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OPAL-RT 和 NI方案促进加拿大电动汽车直流快速充电系统工程化

2019-12-18 23:31:37·  来源：加拿大欧泊实时  
　
相关背景：虽然电动汽车充电所需的时间比燃油汽车加满一罐油的时间要长得多，但它的受欢迎程度仍在不断提高。快速充电（大约20到30分钟）一直是一个令人困扰的难题，且解决方案进展缓慢，因为目前现有基础设施在电能传输的速度和容量方面都不适合应对这一挑战。
   
为解决这一难题，多伦多大学应用电力电子中心 （CAPE）与储能公司 eCAMION 合作参与了加拿大最具前景的电动汽车基础设施项目之一：为横贯加拿大公路上的电动汽车充电站构建直流快速充电系统 （DCFCS），该公路是世界上最长的高速公路之一，全长7，821公里。
eCAMION和多伦多大学CAPE团队成员
 
挑战：快速充电就意味着需要在短时间内提供大量电能（涉及到传输带宽或吞吐量）。多伦多大学应用电力电子中心的Reza Iravani教授和他的团队设计了一种新模型，利用本地大容量电池储存电力并放电，然后由用户之间已有的基础设施为其重新充电。这些本地电池存储单元将成为更大系统的一部分，以减少直流快速充电系统对电网基础设施的影响。
   
虽然这看起来解决了电能吞吐量的问题，但是工程方面的挑战依然存在。
 
电气站 Electric Gas Stations
 
“我们的想法是利用电站级别的大规模电池系统来为电动汽车充电，”Iravani教授说。“驾驶员们可以用这种大型电池给他们的电动车充电——整个过程仅需几分钟，就像在加油站加油一样，然后这些固定电池可以根据现有电网容量从电网中逐渐充电。
 
——Reza Iravani博士，
多伦多大学电力电子和计算机工程（ECE）专业教授，CAPE创始人
目标
Objective
   
挑战的首要和决定性内容：CAPE 团队需要为其直流快速充电系统 （DCFCS） 以及一个本地大容量电池存储系统开发控制算法。他们决定在NI的嵌入式控制器（EC）上部署控制算法从而实现对真实控制器的实时仿真。在电池存储系统方面，他们与总部位于多伦多的 eCAMION 公司合作，该公司在为电动汽车融入现有电网设施研发解决方案方面积累了大量专业知识。
   
他们还需要仿真快速充电器的电力电子模型，从而配置电力电子换流器，优化控制器设计，并完成60kW原型的开发。
   
由于需要实现两个快速充电序列（一个从电池到汽车，另一个从电网到电池），CAPE 团队必须通过串联两个充电器并在NI硬件平台上实现本地控制器（LC）来达到更高的充电电压。
   
同时，他们还需要在该硬件平台上开发并利用硬件在环仿真实时测试结网换流器的本地控制器。最后，他们需要开发协调各充电站本地控制器的调度控制算法。
   
每个新站的设计都包括一个储能系统，该系统使用大型锂离子电池和多个输出接口，以便可以同时为多辆汽车充电。这些充电站将配备使用480伏电压等级的  3 级充电器，可在大约 30 分钟内为电动汽车充满电。而家庭中和目前停车场中常见的2级充电器使用240伏系统，需8至10小时才能为车辆充满电。
“这些充电站将配备使用480伏电压等级的3级充电器，可在大约 30 分钟内为电动汽车充满电”
方案和步骤
Solution & Development
 
    
确定理论上的系统配置和参数后，CAPE 团队开始进行离线仿真，以最终确定配置、优化参数并设计控制器。
   
然后，他们利用 OPAL-RT 基于 FPGA 的电力电子解法器 （eHS）对控制器进行硬件在环仿真。eHS是一种强大的基于 FPGA 的硬件在环测试仿真工具，可与 NI 的 VeriStand 集成。
   
在此阶段，团队将一台真实的NI控制器引入hil测试中，并对其进行了仿真。然后，对该控制器进行了快速控制原型设计 （RCP），以确保其能够按要求运行。该阶段在不同仿真类型之间进行了大量迭代和交替，从而把测试中发现的问题以及经验教训不断集成到之后的测试中。
开发流程
充电站：三个充电单元
单个充电单元的（Power Core）电路元件
成果
Results
   最终版换流器在不到两年（2018 年 1 月到 2019 年 6 月）内开发完成，其最终配置包括：
  • 一个隔离的DC-AC-DC换流器，能够在EV端启用串行/并行配置。
  • 10 kHz 的开关频率，减小了输出滤波器和磁性元件的大小
  • 具备软开关条件的移相脉冲策略
  • 单向潮流来自前端 H 桥到EV 端二极管整流器
结论
Conclusion
   OPAL-RT基于FPGA的电力电子解法器（eHS）被用于整个充电装置的开发过程中，帮助工程师们（用他们自己的话来说）：
  • 加速了开发进程；
  • 降低了开发成本；
  • 减少了在高电压、高电流情况下开发系统的安全隐患
   项目策划者估计，电动汽车充电网络在运营的头五年内将减少约70万吨的排放量。
   得益于功能强大的FPGA上解法器eHS，OPAL-RT在目前全球最受重视的电动汽车基础设施项目之一中发挥了核心作用。
   OPAL-RT还曾就此电动车快速充电系统解决方案组织了一次由多伦多大学（Ali Nabavi博士和Mostafa Mahfouz博士）以及eCAMION（副总工程师Rick Szymczyk）研发团队成员参加的在线研讨会。
 
 
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