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基于场地电动车柔性分配功率充电机的研究与应用

摘要：随着场地电动车的广泛应用，其充电需求日益增长，特别是对于内置电池多样性的充电解决方案。针对这一问题，研究并设计了一种非车载低压快速充电机，该充电机能够智能地分配功率，以适应不同电动车的充电需求。首先详细阐述了柔性功率分配的技术原理，以及优化功率分配算法。然后介绍了充电机硬件构成的几个核心模块，包括：主控制器、功率模块（分为前级AC/DC和后级DC/DC）和功率分配单元。最后介绍了充电机的软件业务实现逻辑，通过硬件和软件的综合设计，实现了充电过程的智能化和自动化。该研究的创新之处在于提出了一种新型的快速充电解决方案，通过柔性分配功率，达到减少充电时长，节能增效的目标。

关键词：场地电动车低压充电机功率柔性分配功率模块

随着全球对可持续交通解决方案的需求不断增长，场地电动车因其环保无噪、低速安全、经济便利等优点而被广泛应用于旅游景点、园林小区、高尔夫球场、街道巡逻、清洁环卫、智能仓储等各个领域。然而，电动车的广泛普及受限于充电基础设施的完善程度，尤其是快速充电技术的发展，这对于提升用户体验和推动场地电动车市场发展至关重要。

目前，场地电动车的充电方式主要有两种：车载充电机和非车载专用低压充电机。车载充电机通过电源线和市电相连即可充电，使用简单方便，但存在成本较高、占用车辆空间、充电功率较小等缺点。非车载充电机则通过将市电交流电整流为低压直流电为电池充电[1]，具有充电功率可定制、实现快速充电、不占用车辆空间等优点，但需要简单培训才能使用。

这两种充电方式均为固定功率充电，存在最大功率受限和冗余功率无法利用的局限性。当电池快充满时，充电功率会快速减小，若充电机为多台电动车同时充电，会造成充电功率的浪费，尤其是功率较大的充电机。因此，固定功率充电由于缺乏灵活性，无法根据电池的实际充电状态调整功率，导致充电效率不高，充电时间较长，增加了能耗和运营成本。

针对现有技术的局限性，本文提出了一种新型的快速充电解决方案——柔性功率分配的非车载低压充电机。该技术的核心在于评估合适的最小颗粒度的充电功率模块，将它们组合后，再依据各个车辆的充电状态柔性分配功率，从而减少充电时长，节能增效。

2柔性分配功率的技术原理

本方案的核心由三大模块构成：主控模块、功率分配模块和电源模块。电源模块又分为两级架构，前级是AC/DC整流电路，产生恒定的110V直流母线电压，后级是由M个最小功率颗粒度的DC/DC模块并联而成。柔性分配功率的技术方案原理示意图１所示。

场地电动车的快速充电过程，涉及复杂的数据交互和智能功率管理，以确保充电既快速又符合车辆的具体需求。以下是充电过程中的关键步骤：

2.1数据交互与参数获取

当充电机与电动车建立连接后，主控模块通过工业总线与车辆的电池管理系统（BMS）进行数据交互。充电机获取关于电池状态的实时参数，包括充电需求电压、充电需求电流等。这些参数对于确定充电策略和保障充电安全至关重要。

2.2充电需求分析

根据从BMS获取的充电需求电压，充电机计算出各个DC/DC转换模块可以提供的最大充电电流值。不同电动车的充电电压是可能存在差异的，例如48V或72V。

2.3最优模块组合计算

考虑到不同车辆的充电需求电流和DC/DC模块的最大功率输出，充电机将计算出最优的模块组合方案。这一方案旨在在满足充电电流需求的同时，最小化充电功率的浪费，从而提高充电效率。

2.4充电过程的实时调整

一旦确定最优的模块组合，充电机将对相应的功率分配模块发送指令，开始对电动车进行充电。在充电过程中，主控模块将持续监测充电需求的电压和电流，并根据这些参数的实时变化，通过功率分配模块来动态调整功率的分配。

2.5冗余功率的柔性分配

在充电过程中，如果检测到某些模块的功率未被充分利用，充电机将智能地重新分配这些冗余功率，以满足其他车辆的充电需求。这种柔性功率分配策略不仅提高了充电机的整体效率，也为充电场地的运营商带来了经济效益。

3柔性分配功率的控制策略

3.1功率分配的初步设定

参考图1，首先，当场地电动车连接到充电机时，BMS会实时发送当前电池所需的充电电压U和充电电流I至充电机。充电机的主控模块接收到这些信息后，进行以下步骤：

（1）最大电流计算：主控模块根据给定的电压U，已知单个DC/DC模块的最大功率条件下，可计算单个DC/DC模块在该电压下能够输出的最大电流Id_max。

（2）DC/DC模块数量确定：通过公式（n-1）*Id_maxIn*Id_max，计算出所需的最少DC/DC模块数量n，以满足电动车的充电需求。

（3）功率分配控制：一旦确定了所需的DC/DC模块数量，主控模块将控制功率分配模块，闭合n个空闲DC/DC模块的充电通路，以向电动车提供所需的电流。

（4）电流分配