CN107846064A - 一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置及充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置及充电方法，所述充电装置包括：充电接口，用于给电动公交车提供电能；锂电池组，可与电动公交车相连接，用于为所述充电接口提供电能；超级电容器组，与锂电池组并联连接；光伏电站，与锂电池组以及超级电容器组电连接，用于为锂电池组以及超级电容器组提供电能。本发明把储存在储能装置的电能快速高效地充到电动汽车的动力电池中，从根本上避免了对常规能源的消耗和对电网环境的污染。并且本发明针对城市和乡镇的电动公交车的运营途中的充电设施和充电点的设置进行科学合理的优化，使得运行的公交站在较短时间内充入有效的电量，以保证公交车的正常行驶。

Description

一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置及充电方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置及充电方法。
背景技术
风能、太阳能作为重要的可再生新能源，成为清洁能源的应用重点。将风、光分布式电源和储能结合构成混合供电***，既利用了风能、光能在时间和地理上的互补优势，也发挥了储能平复***波动、保护功率平衡的作用。以往的研究常用单一电池作为储能设备，其循环寿命短，功率密度低的特点限制了电池补偿短时功率脉动的能力，也与新能源发电具有的间歇性和随机性相矛盾。超级电容器和锂电池构成的混合储能克服了锂电池的上述缺点，达到功率密度和能量密度的统一。
随着经济的发展，环境成为人们日益关注的主题，而汽车尾气的排放作为影响环境的重要因素，其标准也日益提高。目前各国正致力于研究和开发的纯电动汽车是实现零排放的最佳产品。以此同时，电动汽车的充电设施作为发展电动汽车的重要环节，成为电动汽车领域的研究热点。电动汽车以可再生新能源为动力源，解决了汽车对石油的消耗和对环境造成的污染，成为世界汽车产业发展的趋势和热点。电动汽车具有零排放、无污染、节能、环保的特点，对于降低城市大气污染具有显著的效果。相比于乘用车，电动公交车的节油和减排效果更加明显，据有关统计，我国每辆公交车日行驶里程约220～280公里，消耗燃油约90～120升，相当于30辆私家车的油耗和排放。
电动汽车充电技术的研究和充电设施的建设对电动公交车的发展具有重要的作用。目前，我国在电动汽车充电设施建设上主要分为集中式充电站、分布式充电桩和更换电池三种模式。这些充电设施的建设在一定程度上解决了电动汽车的充电问题，但是也存在明显的缺点，主要表现在以下两个方面：第一，由于对电网的依赖，充电设施无法在远离电网覆盖的区域建设使用；第二，电动汽车充电时间过长。目前电动汽车充电桩分为快充设备和慢充设备。慢充设备交流充电，要将汽车电池充放一般需要6到8个小时，快充设施为大功率交流充电，最快也要1个小时足可以充满电动汽车电池80％的容量。第三，从电网安全分析。电动公交车采用市电充电方式，将造成高电压、大电流的直流充电机大规模集中接入电网，给配电网带来较大负荷冲击，造成配电网的严重过载。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置，利用光伏发电的方式，降低配电网的负荷，并且缩短电动公交车运行时的充电时间。
本发明的技术方案为：一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置，包括：
充电接口，用于给电动公交车提供电能；
锂电池组，可与电动公交车相连接，用于为所述充电接口提供电能；
超级电容器组，与锂电池组并联连接；
光伏电站，与锂电池组以及超级电容器组电连接，用于为锂电池组以及超级电容器组提供电能。
本发明中的储能***采取锂电池组和超级电容器组并联的混合储能***，其中超级电容器有功率密度大，充放电时间快等显著特点，充电10秒～10分钟就可以达到其额定容量的95％以上。并且，超级电容器的功率密度可以达到300W/KG～500W/KG，相当于电池的5～10倍。最重要的，超级电容器组循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达几十万次，这就也会显著提高充电设施的使用寿命。
当白天有光照的时候，光伏电站发电，电能输送给锂电池组，同时也给与锂电池组并联的超级电容器组充电。由于超级电容组的容量小，超级电器组的设计容量在2分钟以内可以全部充满，当需要充电的电动公交车连接充电接口后，超级电容器组已经优先充满电，可以在同样2分钟之内，将内充的电量快速释放到电动公交车的电池组。
作为优选，还包括与光伏电站电连接的最大功率***。
作为优选，还包括两个DC/DC直流变换器，两个DC/DC直流变换器分别连接于光伏电站与超级电容器组之间以及超级电容器组与充电接口之间。
作为优选，所述超级电容器组存储的电量不小于W(1+η)kW·h，其中W为电动公交车运行n个公交站点所消耗的电量，n为≥1的整数，η为充放电损耗系数。本发明中光伏发电加上储能***白天工作时候优先给超级电容器组充电，使超级电容器组保持在快速充满的状态。
本发明还可以在超级电容器组的容量设计上，根据电动公交车电池的SOC状态以及电动汽车的预行驶里程数来计算需要充电的容量，尽量减少电动公交车一次充电的电量。这样不仅可以保证公交车在短时间内快速充上所需要的电量，还可以有效提高公交车电池的使用寿命。
作为优选，所述n为2或3。超级电容器组一般情况下，充满保证公交车2站或者3站路程的电量W kW·h即可。但考虑到有一定的充放电损耗η，所以，超级电容器组存储的电量要不小于W(1+η)kW·h的电量。这样，当每辆公交车在始发站只需要充满2个或3个站点路程的电量即可出发，每隔两个或三个站点就有一个本发明的电动公交车快速充电装置，用充电接口将超级电容器组里的电量快速充到公交车的电池上，从而保证公交车的后续路程的行驶。
对于光伏电站和锂电池组的容量，可以根据离网光伏***方法，将超级电容器组看作是供电负责来设计***容量。作为优选，所述锂电池组的电容量至少大于超级电容组的电容量2倍以上。这样才可以保证在短时间内将超级电容器充满。
本发明还提供了一种包括上述的电动公交车快速充电装置的公交站。
本发明还提供了一种电动公交车快速充电方法，包括以下步骤：
(1)在距离为M km的公交线路上，设置N个公交站站点，则每两个公交站站点的间距平均为M/N km；
(2)在每隔N/n个公交站站点的公交站站点处设置一个如权利要求1～6任一所述的电动公交车快速充电装置，其中n为≥1的整数；
(3)电动公交车到达具有如上述电动公交车快速充电装置的公交站站点时，检测电动公交车的SOC状态，若电量不足时，连接充电接口进行充电，充电完成之后，电动公交车离开该公交站站点；反之，不进行充电。
为了减少光伏电站的规模和有效减少充电的时间，本发明电动公交车快速充电装置的安装位置及数量可以根据公交站站点的数量和投资规模选取，在设置充电站点的设置上，考虑到光伏电站的占地面积和投资规模，作为优选，所述n为2或3。
本发明的电动公交车线路一般可以适用于白班运营(早8:00到18:00)，若需要提供夜班运行，则根据运行时间适当增加光伏电站和锂电池的规模和容量。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明的离网光储供电的电动公交车快速充电装置分布于公交站点处，光伏电站将太阳能转化为电能，并储存在混合储能当汽车进行充电时，再把储存在储能装置的电能快速高效地充到电动汽车的动力电池中，从根本上避免了对常规能源的消耗和对电网环境的污染。并且本发明针对城市和乡镇的电动公交车的运营途中的充电设施和充电点的设置进行科学合理的优化，使得运行的公交站在较短时间内(2分钟)充入有效的电量，以保证公交车的正常行驶。
附图说明
图1为本发明中离网光储供电的电动公交车快速充电装置的电路连接是结构示意图。
图2为电动公交车的公交站运行站点示意图。
图3为本发明中电动公交车的充电流程示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置，包括：
充电接口1，可与电动公交车相连接，用于给电动公交车提供电能；
锂电池组2，用于为所述充电接口1提供电能；
超级电容器组3，与锂电池组2并联连接；
光伏电站4，与锂电池组2以及超级电容器组3电连接，用于为锂电池组2以及超级电容器组3提供电能；
与光伏电站4电连接的最大功率***5；
上述离网光储供电的电动公交车快速充电装置还包括两个DC/DC直流变换器6，两个DC/DC直流变换器6分别连接于光伏电站4与超级电容器组3之间以及超级电容器组3与充电接口1之间。
本发明中的储能***采取锂电池组2和超级电容器组3并联的混合储能***，其中超级电容器有功率密度大，充放电时间快等显著特点，充电10秒～10分钟就可以达到其额定容量的95％以上。并且，超级电容器的功率密度可以达到300W/KG～500W/KG，相当于电池的5～10倍。最重要的，超级电容循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达几十万次，这就也会显著提高充电设施的使用寿命。
当白天有光照的时候，光伏电站4发电，通过最大功率***5将电能输送给锂电池组2，同时也给与锂电池组2并联的超级电容器组3充电。由于超级电容组的容量小，超级电器组的设计容量在2分钟以内可以全部充满，当需要充电的电动公交车连接充电接口1后，超级电容器组3已经优先充满电，可以在同样2分钟之内，将内充的电量快速释放到电动公交车的电池组。
超级电容器组3存储的电量不小于W(1+η)kW.h，其中W为电动公交车运行n个公交站点所消耗的电量，n为≥1的整数，η为充放电损耗系数。本发明中光伏发电加上储能***白天工作时候优先给超级电容器组3充电，使超级电容器组3保持在快速充满的状态。一般情况下，n为2或3。超级电容器组3一般情况下，充满保证公交车2站或者3站路程的电量WkW.h即可。但考虑到有一定的充放电损耗η，所以，超级电容器组3存储的电量要不小于W(1+η)kW.h的电量。这样，当每辆公交车在始发站只需要充满2个或3个站点路程的电量即可出发，每隔两个或三个站点就有一个本发明的电动公交车快速充电装置，通过充电接口1将超级电容器组3里的电量快速充到公交车的电池上，从而保证公交车的后续路程的行驶。
对于光伏电站4和锂电池组的容量，可以根据离网光伏***方法，将超级电容器组3看作是供电负责来设计***容量。一般情况下，锂电池组的电容量大于超级电容组的电容量2倍以上。这样才可以保证在短时间内将超级电容器充满。
本发明还可以在超级电容器组的容量设计上，根据电动公交车电池的SOC状态以及电动汽车的预行驶里程数来计算需要充电的容量，尽量减少电动公交车一次充电的电量。这样不仅可以保证公交车在短时间内快速充上所需要的电量，还可以有效提高公交车电池的使用寿命。
实施例2
一般电动客车动力电池总容量的设计是以设计任务书中的最大续驶里程指标为目标值，结合电机功率，采用等速法反向推算出来。本实施例以常规的12m双轴纯电动城市客车为例，目前在实际公交路况下的能耗水平为1.1～1.3kW·h/km(夏季开空调时能耗为1.3～1.5kW·h/km)。
如果公交线路里程按M km，N个站点计算，两个站点的间距平均为M/N公里，见图2。则按照设计车辆每经过两个站点需装载动力电池的电能为2.2M/N～2.6m/n kW·h。考虑到有一定的充放电损耗值η，则每2站设置的实施例1所述的离网光储供电的电动公交车快速充电装置，超级电容器组的容量应该不小于下式：
2.2m/n～2.6m/n(1+η)kW·h (1)；
根据电容的能量公式J＝1/2C Uwork 2 (2)，
其中，J为电容器的总容量，单位为焦耳(1kW·h＝3600000J)；C为电容组的容量，单位F(法拉)，Uwork为电容器的工作电压。
根据公式(1)和公式(2)得到每个充电站点所需要超级电容器的容量为：
C＝2J/U2＝7.2x106[2.2m/n～2.6m/n(1+η)]/U2 work (3)
根据超级电容的放电时间参数：
t＝C[(Uwork-Umin)/I-R] (4)；
式(4)中，Umin为超级电容工作的最低电压。R为超级电容的内阻(欧姆)，其阻值越小越好。I为电容的放电电流。而根据实际应用需要，超级电容器的放电时间既给电动汽车充电的时间设计在2分钟(120s)以内。由式(4)，由t＝120s和给定的超级电容组的工作电压的参考值Uwor和Umin后，可以确定超级电容组的放电电流值，即快充输出端口对电动汽车电池的快速充电电电流值。
本实施例中的电动公交车的充电基本流程如图3所示，电动公交车到达具有如实施例1的电动公交车快速充电装置的公交站站点时，检测电动公交车的SOC状态，若电量不足时，连接充电接口进行充电，充电完成(达到电动公交车的SOC上限值)之后，电动公交车离开该公交站站点；反之，不进行充电。

Claims (9)

1.一种离网光储供电的电动公交车快速充电装置，其特征在于，包括：
充电接口，用于给电动公交车提供电能；
锂电池组，可与电动公交车相连接，用于为所述充电接口提供电能；
超级电容器组，与锂电池组并联连接；
光伏电站，与锂电池组以及超级电容器组电连接，用于为锂电池组以及超级电容器组提供电能。
2.如权利要求1所述的离网光储供电的电动公交车快速充电装置，其特征在于，还包括与光伏电站电连接的最大功率***。
3.如权利要求2所述的离网光储供电的电动公交车快速充电装置，其特征在于，还包括两个DC/DC直流变换器，两个DC/DC直流变换器分别连接于光伏电站与超级电容器组之间以及超级电容器组与充电接口之间。
4.如权利要求1～3任一所述的离网光储供电的电动公交车快速充电装置，其特征在于，所述超级电容器组存储的电量不小于W(1+η)kW·h，其中W为电动公交车运行n个公交站点所消耗的电量，n为≥1的整数，η为充放电损耗系数。
5.如权利要求4所述的离网光储供电的电动公交车快速充电装置，其特征在于，所述n为2或3。
6.如权利要求4所述的离网光储供电的电动公交车快速充电装置，其特征在于，所述锂电池组的电容量至少大于超级电容组的电容量2倍以上。
7.一种包括如权利要求1～6任一所述的电动公交车快速充电装置的公交站。
8.一种电动公交车快速充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在距离为M km的公交线路上，设置N个公交站站点，则每两个公交站站点的间距平均为M/N km；
(2)在每隔N/n个公交站站点的公交站站点处设置一个如权利要求1～6任一所述的电动公交车快速充电装置，其中n为≥1的整数；
(3)电动公交车到达具有如权利要求1～6任一所述的电动公交车快速充电装置的公交站站点时，检测电动公交车的SOC状态，若电量不足时，连接充电接口进行充电，充电完成之后，电动公交车离开该公交站站点；反之，不进行充电。
9.如权利要求1所述的电动公交车快速充电方法，其特征在于，所述n为2或3。
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