某小区新能源汽车充电桩的设计.docx

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.However,environmentalpollutionisbecomingincreasinglysevere,whichisnotonlyinconsistentwiththeconceptofgreentravelstronglyadvocatedinChina,butalsoanimportantfactorhinderingsocialdevelopment.Therefore,promotingthedevelopmentofgreenenergyisparticularlyimportantinsolvingtheproblemofenergytransformation.Thisprojectwilldesignaphotovoltaicchargingsystemfornewenergyvehicles,whichwilluseacombinationofphotovoltaicmicrogridsandthenationalpowergridtoeffectivelyreducetheimpactonthecommunitypowergrid.Basedontheusageofnewenergyvehiclesinurbanresidentialareas,thisprojectfirstdesignedarooftopphotovoltaicmicrogridsystem.Then,throughsimulationandanalysis,itwasdemonstratedthatphotovoltaicpowerplantscaneffectivelycurbtheimpactofhigh-powerelectricalappliancesongridvoltage.Finally,achargingsystembasedonphotovoltaicgridpeakshavingwasdesignedaroundthechargingmanagementofnewenergyvehicles.Intermsofchargingdevice,aDC-DCconverterisdesigned,switchinductancecontroltechnology,toimprovetheboostcapacityandworkefficiencyofthecircuitandachieveoptimizationofthechargingdevicefornewenergyvehicles.Thesystemmainlyincludesreal-timedatamonitoringandtransmissionduringthechargingprocess,designingcorrespondingworkingcircuits,transmittingchargingdataanduserinstructions,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 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，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500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