为主，而EPS以“救人”为主。鉴于EPS的主要设计思想是在市电突然中断提供安全可靠的应急电力供应，有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则。因此在设计应急电源时应着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合理性。应用于以上各场所负载的应急电源需要满足以下参数特点： （1）快速响应：适用于允许中断供电时间为0.25s 以上的负荷，以保证供电的及时性； （2

29、）供电可靠：确保事故和火灾情况下供电可靠，有电池快速充电能力和管理能力。主机寿命可达20a以上，电池寿命可达5a10a以上； （3）自动切换：可实现无人值守，电网与应急电源自动切换，相互切换时间为0.1s0.25s； （4）带载能力强：应急电源适用于电感性、电容性及综合性负载的设备，如消防电梯、水泵、风机、应急照明等，而且过载能力和抗冲击能力强； （5）环境适应能力强：可放置于地下室或配电室，适用于各种恶劣环境，有防止高低温、湿热、盐雾、灰尘、震动及鼠咬等措施。可以紧靠应急负载使用场所就地设置，减少供电线路，简化系统结构； （6）应急有效时长：标准型为可持续提供电能60min以上。 其中建议：

30、用于消防泵的EPS电池备用时间90min 用于喷淋泵的EPS电池备用时间60min 用于排烟风机的EPS电池备用时间30min 用于火灾疏散标志的EPS电池备用时间20min 用于火灾备用照明电池备用时间60min；（7）多路输出：防止输出单一形成的故障；（8）报警功能齐全：能及时提供各种异常状况的报警；（9）节能：运行效率高，运行成本低，维护费用低；（10）有强启动功能：避免电池环节保护后无法启动；（11）无烟雾、无噪音、无公害等；（12）应遵循的相关国家标准 GB17945-2000 消防应急灯具 GB16806-2000 消防设备应急电源 GB7251.1-2005 低压成套开关设备和控制设备 GB/T 14048.1-2000 低压开关设备和控制设备总则 GB50016-2006 建设设计防火规范 Q/320222 JAPT-1998 直流电源成套装置企业标准 DK/459-92 充电、浮充电装置技术标准 GB/T4942.4-93 低