Aplicación y diseño del sistema de carga de energía solar y EV desde la perspectiva de la tendencia de electrificación del tráfico en la India

Como todos saben, el Gobierno de la India promueve la electrificación de los vehículos en todo el país y promueve activamente los vehículos eléctricos. La industria electrónica es optimista sobre el desarrollo de los vehículos eléctricos locales. Los grandes OEM están desarrollando vehículos eléctricos y el ecosistema de vehículos eléctricos se está construyendo constantemente. Las empresas existentes y las startups están trabajando duro para desarrollar cargadores de vehículos eléctricos, estaciones de carga, software y servicios de computación en nube. Se han logrado grandes logros. Sin embargo, hay muchas oportunidades de mejorar los sistemas electrónicos. Este artículo toma la India como ejemplo & # 39; Tomando como ejemplo la tendencia de electrificación del tráfico s, se discute la aplicación y disposición del sistema de carga de energía solar y ev.

Con la ayuda de bis, Arai, eesl y otras organizaciones, el Gobierno de la India ha publicado especificaciones técnicas para las estaciones de carga; Algunas especificaciones originales, como los cargadores AC - 001 y DC - 001, se han desarrollado y desplegado en lugares seleccionados en las estaciones de carga. Las últimas directrices requieren que las estaciones de carga estén equipadas con una variedad de cargadores estándar, a saber, los conectores CCS AC 2 y chademo, as í como cargadores AC y DC - 001 de baja potencia. Sin embargo, la fuente de alimentación de estos sistemas depende totalmente de la red eléctrica. La ubicación de las estaciones de carga es un problem a en las grandes ciudades y en las zonas semiurbanas. Todavía existe el problema de si la red eléctrica está reservada para la carga de los vehículos eléctricos.

Estos problemas se pueden resolver con energía solar.Generación de energía solarLa generación de energía y el almacenamiento de energía no sólo pueden complementar la capacidad de la red eléctrica, sino que también pueden instalarse en todo el país, incluso si no están conectados a la red, también pueden cargar vehículos eléctricos. Afortunadamente, la expansión de la energía solar en la India ha tenido mucho éxito, y la ubicación geográfica hace que la India sea rica en energía solar. Teniendo en cuenta que la vida útil de la estación de carga solar es de al menos 20 a 25 años, la tasa de instalación única y la inversión de capital de la estación de carga solar son relativamente razonables, la relación costo - rendimiento es alta y el rendimiento de la inversión puede obtenerse en unos pocos años. Cuando la central eléctrica está en funcionamiento, el suministro de energía es casi gratuito. A continuación se describe una solución viable para el uso de la energía solar y el almacenamiento para la carga de vehículos eléctricos, que abarcará la generación y el almacenamiento de energía solar, la gestión de baterías distribuidas, la conversión de energía, las conexiones de comunicación y los módulos básicos necesarios para desarrollar una estación de carga modular escalable para vehículos eléctricos solares.

La siguiente figura es un Diagram a funcional de una estación de carga solar típica para vehículos eléctricos.

Diagrama funcional de la estación de carga de energía solar para vehículos eléctricos

El terminal de usuario muestra principalmente las funciones que el usuario final puede ver, y es responsable del intercambio de información y la interacción hombre - máquina. Estos componentes suelen incluir pantallas táctiles TFT y dispositivos de lectura NFC para autenticación o pago. Para una funcionalidad más avanzada, puede haber una interfaz bluetooth. Los conectores de carga soportan diferentes estándares de carga: carga lenta AC para tranvías pequeños y triciclos eléctricos, carga rápida AC y DC para vehículos eléctricos. Antes de iniciar la carga, el usuario debe autenticarse y establecer las preferencias de carga. Las funciones más complejas se realizan en el Fondo, y el controlador central y otros módulos supervisan las operaciones en el Fondo.

Gestión de corriente y energía: el sistema de carga tiene tres fuentes de alimentación. El primero es un panel solar fotovoltaico. No se discute el cálculo del área del panel solar. En general, la Potencia de la estación de carga debe ser de al menos varios kilovatios. En condiciones de iluminación nominal, la capacidad normal de generación de energía de los paneles solares es de aproximadamente 150 W / m2. El panel solar envía energía al módulo mppt, que es un convertidor DC - DC de alta eficiencia. El algoritmo de seguimiento de puntos de potencia máxima se ejecuta internamente con una eficiencia de conversión superior al 98%. Estos convertidores son típicamente convertidores de Buck o Buck boost con múltiples intersecciones, con tensiones de funcionamiento de cientos de voltios en entradas y salidas. El aislamiento eléctrico puede no ser obligatorio, pero la mayoría de los convertidores están aislados eléctricamente por razones reglamentarias y de Seguridad. La salida está conectada a un bus DC común para alimentar la carga aguas abajo. El control puede adoptar el método de mezcla analógica, digital o analógica.

La segunda fuente de energía es la red eléctrica. Dado que la estación de carga tiene por objeto maximizar el uso de la energía solar, la carga de la red eléctrica es una fuente de energía alternativa. Sin embargo, en algunas zonas la red eléctrica funciona de forma intermitente. En otras zonas, los paneles solares no pueden generar electricidad durante todo el año debido a la falta de luz solar. La red eléctrica debe reponer la energía solar en algunas estaciones. El sistema de carga es esencialmente un dispositivo de almacenamiento de energía solar, que complementa la capacidad de suministro de energía de la red eléctrica a través de inversores conectados a la red bidireccional durante el período máximo de consumo de energía y desempeña el papel de la central eléctrica. Mediante una política razonable de compensación de la electricidad neta, las centrales solares o las propias centrales eléctricas pueden devolver legalmente la electricidad a la red, por lo que se trata de una solución de "ventanilla única y de doble uso".

La tercera fuente de energía es la central de almacenamiento de energía. La tendencia actual es utilizar baterías de litio para construir estaciones, ya que las baterías de litio tienen una larga vida útil, son ideales para una carga rápida y tienen una alta profundidad de descarga y densidad de energía. Para ahorrar espacio, las baterías se pueden instalar bajo tierra. Las baterías de litio se conectan en serie y en serie, y finalmente se conectan a las unidades terminales de la Caja de conexiones con funciones de monitoreo. Cada batería tiene un puerto de datos, generalmente can o rs485. Estas baterías se conectan a través de una cadena de crisantemos y finalmente se conectan a una caja de conexiones para que el dispositivo terminal muestre el Estado de funcionamiento de cada batería, cadena de baterías o biblioteca de baterías enteras. Esencialmente, se trata de un concentrador de datos y una unidad de conmutación para controlar los Estados de entrada y salida del Circuito de batería. Además, la Caja de conexiones se comunica con el controlador central para determinar las operaciones de carga y descarga de la batería.

La siguiente figura muestra la arquitectura del sistema de energía. Este es un sistema modular extensible. Los módulos son generalmente extensibles, cada uno de 3 - 5 kW, con bus de comunicación, generalmente can o modbus / rs485. El controlador central puede configurar módulos en cualquier momento, como la gestión de la carga, la gestión de la carga y las comprobaciones de diagnóstico, de acuerdo con los requisitos funcionales. El controlador tiene un módulo abierto para monitorear el consumo de energía. Los parámetros básicos incluyen el consumo de energía kWh, el almacenamiento de energía kWh y la Potencia de generación / salida kWh. El controlador también puede comunicarse con instrumentos estándar de la industria para realizar la facturación y la fijación de tarifas.

Figura 2: sistemas de energía en el contexto

Módulo de gestión de energía principal: el módulo convertidor DC - DC está conectado al bus DC. De acuerdo con el tipo de vehículo conectado a la pila de carga y los requisitos de tensión y corriente del BMS del vehículo, el controlador central configura el convertidor DC - DC a través del bus de comunicación. Este esquema se utiliza generalmente para la carga rápida de corriente continua, y varios módulos convertidores de corriente continua - DC se pueden conectar en serie para satisfacer los requisitos de carga. El inversor DC - AC también está conectado al mismo bus DC para cargar vehículos que sólo pueden recibir carga AC o carga normal lenta. Los inversores bidireccionales tienen dos propósitos: suministrar energía al bus DC para satisfacer la demanda de energía; Devolver la energía eléctrica a la red eléctrica cuando la estación de carga esté inactiva o reponer la capacidad de la red eléctrica durante el pico de consumo de energía. Los siguientes son los principales indicadores de eficiencia energética para cualquier módulo de conversión de energía en la actualidad:

Alta eficiencia energética: la eficiencia energética real de extremo a extremo es ahora superior al 95%

Alta densidad de potencia: el tamaño del sistema se hace cada vez más pequeño debido a un mayor costo de rendimiento

El desarrollo y el progreso de la tecnología de silicio pueden cumplir los dos requisitos anteriores. Los materiales semiconductores de banda ancha, especialmente los dispositivos sic, tienen una alta frecuencia de conmutación, temperatura de unión y eficiencia energética. Además, los avances en la tecnología del silicio han hecho que los componentes pasivos, como los componentes magnéticos y los condensadores, sean más pequeños. Un mejor material magnético también puede proporcionar una mayor potencia de salida para un diseño de baja potencia y baja pérdida.

El controlador central principal es el cerebro de la estación de carga, responsable de todas las funciones previas a la carga, como la autenticación del usuario / usuario reservado y la interacción humano - ordenador. Los componentes incluyen procesadores de alto rendimiento, tecnología de conectividad de comunicaciones y sensores. Las principales funciones son las siguientes:

Autenticación y pago del usuario: Esta es la función más vista por el usuario en la estación de carga. La autenticación y el pago del usuario se pueden hacer a través de la tarjeta inteligente, OTP, teléfono NFC e incluso Bluetooth. Estos subsistemas están controlados por MPU / mcu a bordo.

Gestión de energía: Este es el componente más importante de la estación de carga, pero el usuario no puede verlo. El controlador del sistema monitorea continuamente la oferta y la demanda de energía eléctrica, luego selecciona el modo de carga de acuerdo a la situación: carga solar pura, carga híbrida de energía solar y almacenamiento de energía o carga solar asistida por red. Puede haber una oferta excesiva o una demand a excesiva de electricidad. El controlador del sistema debe tener cierta inteligencia. De acuerdo con la relación entre la oferta y la demanda, el canal de transmisión puede cambiarse cambiando la configuración de los diversos bloques de potencia mencionados anteriormente.

Conexión de comunicación: en la actualidad, para realizar la monitorización remota, tanto la estación de carga como la pila de carga deben conectarse a la nube, comunicarse periódicamente con el CMS (sistema central de Gestión), informar sobre las transacciones, los parámetros, el diagnóstico y los datos de funcionamiento, y recibir órdenes de operación del CMS y la configuración. Por lo tanto, el proyecto proporciona una variedad de tecnologías de conexión inalámbrica y cableada, como 3G / 4G, Wi - Fi y Ethernet, e incluso utiliza la tecnología Lora en la monitorización remota.

Protección, diagnóstico e informe de fallos: con el fin de evitar fallos, el mecanismo de protección del sistema puede responder muy rápidamente y prevenir eventos externos como sobretensiones o relámpagos; Problemas de funcionamiento, como el mal funcionamiento externo o el mal funcionamiento / abuso intencional; O problemas internos de cortocircuito, sobrecalentamiento o sobrecalentamiento, como tensión / sobrecorriente. Para mantener bajos los costos operativos y minimizar el tiempo de inactividad, el sistema puede reportar automáticamente los problemas que pueden ocurrir de vez en cuando. La estructura modular puede mostrar circuitos defectuosos que necesitan ser reemplazados in situ para que el técnico de mantenimiento pueda preparar los accesorios de antemano.