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1、本科毕业论文（设计）论文题目：某小区新能源汽车充电桩的设计随着经济的快速发展，汽车已成为人们出行的主要交通工具，使得人们的生活质量进一步提高，但环境污染却日益加重，这不仅与我国大力提倡的绿色出行概念大相径庭，而且也是阻碍社会发展的重要因素，因此推动绿色能源的发展在解决能源转型问题中就显得尤为重要。本课题将设计一种新能源汽车光伏充电系统，将采用光伏微电网与国家电网结合供电的方式，有效降低对小区电网的冲击。根据城市小区新能源汽车的使用情况，本课题首先设计了楼顶光伏微电网系统，然后通过仿真与分析说明光伏电站能够有效遏制大功率电器对电网电压的冲击，最后围绕新能源汽车充电管理设计种基于光伏电网调峰的充电
2、系统。在充电装置方面，设计-种DC-DC变换器，使用开关电感控制技术，提高了电路的升压能力和工作效率，实现了新能源汽车充电装置的优化。系统主要包括充电过程的实时数据监测与传输，设计相应的工作电路，传输充电数据与用户指令，实现对整个充电过程的管理。关键词：充电桩；微电网系统；充电系统；管理系统；DC-DC变换器AbstractWiththerapiddevelopmentoftheeconomy,carshavebecomethemainmeansoftransportationforpeopletotravel,furtherimprovingtheirqualityoflife.Howeve
3、r,environmentalpollutionisbecomingincreasinglysevere,whichisnotonlyinconsistentwiththeconceptofgreentravelstronglyadvocatedinChina,butalsoanimportantfactorhinderingsocialdevelopment.Therefore,promotingthedevelopmentofgreenenergyisparticularlyimportantinsolvingtheproblemofenergytransformation.Thispro
4、jectwilldesignaphotovoltaicchargingsystemfornewenergyvehicles,whichwilluseacombinationofphotovoltaicmicrogridsandthenationalpowergridtoeffectivelyreducetheimpactonthecommunitypowergrid.Basedontheusageofnewenergyvehiclesinurbanresidentialareas,thisprojectfirstdesignedarooftopphotovoltaicmicrogridsyst
5、em.Then,throughsimulationandanalysis,itwasdemonstratedthatphotovoltaicpowerplantscaneffectivelycurbtheimpactofhigh-powerelectricalappliancesongridvoltage.Finally,achargingsystembasedonphotovoltaicgridpeakshavingwasdesignedaroundthechargingmanagementofnewenergyvehicles.Intermsofchargingdevice,aDC-DCc
6、onverterisdesigned,switchinductancecontroltechnology,toimprovetheboostcapacityandworkefficiencyofthecircuitandachieveoptimizationofthechargingdevicefornewenergyvehicles.Thesystemmainlyincludesreal-timedatamonitoringandtransmissionduringthechargingprocess,designingcorrespondingworkingcircuits,transmi
7、ttingchargingdataanduserinstructions,andachievingmanagementoftheentirechargingprocess.Keywords:chargingstation;Microgridsystem;Chargingsystem;Managementsystem;DC-DCconverter摘要AbstractIII目录IV第一章绪论11.1 研窕背景11.2 国内外新能源汽车充电桩发展状况11.3 面临的问题及解决措施21.3.1 小区大功率充电过程对电网的影响及解决措施21.3.2 不同充电方式问题的解决措施31.4 课题分析与设计思路
8、3第二章充电装置电能分配优化设计42.1 楼顶光伏电池板的安装设计与计算42.2 光伏建筑一体化的设计5第三章新能源汽车充电桩电路设计与分析73.1 充电桩工作电路原理分析73.1.1 直流工作原理分析73.1.2 交流工作原理分析83.2 控制电路设计与分析93.2.1 电压采样电路93.2.2 开关管驱动电路10323继电器驱动电路103.3 单片机控制电路的设计113.3.1 通讯系统的设计113.3.2 充电输出端电压、电流检测系统123.3.3 小区大功率充电桩使用对居民用电产生电压跌落的分析12第四章充电桩操作系统设计134.1 功能需求分析13参考文献15致谢16第一章绪论1.1
9、 研究背景目前来说，随着新能源汽车走入市场，获得越来越多的关注与支持，现阶段新能源汽车充电桩主要是依托国家电网供电，电网的电能主要是由火电厂提供，这就在源头上存在污染等问题，并且充电桩的大量使用会对电网的稳定运行产生一定的影响，而且充电装置的方便性也限制了新能源汽车的发展。许多城市的充电桩安装过于集中，且安装数目有限，因此很多的新能源汽车用户选择家庭版充电装置在小区内充电，但随着接入小区电网的充电设备数目增加，使得在充电过程对小区电网产生较大冲击，而且长时间的大功率负荷，会造成电网崩塌，电路老化，容易引发火灾，严重还会造成车辆自燃、居民触电等意外事故。面对以上问题，本课题依据当地环境因素，将设
10、计一种新能源汽车充电装置系统。1.2 国内外新能源汽车充电桩发展状况近些年来随着电动汽车行业的快速发展，国家也出台了相关政策扶持，经济上也大力支持。在国际范围来看，截止2017年底，全球电动汽车保有量已超400万辆,到2019年年底，全球新能源电动汽车充电桩数量已超过500万。如图1.1所示，2015-2020年全球新能源电动汽车充电装置数量统计图。在世界各地随处可见各种电动汽车的身影,当然配套的充电设备也将迅速的发展。目前，中国和美国新能源电动汽车充电装置的市场份额最大，我国占据46%,美国占20%,国家面对这种发展势头，出台一系列相关补助政策，市场也出现了充电桩使用紧张的问题，面对这些问题
11、，国家电网电动汽车公司成立新型基础设施建设工作小组，制定工作方案，全面加快电动汽车充电桩的建设，重点放在新能源汽车充电基础设施的建设，充分保障新能源汽车的发展。总而言之，新能源汽车光伏充电系统应用前景发展广阔，在政府的大力支持下，相信我国会成为这个领域的领导者。图1.12015-2020年全球新能源电动汽车充电装置数量统计图1.3 面临的问题及解决措施1.3. 1小区大功率充电过程对电网的影响及解决措施近几年来，新能源电动汽车相关充电技术、经济考量和行业标准等各方面都取得了一定进展，但是，又有新的问题出现，新能源汽车的大量投入使用，集中式充电站早已满足不了人们的需求，其中一个原因是充电桩数目有
12、限，建造更多集中式充电站成本过高；用户充电费用也越来越高。另外一个原因是越来越多的用户选择家用型充电装置在家充电，大量家用充电系统的接入，一定会对小区电网造成冲击，电网瞬时性跌落对居民用电会造成很大影响的如果增大小区电网系统容量，一般成本很高，小区一般居住人口较多大容量输电比较危险，辐射也很严重。面对这种问题，本课题将因地适宜,根据小区新能源汽车使用状况以及地理信息设计符合当地的光伏建筑一体化光伏电站,该光伏电站并网发电，能有效缓解电网电压跌落等波动，而且多余电能平价上网，抵销新能源汽车充电费用，从而降低充电费用，光伏微电网一般建设周期短，维护简单，安全性能高，因此光伏电站互补方式是一种很理想
13、的解决方案。1.3.2不同充电方式问题的解决措施小区新能源汽车充电方式各异，直流用户和交流用户有不同的需求，本课题将设计一种一桩双枪的充电桩，一个充电枪提供直流充电功能，另外一个充电枪提供交流充电,用户在充电过程可以根据自己需求选择。直流充电桩近几年发展迅速，大功率快充也越来越多，从安全角度考虑，直流充电装一律按2020年3月20日国家电网电动汽车公司成立新型基础设施建设标准进行设计所，具体设计内容会在后面章节详细介绍。1.4 课题分析与设计思路新能源电动汽车的发展急需解决便捷、安全、绿色、高效的能源供应等问题。根据对周边小区的各种充电装置的了解，发现提高产品质量才能彻底地解决新能源汽车充电过
14、程存在的问题，所以要从用户角度出发，系统地研究产品设计。因此，本课题致力于设计一款更优越、便捷、安全、智能的新能源电动汽车充电系统，主要从能源配置方式、电力输送方式、建立灵活便捷的智能客户端出发，带给用户一种更加优越的体验感。根据目前市场出现的主要问题分析，结合科学的方法巧妙设计，解决城市小区电力网络平稳运行的问题，结合光伏建筑化一体化微电网设计思路，降低城市小区居民充电的费用，智能化管理系统，居民使用更加便利。第二章充电装置电能分配优化设计1.1 楼顶光伏电池板的安装设计与计算本课题以兰州安宁某小区为例，进行基础设计，屋顶光伏电站项目安装在小区住宅楼顶上，本小区有30栋楼，每栋楼顶面积在50
15、0平方米（楼长：25m楼宽：20m）,楼顶女儿墙高为0.5米，女儿墙厚度为30厘米，楼高约为50米，楼房呈阶梯式建造，小区坐北朝南，采光性好，周围无较高的楼层遮挡物，楼顶能够铺设多块光伏组件。大概有居民100O户，打算建立60个新能源汽车充电桩，兰州相关地理及气候条件如表2.1所示。表2.1兰州相关地理及气候信息兰州北纬36连续阴雨天数11天最佳倾角29无霜期180天年平均日照实数2500h年平均气温14%全年平均太阳日辐4.077KW.hm2.d照量目前单晶硅电池的转换效率最高，光电转换效率为20%23%,但是造价昂贵，光电转换效率衰减也快，在弱光环境下转换效率没有多晶硅效率高，多晶电池光电
16、转换效率约为15%20%。材料制造简单，节约电耗，总生产成本低。兰州光照充足，综合各条件以及成本考虑，本课题设计选用多晶硅太阳能电池，性价更高。对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，辐射量计算公式（2.1）所示。式中：乃一倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量;S一水平面上太阳直接辐射量；D一散射辐射量；A中午时分的太阳高度角；B一光伏阵列倾角（组件的安装角度）；d一女儿墙的阴影长度；H一女儿墙高度；1.一组件之间最小距离；中一当地纬度；光伏板的最佳安装倾角受到多种因素的影响兰州地区，由于夏季高温多雨，冬季干燥少雨，,如地理位置、季节、日照时间等。在最适合的安装倾角为25度左
17、右。这个角度可以最大程度地利用太阳能，并且可以保证在四季中发电效率的稳定性。然而，在实际情况中，由于建筑物高度、周围环境等因素的限制，最佳安装倾角一般会有一定的偏差，需要依据具体情况进行调整。太阳电池方阵间距计算。为了避免下雨时泥水溅射到方阵表面，及地面可能有积雪的影响，同时为了安装方便，太阳电池方阵不能紧贴地面安装，电池方阵安装时，底部离开地面的高度为0.3m,实际还要考虑女儿墙影响的高度，参考面提高了0.3m,因此计算时女儿墙高度为H。H=0.5m-0.3m=0.2m女儿墙的阴影长度计算公式如（2.2）所示，女儿墙的阴影长度为0.484米。0.707 0.4338 Ian(P0.707ta
18、n+0.4338HCrcrCCC组间最小距离计算公式如（2.3）所示，可知两排组件之间的距离为3.8米。N = L cos B + L sin B0.707 tan B + 0.4338因此光伏组件在建筑楼顶上的排布I计算如公式（2.4）所示，因为最后一排不用考虑光伏组件地面投影，因此可以安装5列组件。一列安装的光伏组件个数为21个，相应计算如（2.5）所示。117u人却楼长女儿墙厚2过道宽250.321组件个数=组件宽度+0.1米0.992+0.1,（2.5）=21个2. 2光伏建筑一体化的设计根据兰州该小区进行调查，全小区大概有IOoo户人，其中5%的居民在使用新能源汽车，因此计划打算该小
19、区建设60个充电装置，根据最新国家电网发布的新能源电动汽车充电桩的相关参数可知，一台充电设备大概0180KW范围内工作，假设所有设备都工作最大功率为4.5兆瓦，根据前面屋顶光伏电池的安装设计与计算可知，该小区大概可以建设一个1兆瓦左右的光伏电站，虽然，光伏电站与充电装置相比相差较大，但正常情况下，并不是所有充电装置都投入使用，因此建设一个1兆瓦左右的电站己经能起到调峰、缓解电网冲击的作用。根据前面光伏电站电气元器件的选型可知，汇流箱选用12进一出，四块组件串起来为一组，11组并联一个汇流箱一栋楼设置一直流配电箱，直流配电箱选用120KW型号设备，相应的电气图如图2.2所示。光伏方阵图2.2光伏
20、汇流箱及直流配电柜电路图第三章新能源汽车充电桩电路设计与分析2.1 充电桩工作电路原理分析2.1.1 直流工作原理分析直流充电装的结构包括控制管理系统、DC-DC电能调节系统、仪表检测显示系统、操作界面系统、网络通信系统等组成。直流充电一般是指充电枪口输出为一定要求直流电，直接与新能源电动汽车内的充电电路相连，对电力电池进行电能的补充冲，不在经过新能源电动汽车车载控制电路，控制时间缩短至20minTh.整个充电过程中，电力电池两端是以分段方式对电池充电，电池的存电量会逐渐增加，当电池电量上升到一定设置值，电力电池两端充电电压达到设定的数值，相应但电压、电流监控电路采集模拟信号经过转换为数字信号
21、经单片机处理，控制相应的充电模式，充电桩进行浮充充电方式充电，直到充电完成。图3.1直流充电装置系统简单工作原理力图如图3.1所示,新能源汽车直流充电装置系统简单工作电路图。充电过程介绍如下，在这里KO开关是电源总开关，首先当用户将充电枪没有插入新能能源汽车充电插口时,K5.开关驱动电路是处于关闭状态的，无论是否电量充足，一直是处于断开状态。当用户将充电枪插入新能能源汽车充电插口时，相应的机械触碰，K5、K6继电器驱动电路被启动，新能源电动的一般新能源汽车内部也会有相关电量检测电路，电力电池组电量如果是饱和时，K5、K6继电器驱动电路是停止工作的，处于断开状态，当电池组电量不饱和时，K5、K6
22、继电器驱动电路是开始工作的，处于闭合状态，充电桩充电控制器会对即将充电的汽车进行相关电参数检测，例如，剩余电量等检测，控制器会进一步分析数据处理。假如新能源汽车电量没有达到饱和状态,也、勺继电器驱动电路是开始工作的，处于闭合状态，用户通过手机操作让充电开始，则充电控制器接收到相应的指令后，驱动相应的K&继电器驱动电路开始工作，此时充电主电路开始导通电池组开始充电,其中IMD是测量计算电路，例如实现比例、积分、微分等运算，根据前面设计内容可知，电池组充电过程是一个实时变化的电路，所以要计算电池充电量的多少，IMD电路就可以实现数据的采集和运算，将结果传递给控制电路，控制电路会将结果实时传输到用户
23、端手机上显示，监测点1是充电装置电量检测装置，监测点2是新能源汽车自带检测装置，两个检测装置起到对电池组精确检测起到保护作用，辅助电路是在充电过程起到充电辅助的作用。2.1.2 交流工作原理分析一般新能源汽车交流充电系统比较简单，交流充电系统也是最先出现的一种充电方式，交流充电一般是指充电枪口输出为国家标准的工频交流电，大型装置一般为380V电压，私用挂壁式一般为220V电压。充电设备额定工作电流相对较小。通常DC-DC转换电路在新能源电动汽车车体内安装，交流电进入新能源电动汽车后，其内置调制电路进行一系列电能调节，将最后的直流电能储存到电力电池中。这种充电方式主要的优点是充电温和，对电力电池
24、好，延长了电力电池的使用寿命。但缺点也挺多的，列如充电时间较长，市场运行的好多电动汽车充电时间大多数在9小时左右，不适合大型停车场或大型超能电站使用，仅仅使用与家用或部分充电站。图3.2交流充电装置系统简单工作原理图如图3.2所示，为新能源汽车交流充电装置系统简单工作电路图。充电过程介绍如下，交流充电桩工作电路非常简单，PWM电路即脉冲宽度变调电路监控功率电路的输出状态，K1继电器驱动电路，有充电桩控制器控制，和交流Ki、&继电器驱动电路工作方式相同，当用户将充电枪没有插入新能能源汽车充电插口后进行充电，L1.L2、L3一般直接通入380V动力电直接输送达新能源汽车内载充电电路进行充电，检测点
25、2、3都是车载检测点，检测电池充电状态和电量，当检测数据反馈到车辆控制器进行数据处理，当数据超出预设阀值，相应S?继电器驱动电路开始工作，切断S2开关，导致监测点的电势发生变化，引起Dl的导电状态发生反转，监测点1处检测电量也发生变化，检测点1充电桩对新能源汽车的充电状态检测，检测到相关电量参数反馈倒充电装置进行与预设阀值进行比较,然后通过PWM电路即脉冲宽度变调电路监控功率电路的输出状态。2.2 控制电路设计与分析2.2.1 电压采样电路电压采样电路采用运放电路，运放电路够成一定倍数的电压转换，将输出大电压在经相应的数模转换电路处理再通过单片机处理会显示出来。其具体的工作原理分析如下,由运放
26、电路的虚短虚断工作原理可知：而流过R2的电流与流过Rl的电流相等，则相应表达式如下（3.2）式所示：U22=/（3.2）2根据电路欧姆定律可知输出端的电压为（3.3）式所示：(3.3)Uo=AXRl联立式子（3.1）（3.2）、（3.3）可知输出直流电压Uo和输入直流电压之间的数量关系表达式为（3.4）所示：UO =X UlN(3.4)这里定义KFM,则可知UO=KUin实现了一个倍数的采样电压，根据要求只需设定相应的Ri、R2、R5、R6的数值即可。3. 2.2开关管驱动电路主控电路中相应的电力电子开关管驱动电压远远高出相应的单片机输出电压，因此这里设计一种开关管驱动电路，普通的继电器电流由
27、于其工作机制是机械工作方式，单单片机PWM控制信号用继电器控制输出会失真，因此这里采用的是IR2101芯片1进行作为开关启动电路设计，实现PWM控制信号放大。相应的IR2101芯片相应管脚功能如表3.1所示。HIN表3.1芯片相应管脚功能对应表PWN输入端LIN逻辑输入低水平VB高端浮动输出端HO栅极驱动电路的输出VS高端浮动供应VCC电源正极连接1.O底边栅极驱动输出端设计电路图如3.3所示3. 2.3继电器驱动电路充电装置在充电过程中，当充电枪端上检测到电力电池的电压达到设定阈值时，要切断充电装置，因此在电源开断过程就需要一个继电器控制电路实现这种功能，改设-10-计继电器电路可以承载高压
28、、高电流的性能，如图3.4所示为电路设计原理图。其具体的工作原理为；VCC端可以接24V或36V的直流驱动电压，Dl是一个发光二极管，它的作用是指示灯的作用，Tl是一个三极管，起到开关的作用，PLl是主电路开关，当控制单片机发出高电平信号时，经过电阻Rl到达三极管基极，驱动电路VCC电路导通，发光二管点亮，电磁铁得电闭合主电路，主电路开始工作，当控制单片机变为低电平信号时，驱动电路VCC电路断开，发光二管熄灭，电磁铁失电主电路断开，主电路停止工作。改设计简单电路能耗小，承载高电压、强电的工作，稳定可靠。图3.4继电器驱动电路3.3单片机控制电路的设计3.3.1 通讯系统的设计本课题设计中采用A
29、T89C52单片机与物联网组成的通信系统，单片机主要实现手机APP指令的处理，然后控制继电器电路系统，继电器控制系统再给主控单品机相关的信息实现整个电路的控制，相关通信关系如图3.5所示新能源汽车充电桩通信控制流程。手机APP或微信小程序网模 联信块 物通图3.5通信控制流程图主控单片机系统充电系统单片机在该系统中只是与物联网形成网络通信系统，同时与电流、电压传感器构成一个简单检测电路，并将检测相关检测到的实时信息上传到手机APP或微信小程序客户端，用户在在客户端看到实时数据。3.3.2 充电输出端电压、电流检测系统本课题还将设计新能源汽车充电桩检测系统，当检测电路检测到汽车充电饱和将自动断电
30、功能，电路设计如下，工作原理是电压传感器检测充电枪口端的电压达到电压饱和时检测电压偏高，互感器检测输出端电压也会升高，采用AT89C52单片机作为处理器，将超过相应程序设置值将会驱动继电器模块，继电器模块将给主控单片机系统相应信号，主控单品机会控制充电枪不再有电能的输出。在充电桩触摸屏也会提示充电完成的提示语，同时继电器还会往通讯系统单片机相关信用户可以在客户端显示充电完成的提示语充电电流检测电路，检测充电电流的原因是充电枪输出的电压、电流都是直流电,直流电压、电流相乘得到的是充电功率，可以通过相应的运算在显示屏上显示出来，用户可以在充电桩查看充电功率。3. 3.3小区大功率充电桩使用对居民用
31、电产生电压跌落的分析新能源汽车在小区充电过程，会导致小区电压会跌落，主要原因是市电网络复杂，该小区的电能降低，而且还会导致其他地方的用电也会不稳定，造成这种情况的原因是一般市电是由一些火电站、水电站、核电站以及距城市比较远的新能源电站供电，在电能输送过程由于输送电线的作用，输送到目的地时，电能参数一般成阻抗性，尽管电站、以及变电站会无功补偿，电抗能补偿抵消掉，但电阻是不会补偿抵消，因此在小区大功率用电时，输送线路上的电流会增大，因此输送线路上会分担很大一部分电压，根据欧姆定律可知，小区分担的电压将会降低，因此会出现电压跌落的现象。第四章充电桩操作系统设计随着新能源电动汽车不断更新换代，充电装置
32、充电技术要求越来高，人们对充电装置的操作要求也越来越高，智能控制功能也越来越强大，各种检测电路要能精确检测充电过程，并将检测结果反馈到用户端，在可视化操作界面显示各种数据的变化，不仅在充电桩操作界面可查看，同时要求用户可以通过手机或微信小程序等控制方式可以实时看到充电的相关参数，数据并且要求能实时刷新，例如充电电压、充电电流、电力电池的电量、充电功率，充电所剩时间等参数，此外还能通过互联网平台，云计算相关充电分布地点有效提示用户找到最近充电桩充电，设置帮助指南页面阂，指导用户解决充电过可能会出现的一些小问题。此外本课题我们设计了多种充电模式，例如定时充电、按金额充电、直到电池充满等方式，因此具
33、有较高的实用价值，同时优化充电系统，系统能进行自我检测功能，并将检测信息能发送到服务平台，工作人员发现充电桩出现故障，快速维护，同时客户端也能看到充电系统工作是否正常，能及时选择工作正常的充电装置充电，为用户带来更理想的充电服务。4.1功能需求分析结合当今电动汽车充电桩的发展需求，充电管理界面应满足一下要求：（1）充电桩可视化操作界面能准确的反馈充电的工作状态（2）充电桩可视化界面能提供相关的使用指南或使用所明书（3）充电桩可视化操作界面和手机APP/微信小程序等平台能数据同时更新（4）具有自我检测功能结合相应互联网的优势给用户一中最佳的选择方案（5）操作简便、充电方案对样，用户能方便选择。（
34、6）通过相应平台能查询充电记录，了解充电信息（7）当出现紧急事件能有效的自我保护，把损失降到最低（8）新能源电动汽车充电任务完成时能给用户相应的提示，自动断电，起到电路、电力电池组的保护作用。（9）可视化操作管理界面设计应风格优美简单，用户操作便捷。本文设计的充电管理系统界面如图4.1所示参考文献1张勇敢.电动汽车光伏充电桩系统研究与设计J.广西师范大学，2018.2汪守霞,汪张林.基于专利信息的新能源汽车及驱动电机发展现状分析J.中国科技论坛2016(4):63-69.3贾晶晶,郭敏嘉,范春燕,等.新能源汽车充电服务发展瓶颈及商业模式探讨J.陕西电力，2016,44(1):46-50.4尚甜
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