电动汽车直流充电计量研究及计量模块设计

摘要

随着电动汽车产业的快速发展，电动汽车充电站也已开始大规模建设，而电动汽车中的蓄电池是大功率、非线性的负载，因此而导致的直流信号特性对计量影响的问题需要被研究，而针对电动汽车大功率直流电能计量的研究，目前研究较少。论文研究了使用传统交流计量方法对含纹波直流信号及间歇式充电进行计量的合理性，分析了采集到的实际电动汽车大功率直流充电数据，并根据直流计量的特性设计了应用 DSP的直流电能计量模块，论文的主要工作和结论如下：
　　①首先介绍了电能计量的两种方法，分别为时域积分法和有效值法。针对电动汽车直流大功率充电时充电机对蓄电池充电会产生谐波的情况，利用时域积分法计算充电功率，可知除直流功率外，还包含各次谐波的有功功率；利用有效值法计算充电功率，通过Emanuel的功率分解理论，可知除直流功率外，还包含电流畸变功率，电压畸变功率以及谐波视在功率；最后分析了有效值法计算含纹波信号的电能存在误差的原因。
　　②针对电动汽车充电时电压、电流信号存在纹波的情况，分析有效值法计量的误差模型，由于脉动信号受到各次谐波的幅值和相位影响，纹波系数与电能计量误差关系的模型难以得出，于是研究各次谐波幅值与相位对计量的影响，来反映纹波对有效值法电能计量误差的影响，通过对误差模型的简化，可知有效值法计量误差与每次谐波电压、电流的幅值大小和相位差有关。忽略纹波对电能计量的影响，分别利用有效值法和时域积分法对脉冲充电、ReflexTM充电和变电压间歇充电方法对电动汽车充电的电能进行计量，得到了这三种充电方法利用有效值法计算电能的误差模型及其影响因素。
　　③针对含纹波直流信号以及脉冲充电、ReflexTM充电和变电压间歇充电有效值法计量误差模型进行仿真分析，得到误差模型的变量对误差大小的影响，从而可知传统交流计量采用的有效值法不适用于纹波含量较高信号计量和电动汽车间歇式充电计量。最后对脉动直流信号利用不同采样率进行采样，得到采样率对脉动直流信号计量影响很小，为设置电能计量模块采样率提供参考。
　　④为了研究充电桩直流大功率充电状态下电压、电流信号的特性及其对电能计量的影响，分别利用波形记录仪测取了在实验室环境下充电桩对电阻放电和在充电站对电动汽车充电的电压、电流数据。首先分析了对功率电阻恒压与恒流放电时，交流侧和直流侧电压和电流信号的频谱分布；然后分析了充电时充电机能耗；计算了直流侧电压、电流信号的纹波系数，并研究了恒压和恒流充电时纹波对电能计量的影响；由于直流侧电压信号波动较大，研究了不同采样率对直流计量的影响。再利用相同方法分析了电动汽车充电时的电压、电流数据。
　　⑤介绍了应用DSP的直流电能计量模块硬件部分组成，其中取样调理模块将外部的大电压、大电流信号调理成合适的小信号输入采样模块中，采样模块将模拟信号转换成数字信号输入 DSP中，DSP芯片在这里不但需要对采样得到的电压、电流数据进行相应处理，还需要控制LCD显示模块，电源模块则为整个计量模块供应不同规格电压。然后对计量模块上电，先利用大电流发生器和直流稳压电源作为计量模块的信号源，得到计量模块的相应精度，针对含纹波直流信号和脉冲充电信号分别利用时域积分法和有效值法计量，得到的计量误差和有效值法计算理论误差值相差很小。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 电动汽车充电方法发展现状

1.3 电动汽车充电站计量方式及电能表发展历程与研究现状

1.4 论文研究内容

2 电动汽车充电方式

2.1 蓄电池充电极化现象

2.2 常规充电方法原理

2.3 快速充电方法原理

2.4 电动汽车充电方法比较

2.5 小结

3 电动汽车充电直流计量功率理论与仿真分析

3.1 电能计量基本功率理论

3.2 直流电能计量和交流电能计量区别

3.3 直流纹波对电能计量的影响

3.4 脉冲充电与变电压间歇充电模型计量分析

3.5 直流电能计量误差仿真分析

3.6小结

4 电动汽车直流充电特性对计量影响

4.1 交流侧电压、电流信号谐波畸变率及其对计量的影响

4.2 大功率直流充电时充电机能耗分析

4.3 直流纹波对电能计量的影响

4.4 信号采样率对电能计量的影响

4.5 电动汽车充电信号特性分析

4.6 小结

5 应用DSP的直流电能计量模块设计

5.1 应用DSP的直流电能计量模块硬件设计

5.2 DSP电能计量模块系统软件设计

5.3 基于DSP计量模块的电能计量实验

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 主要工作和结论

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目