CN108674247B - 储能式自由联动直流充电系统 - Google Patents

Abstract

一种储能式自由联动直流充电系统，用于为车辆电池充电，该直流充电系统包括总控单元，该总控单元连接多个充电桩，每个充电桩包括有各自的储能电池和双输入充电模组，每个充电桩还包括有多个与双输入充电模组连接的充电枪，充电桩的双输入充电模组的输出端之间通过开关连接，总控单元通过控制每个充电桩的双输入充电模块和充电控制器，自动切换充电桩的充电状态，自动分配充电桩的充电功率。

Description

储能式自由联动直流充电系统

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，涉及直流充电系统，特别涉及一种储能式自由联动直流充电系统。

背景技术

为电动汽车充电的充电桩已经成为电动汽车发展过程中重要的组成部分。专利文献CN106026279A公开了“一种具有储能装置的充电桩，该充电桩包括：多个充电终端，用于对多个电动汽车的电池组进行充电；有源电力滤波器，用于实时对充电桩进行谐波滤除，提高充电桩运行的功率因素；储能装置，用于从配电网吸收电能，并用于对充电终端快速提供电能；监控装置，用于控制充电桩的运行，该监控装置包括：谐波检测模块，用于实时检测充电桩的无功和谐波电流大小；储能装置监测与调度模块，用于实时检测储能装置的储能状态，根据检测结果，随时将储能单元在配电网与充电终端之间进行投切；充电服务及控制模块，用于控制上述每个充电终端对电池组的充电功率，控制有源电力滤波器对充电桩的进行谐波滤除”。该充电桩“在现有配电网不增容的情况下，利用储能装置实现电动汽车大功率快速充电，实现配电网和充电桩之间的缓冲，减少对配电网的短时干扰和冲击”。

专利文献CN105827004A公开了“一种电动汽车充电桩，包括：直流充电机、控制器、储能模块、耦合电路和控制接口；所述控制器用于检测是否有电动汽车使用充电桩，并且在检测到没有电动汽车使用充电桩时，控制所述控制接口内部呈连接状态，从而将直流充电机与储能模块相连接，使直流充电机对储能模块进行充电；在检测到有电动汽车使用充电桩时，控制所述控制接口内部呈断开状态，从而将直流充电机与储能模块断开，使直流充电机停止对储能模块进行充电，此时控制所述耦合电路将储能模块与直流充电机共同输出给电动汽车充电”。该方案“使用直流充电机与储能模块相结合的技术，可以避免单独使用储能模块的容量限制，充电不受储能模块电量的影响，且能在低谷时期进行储能，高效合理地利用电网，减少谐波畸变率，减轻电网污染”。

发明内容

本发明的目的是提供一种储能式自由联动直流充电系统，目的在于，现有的对于车辆电池的储能充电系统控制连接复杂，同时也无法实现充电站的充电桩和充电枪的自由联动充电模式的问题。

本发明的实施例之一，一种直流充电系统，用于为车辆电池充电，该直流充电系统包括储能电池和双输入充电模组，其中，

双输入充电模组与储能电池连接，同时，双输入充电模组接入交流电网，

双输入充电模组的输出连接多个充电枪，充电枪用于给车辆的电池充电，

双输入充电模组由交流/直流转换模块、直流/直流转换模块、交直流切换模块组成。

双输入充电模组与每个充电枪之间串接有绝缘检测模块、充电控制器和电表，绝缘检测模块用于检测充电枪电缆的绝缘参数，充电控制器用于控制充电枪充电电流的大小，电表用于检测充电枪充电电流数值。

本发明的实施例之一，储能式直流充电系统包括总控单元，该总控单元连接多个充电桩，每个充电桩包括有各自的储能电池和双输入充电模组，每个充电桩还包括有多个与双输入充电模组连接的充电枪，充电桩的双输入充电模组的输出端之间通过开关连接。总控单元通过控制每个充电桩的双输入充电模块和充电控制器，自动切换充电桩的充电状态，自动分配充电桩的充电功率。

总控单元对于充电桩的控制方法包括：

当充电桩连接车辆电池开始充电时，充电桩与车载BMS进行握手，充电桩收到车载BMS请求的电压电流需求后，向总控单元发送要求分配的电压电流值，在充电过程中，充电桩向总控单元循环发送所述的电压电流值。

当充电桩停止充电后，充电桩向总控单元发送停止充电命令，且充电桩收到总控单元的应答后认为命令发送成功，充电桩转入空闲状态。BMS是电池管理系统(BATTERYMANAGEMENT SYSTEM)的缩写。BMS可以提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电。

当总控单元判断需要重新分配充电功率时，则总控单元先关闭所有双输入充电模组，然后控制继电器开关进行切换，随后再给需要的双输入充电模组开机。

本发明通过将储能电池与自由联动充电站相结合，获得的有益效果包括：

1.储能电池梯次利用，有巨大环保意义和经济价值。当充电场站总功率不足时，可利用储能大功率充电，例如场站总配电630kVA时，1Mwh储能有电时，最大输出功率可达到1.5Mw。

2.储能电池可利用峰谷电价差额进行充电，产生极大的经济效益。削峰填谷，有利于电网。

3.可以离网充电。当电网断电时，也可以对电动汽车进行充电，类似电动汽车充电宝。

4.整体系统简单，增加成本仅为电池成本。

5.充电站实现了任意枪、任意功率分配，不仅满足白天快充、夜间慢充的要求，同时具有极强的兼容性，是大型场站的极佳选择。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明实施例中直流充电系统储能方式实现示意图。

图2是本发明实施例中直流充电系统能量流转示意图。

图3是现有技术中自由联动充电站示意图。

图4是现有技术中自由联动充电站控制结构示意图。

图5是本发明实施例中储能式直流充电自由联动系统结构图示意图。

图6是本发明实施例中自由联动直流充电系统实现示意图。

图7是本发明实施例中多桩充电功率分配策略之一流程图。

图8是本发明实施例中多桩充电功率分配策略之一流程图。

图9是本发明实施例中多桩充电功率分配策略之一流程图。

图10是本发明实施例中多桩充电功率分配策略之一流程图。

图11是本发明实施例中多桩充电功率分配策略之一流程图。

图12，本发明实施例中多桩充电切换连接电路示意图。

具体实施方式

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种直流充电系统，用于为车辆电池充电，该直流充电系统包括储能电池和双输入充电模组。双输入充电模组与储能电池连接，同时，双输入充电模组接入交流电网。双输入充电模组的输出连接多个充电枪，充电枪用于给车辆的电池充电。双输入充电模组由交流/直流转换模块、直流/直流转换模块、交直流切换模块组成。

交流/直流转换模块实现交流到直流的转换，直流/直流转换模块用于实现直流到直流的转换，交直流切换模块用于实现交流与直流之间的切换。

采用充电机(交流/直流双输入，输出直流)作为双输入充电模组，基于总功率为360KW一拖四的直流桩，增加储能电池。其中，储能电池可以采用1Mwh容量的电池，继电器和控制组件共同实现储能式充电桩。结合图2，图中

充电过程-能量流①：交流电网给电动汽车进行充电：闭合K3，断开K1，K2。

充电过程-能量流②：储能电池给电动汽车进行充电：闭合K2；断开K1，K3。

充电工作-能量流③：交流电网给储能电池进行充电：闭合K3，K1；断开K2。

充电桩功率分配遵从相邻切换的原理，可以实现功率任意分配，满足单枪180kw的需求。

根据一个或多个实施例，将储能电池连接至直流母线，然后接入换电箱，给换电箱内的换电电池充电。换电箱可以方便地从电动汽车上拆卸和安装，也是一种给电动汽车补充电量的方式。储能电池对应的充电机，可以采用交流电网输入对换电电池进行充电。换电箱电池既采用直流目前进行充电，也可以采用交流电网进行充电。换电箱装上电动汽车后，换电电池给汽车提供行驶动力。

图3是现有技术中自由联动充电站示意图。图4是现有技术中自由联动充电站控制结构示意图。自由联动四桩整体电气方案结构图如图3和4所示，充电站由4个双枪充电桩构成。系统控制由PDU单元(功率分配单元)和充电控制器组成；PDU单元由总控单元和子单元组成，子单元负责每一个桩的功率分配继电器控制和状态控制，总控单元负责所有桩的功率分配逻辑，根据需求进行分配，将指令通过CAN总线发送至子单元进行控制。系统通信还包括以太网通信，系统内部PDU和充电控制器之间通过CAN通信进行交互，充电控制器通过以太网(4G、WIFI或者有线)和后台进行连接。

根据一个或多个实施例，如图5所示。直流充电系统包括总控单元和一个储能电池，该总控单元连接多个充电桩，每个充电桩连接储能电池，充电桩包括双输入充电模组，以及与双输入充电模组连接的充电枪，各充电桩的双输入充电模组的输出端之间通过开关连接。总控单元通过控制每个充电桩的双输入充电模块和充电控制器，自动切换充电桩的充电状态，自动分配充电桩的充电功率。

根据一个或多个实施例，储能式的直流充电系统，包括总控单元，该总控单元连接多个充电桩，每个充电桩包括有各自的储能电池和双输入充电模组，每个充电桩还包括有多个与双输入充电模组连接的充电枪，充电桩的双输入充电模组的输出端之间通过开关连接。总控单元通过控制每个充电桩的双输入充电模块和充电控制器，自动切换充电桩的充电状态，自动分配充电桩的充电功率。

根据一个或多个实施例，如图6所示，由一台充电机，和四台充电桩组成充电站。充电机包括双输入充电模组和控制模块的控制板。所有充电模组，或者称为模块，共用同一交流电输入源。每一个单独的充电直流电源模块的输出可以通过继电器的分合控制输出到不同的充电桩的母线上。充电机内部的控制板实时与4个充电桩的控制板之间通过扩展的Can协议进行通信，获取4个充电桩的实时功率需求等状态，充电机根据需求进行内部运算做出调整策略，通过控制继电器的分合，将电源模块的输出切换到相应母线。

充电桩内部安装直流表，采用直流计量，其人机交互、刷卡以及充电功能与传统充电桩工作逻辑一样，本文中不再描述。每个充电桩内部也有一块控制板，两个充电桩的控制板与电源模块之间通过Can总线进行通信，通过电源模块的通信协议对电源模块进行输出控制和调节，由于4个充电桩与所有电源模块共处在一路Can总线上，所以充电桩控制和条件电源模块时，采用单地址通信的原则，不能使用广播地址。

由于充电桩控制板与充电机控制板之间需要进行数据交互，同时所有控制板又都需要与电源模块之间进行数据交互，因此充电机控制板、4个充电桩控制板和电源模块共同接入同一Can总线上，将5个控制板与所有电源模块进行统一编址，控制板之间，控制板与电源模块之间通信尽量使用单地址进行通信，这样就解决了通信上的所有问题。

通过一个充电机带四个充电桩，每个充电桩可独立进行启动和停止，充电功率可根据实际需求由充电机进行合理调节。人机交互单元，计费单元及充电单元布置在充电桩内，充电桩与充电机之间通过Can总线实时进行数据交互，由充电机根据分配策略进行模块输出回路的调整，从而实现功率分配功能。

根据一个或多个实施例，综合图7至图11，充电机中的控制模块对于充电桩的功率分配方案中，只考虑具有物理地址的额定功率为15kW的电源模块，充电机内部全部部署该额定功率的电源模块。

功率分配步长为15kW或30kW可调(一个或两个模块)，该步长值可通过参数进行设置，默认使用30kW步长。

充电机实时将当前模块的分配状态发送给4个充电桩，无论充电桩空闲还是充电状态，充电机都固定发送该状态。

充电桩空闲时不需要向充电机发送数据，在充电桩开始充电时，BMS握手成功后，充电桩收到BMS请求的电压电流需求后，开始向充电机发送要求分配的电压电流值，充电过程中循环发送；充电桩停止充电成功后，不再发送请求分配的电压电流值，而是充电桩向充电机发送停止充电命令，且充电桩需要收到充电机的应答认为命令发送成功，否则进行重试，收到充电机确认后，转入空闲状态。

功率调整时间点在以下几种情形之一出现时可能进行调整：

a)空闲时，有其中一个充电桩请求开始充电时，此种情况下，充电机需等待充电桩请求功率稳定后(连续收到多次相同的功率请求)，再与已经分配给该充电桩的功率数进行比较，如果小于请求功率则进行关机重分配，否则直接发送开机指令到已经分配给该桩的相应模块。

b)其中一个充电桩正在充电，另一个充电桩请求开始充电时，充电机需判断剩余的功率数是否为0，如果剩余功率为0或者另一个充电桩当前分配的功率限流点<20％，则充电机进行关机重新分配，然后再开机；否则不重新分配，只把剩余功率分配给新启动的充电桩，直接发送开机指令给模块。

c)两个充电桩正在充电时，其中一个停止充电成功时，充电机收到停止成功命令后，判断当前正在充电的另一个充电桩已经分配的功率是否小于BMS请求的功率，如果是，则充电桩全部停机重新分配，然后再对于已经分配的直流电源模块开机，否则只关闭已经停止充电的部分模块。

d)两个充电桩正在充电时，其中一个充电桩限流点<20％，且另一个充电桩限流点>90％，且该种状态持续一段时间时(该限流点上下限参数可以考虑可设置)，此种情况满足后，充电桩全部停机，重新分配充电功率，然后再全部开机。

e)三个充电桩正在充电时，其中一个停止充电成功时，充电机收到停止成功命令后，判断当前正在充电的另二个充电桩已经分配的功率是否小于BMS请求的功率，如果是，则充电桩全部停机重新分配，然后再对已经分配的直流电源模块开机，否则只关闭已经停止充电的部分模块。

f)三个充电桩正在充电时，其中一个充电桩限流点<20％，且另一充电桩限流点>90％，且该种状态持续一段时间时(该限流点上下限参数可以考虑可设置)，此种情况满足后，充电桩全部停机，重新分配充电功率，然后再全部开机。

g)四个充电桩正在充电时，其中一个停止充电成功时，充电机收到停止成功命令后，判断当前正在充电的另三个充电桩已经分配的功率是否小于BMS请求的功率，如果是，则充电桩全部停机重新分配，然后再对已经分配的直流电源模块开机，否则只关闭已经停止充电的部分模块。

h)四个充电桩正在充电时，其中一个充电桩限流点<20％，且另一充电桩限流点>90％，且该种状态持续一段时间时(该限流点上下限参数可以考虑可设置)，此种情况满足后，全部停机，重新分配，然后再全部开机。

当出现上述八种情况时，充电机根据模块分配情况判断是否需要进行重新分配，如果需要重新分配，则充电机需先关闭所有直流模块，然后控制继电器进行切换，随后再给模块开机。

充电桩对直流模块进行调流时需根据当前分配给自己的直流模块数量及序号进行动态调整。

如图12所示，多桩充电切换连接电路。下面的表格是是该电路中继电器开关动作顺序表。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (3)

1.一种直流充电系统，用于为车辆电池充电，其特征在于，该直流充电系统包括储能电池和双输入充电模组，其中，

双输入充电模组与储能电池连接，同时，双输入充电模组接入交流电网，双输入充电模组的输出连接多个充电枪，充电枪用于给车辆的电池充电，

双输入充电模组由交流/直流转换模块、直流/直流转换模块和交直流切换模块组成，

双输入充电模组与每个充电枪之间串接有绝缘检测模块、充电控制器和电表，绝缘检测模块用于检测充电枪电缆的绝缘参数，充电控制器用于控制充电枪充电电流的大小，电表用于检测充电枪充电电流数值，

该直流充电系统包括总控单元，该总控单元连接多个充电桩，每个充电桩包括有各自的储能电池和双输入充电模组，每个充电桩还包括有多个与双输入充电模组连接的充电枪，充电桩的双输入充电模组的输出端之间通过开关连接，

总控单元通过控制每个充电桩的双输入充电模块和充电控制器，自动切换充电桩的充电状态，自动分配充电桩的充电功率，

总控单元对于充电桩的控制方法包括：

当充电桩连接车辆电池开始充电时，充电桩与车载BMS进行握手，充电桩收到车载BMS请求的电压电流需求后，向总控单元发送要求分配的电压电流值，在充电过程中，充电桩向总控单元循环发送所述的电压电流值；

当充电桩停止充电后，充电桩向总控单元发送停止充电命令，且充电桩收到总控单元的应答后认为命令发送成功，充电桩转入空闲状态，

总控单元对于充电桩的充电功率的分配有以下几种情况：

a)在充电桩处于空闲状态，若有一个充电桩请求开始充电时，总控单元需等待充电桩请求功率稳定后，即连续收到多次相同的功率请求，再与已经分配给该充电桩的功率数进行比较，如果小于请求功率则重新分配充电功率，否则直接发送开机指令到已经分配给该充电桩的双输入充电模组；

b)当其中一个充电桩正在充电，另一个充电桩请求开始充电时，总控单元需判断剩余的功率数是否为0，如果剩余功率为0或者另一个充电桩当前分配的功率限流点<20％，则总控单元进行关机重新分配充电功率，然后再开机；否则不重新分配，只把剩余功率分配给新启动的充电桩，直接发送开机指令给对应的双输入充电模组；

c)当两个充电桩正在充电时，其中一个停止充电成功时，总控单元收到停止充电命令后，判断当前正在充电的另一个充电桩已经分配的功率是否小于车载BMS请求的功率，如果是，则充电桩全部停机重新分配充电功率，然后再开机，否则只关闭已经停止充电的双输入充电模组；

d)当两个充电桩正在充电时，其中一个充电桩限流点<20％，且另一个充电桩限流点>90％，且该种状态持续一个设定时间段时，则充电桩全部停机，重新分配充电功率，然后再全部开机；

e)当三个充电桩正在充电时，其中一个停止充电成功时，总控单元收到停止成功命令后，判断当前正在充电的另二个充电桩已经分配的功率是否小于车载BMS请求的功率，如果是，则充电桩全部停机重新分配充电功率，然后再开机，否则只关闭已经停止充电的部分模块；

f)三个充电桩正在充电时，其中一个充电桩限流点<20％，且另一充电桩限流点>90％，且该种状态持续一个设定时间段时，充电桩全部停机，重新分配，然后再全部开机；

g)四个充电桩正在充电时，其中一个停止充电成功时，总控单元收到停止成功命令后，判断当前正在充电的另三个充电桩已经分配的功率是否小于BMS请求的功率，如果是，则充电桩全部停机重新分配充电功率，然后再开机，否则只关闭已经停止充电的双输入充电模组；

h)四个充电桩正在充电时，其中一个充电桩限流点<20％，且另一充电桩限流点>90％，且该种状态持续一个设定的时间段时，充电桩全部停机，重新分配充电功率，然后再全部开机，

当出现上述a)至h)这8种情况时，充电机根据模块分配情况判断是否需要进行重新分配，如果需要重新分配，则充电机需先关闭所有直流模块，然后控制继电器进行切换，随后再给模块开机，

充电桩对直流模块进行调流时，根据当前分配给自己的直流模块数量及序号进行动态调整。

2.根据权利要求1所述的直流充电系统，其特征在于，当总控单元判断需要重新分配充电功率时，则总控单元先关闭所有双输入充电模组，然后控制继电器开关进行切换，随后再给需要的双输入充电模组开机，

充电桩进行充电电流调节时，根据当前分配给自己的双输入充电模组的数量动态调整。

3.根据权利要求1所述的直流充电系统，其特征在于，车辆电池是换电电池，换电电池被安装在换电箱内，换电箱通过所述直流充电系统充电。