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OPAL-RT 和 NI方案促進(jìn)加拿大電動(dòng)汽車(chē)直流快速充電系統(tǒng)工程化

2019-12-18 23:31:37·  來(lái)源：加拿大歐泊實(shí)時(shí)  
　
相關(guān)背景：雖然電動(dòng)汽車(chē)充電所需的時(shí)間比燃油汽車(chē)加滿一罐油的時(shí)間要長(zhǎng)得多，但它的受歡迎程度仍在不斷提高?？焖俪潆姡ù蠹s20到30分鐘）一直是一個(gè)令人困擾的難題，且解決方案進(jìn)展緩慢，因?yàn)槟壳艾F(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施在電能傳輸?shù)乃俣群腿萘糠矫娑疾贿m合應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。
   
為解決這一難題，多倫多大學(xué)應(yīng)用電力電子中心 （CAPE）與儲(chǔ)能公司 eCAMION 合作參與了加拿大最具前景的電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一：為橫貫加拿大公路上的電動(dòng)汽車(chē)充電站構(gòu)建直流快速充電系統(tǒng) （DCFCS），該公路是世界上最長(zhǎng)的高速公路之一，全長(zhǎng)7，821公里。
eCAMION和多倫多大學(xué)CAPE團(tuán)隊(duì)成員
 
挑戰(zhàn)：快速充電就意味著需要在短時(shí)間內(nèi)提供大量電能（涉及到傳輸帶寬或吞吐量）。多倫多大學(xué)應(yīng)用電力電子中心的Reza Iravani教授和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新模型，利用本地大容量電池儲(chǔ)存電力并放電，然后由用戶之間已有的基礎(chǔ)設(shè)施為其重新充電。這些本地電池存儲(chǔ)單元將成為更大系統(tǒng)的一部分，以減少直流快速充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的影響。
   
雖然這看起來(lái)解決了電能吞吐量的問(wèn)題，但是工程方面的挑戰(zhàn)依然存在。
 
電氣站 Electric Gas Stations
 
“我們的想法是利用電站級(jí)別的大規(guī)模電池系統(tǒng)來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)充電，”Iravani教授說(shuō)。“駕駛員們可以用這種大型電池給他們的電動(dòng)車(chē)充電——整個(gè)過(guò)程僅需幾分鐘，就像在加油站加油一樣，然后這些固定電池可以根據(jù)現(xiàn)有電網(wǎng)容量從電網(wǎng)中逐漸充電。
 
——Reza Iravani博士，
多倫多大學(xué)電力電子和計(jì)算機(jī)工程（ECE）專(zhuān)業(yè)教授，CAPE創(chuàng)始人
目標(biāo)
Objective
   
挑戰(zhàn)的首要和決定性內(nèi)容：CAPE 團(tuán)隊(duì)需要為其直流快速充電系統(tǒng) （DCFCS） 以及一個(gè)本地大容量電池存儲(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)控制算法。他們決定在NI的嵌入式控制器（EC）上部署控制算法從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)控制器的實(shí)時(shí)仿真。在電池存儲(chǔ)系統(tǒng)方面，他們與總部位于多倫多的 eCAMION 公司合作，該公司在為電動(dòng)汽車(chē)融入現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)施研發(fā)解決方案方面積累了大量專(zhuān)業(yè)知識(shí)。
   
他們還需要仿真快速充電器的電力電子模型，從而配置電力電子換流器，優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)，并完成60kW原型的開(kāi)發(fā)。
   
由于需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)快速充電序列（一個(gè)從電池到汽車(chē)，另一個(gè)從電網(wǎng)到電池），CAPE 團(tuán)隊(duì)必須通過(guò)串聯(lián)兩個(gè)充電器并在NI硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)本地控制器（LC）來(lái)達(dá)到更高的充電電壓。
   
同時(shí)，他們還需要在該硬件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)并利用硬件在環(huán)仿真實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)網(wǎng)換流器的本地控制器。最后，他們需要開(kāi)發(fā)協(xié)調(diào)各充電站本地控制器的調(diào)度控制算法。
   
每個(gè)新站的設(shè)計(jì)都包括一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用大型鋰離子電池和多個(gè)輸出接口，以便可以同時(shí)為多輛汽車(chē)充電。這些充電站將配備使用480伏電壓等級(jí)的  3 級(jí)充電器，可在大約 30 分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車(chē)充滿電。而家庭中和目前停車(chē)場(chǎng)中常見(jiàn)的2級(jí)充電器使用240伏系統(tǒng)，需8至10小時(shí)才能為車(chē)輛充滿電。
“這些充電站將配備使用480伏電壓等級(jí)的3級(jí)充電器，可在大約 30 分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車(chē)充滿電”
方案和步驟
Solution & Development
 
    
確定理論上的系統(tǒng)配置和參數(shù)后，CAPE 團(tuán)隊(duì)開(kāi)始進(jìn)行離線仿真，以最終確定配置、優(yōu)化參數(shù)并設(shè)計(jì)控制器。
   
然后，他們利用 OPAL-RT 基于 FPGA 的電力電子解法器 （eHS）對(duì)控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真。eHS是一種強(qiáng)大的基于 FPGA 的硬件在環(huán)測(cè)試仿真工具，可與 NI 的 VeriStand 集成。
   
在此階段，團(tuán)隊(duì)將一臺(tái)真實(shí)的NI控制器引入HIL測(cè)試中，并對(duì)其進(jìn)行了仿真。然后，對(duì)該控制器進(jìn)行了快速控制原型設(shè)計(jì) （RCP），以確保其能夠按要求運(yùn)行。該階段在不同仿真類(lèi)型之間進(jìn)行了大量迭代和交替，從而把測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題以及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)不斷集成到之后的測(cè)試中。
開(kāi)發(fā)流程
充電站：三個(gè)充電單元
單個(gè)充電單元的（Power Core）電路元件
成果
Results
   最終版換流器在不到兩年（2018 年 1 月到 2019 年 6 月）內(nèi)開(kāi)發(fā)完成，其最終配置包括：
  • 一個(gè)隔離的DC-AC-DC換流器，能夠在EV端啟用串行/并行配置。
  • 10 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，減小了輸出濾波器和磁性元件的大小
  • 具備軟開(kāi)關(guān)條件的移相脈沖策略
  • 單向潮流來(lái)自前端 H 橋到EV 端二極管整流器
結(jié)論
Conclusion
   OPAL-RT基于FPGA的電力電子解法器（eHS）被用于整個(gè)充電裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，幫助工程師們（用他們自己的話來(lái)說(shuō)）：
  • 加速了開(kāi)發(fā)進(jìn)程；
  • 降低了開(kāi)發(fā)成本；
  • 減少了在高電壓、高電流情況下開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的安全隱患
   項(xiàng)目策劃者估計(jì)，電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)營(yíng)的頭五年內(nèi)將減少約70萬(wàn)噸的排放量。
   得益于功能強(qiáng)大的FPGA上解法器eHS，OPAL-RT在目前全球最受重視的電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一中發(fā)揮了核心作用。
   OPAL-RT還曾就此電動(dòng)車(chē)快速充電系統(tǒng)解決方案組織了一次由多倫多大學(xué)（Ali Nabavi博士和Mostafa Mahfouz博士）以及eCAMION（副總工程師Rick Szymczyk）研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員參加的在線研討會(huì)。
 
 
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