CN105739591A - 基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备和系统，该设备包括：LED路灯、直流充电桩，所述LED路灯与所述直流充电桩为一体化设置，且与外部直流供电网相连；所述LED路灯接收所述外部直流供电网的电能，根据检测到的自身周围光强度进行开启或关闭，并将开启或关闭的信息传送到所述直流充电桩；所述直流充电桩与外部电动汽车相连，接收所述外部直流供电网的电能，为外部电动汽车进行充电；当所述LED路灯开启时，所述直流充电桩根据所述LED路灯关闭的数量减少向外部电动汽车充电输出的功率；当所述LED路灯关闭时，所述直流充电桩根据所述LED路灯关闭的数量增加向外部电动汽车充电输出的功率。

Description

基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备和系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体地，涉及一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备和系统。

背景技术

20世纪70年代世界范围内的能源危机爆发后，环境污染和能源短缺等问题受到了全世界各国的普遍关注，而分布式能源系统由于具有负荷变动灵活、供电可靠、输电损失小以及便于可再生能源应用等特点，而受到越来越多的关注；另外，分布式电源的应用也使得传统的配电由单纯的供电功能，扩展出了发电的功能。常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力机和燃气轮机等，而这些电源产生的电能均为直流电或可经过简单整流后变为直流电。

21世纪初，美国学者首先提出微电网的概念。微电网是将可再生能源发电装置、负荷、储能装置及控制装置等有机结合并接入到电网中的技术。微电网一般接入到配电系统中，既可与电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。灵活的运行方式可以实现分布式能源的接纳及与电网的互相支撑。

随着配电系统的发展，直流微电网将比交流微电网更具优势。如果将现行的交流供电改为直流供电，通过改变供电系统的构成就可降低约20％的耗电量，从而实现节能优化、低碳的目的。

为了缓解资源环境约束，应对全球气候变化，促进经济发展方式转变，建设资源节约型、环境友好型社会，我国正在大力加强节能减排工作，LED路灯代替传统路灯，以及电动汽车的推广都是节约能源的值得倡导的方式，但是，电动汽车在全国范围的推广和普及十分有限，究其主要原因：基础设施的缺乏特别是充电桩、充电站建设的严重滞后，充电不便直接导致消费者对电动汽车的认同度不高。

充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两种。交流充电桩是安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流电源的供电装置，同时具备计量计费功能，交流充电桩一般只提供电能，不提供对车辆状态监控，连接端口一般为图1所示，电池充电机集成在汽车内部，车载充电机实现电源变换、汽车状态、电池管理、各种保护和控制功能。

直流充电桩是固定安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车动力电池提供直流电源的供电装置，直流充电桩具有充电机功能，可以实时监视并控制被充电电池状态，同时，直流充电桩可以对充电电量进行计量，当车辆端子与充电桩完全连接后，直流桩接手了交流车载充电机的电源变换、汽车状态监测、电池管理、各种保护和控制功能，实现对汽车电池的充电控制和检测。

发明内容

为了在解决现有技术中存在的电动汽车受到车载充电机的束缚充电效率低问题的同时，亦期用于直流电网直接用电设备，本发明提出了一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备和系统。

该设备包括：

LED路灯、直流充电桩，所述LED路灯与所述直流充电桩为一体化设置，且与外部直流供电网相连；

所述LED路灯接收所述外部直流供电网的电能，根据检测到的自身周围光强度进行开启或关闭，并将开启或关闭的信息传送到所述直流充电桩；

所述直流充电桩与外部电动汽车相连，接收所述外部直流供电网的电能，为外部电动汽车进行充电；

当所述LED路灯开启时，所述直流充电桩根据所述LED路灯关闭的数量减少向外部电动汽车充电输出的功率；

当所述LED路灯关闭时，所述直流充电桩根据所述LED路灯关闭的数量增加向外部电动汽车充电输出的功率。

本发明的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，LED路灯和直流充电桩可以达到功率互补、负载平衡，减少了直流电网负荷波动，增加直流电网的稳定性。在节能上，LED路灯比传统路灯节省相当大的能耗，方便市民对电动汽车进行充电，解决了长期以来影响电动汽车推广的“充电难”问题，将极大推动电动汽车的推广和普及，最终实现更深层次意义上的节能减排。在电网层面上，为提高负荷率，本质上就是要设法提高低谷负荷和降低高峰负荷，即“填谷”与“削峰”。储能技术将保存电力系统中的低谷电能，当高峰负荷到来时，再将保存的能量以电能的形式释放，这样，电能储存装置在低谷负荷时作为电力系统的负荷填谷，在高峰负荷时作为电源供电，改善了负荷率，本发明在不采用储能设备的基础上，实现了“填谷”与“削峰的功能，提高了电网的负荷率。

该系统包括：外部直流供电网以及多个基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的一体化设备工作原理图；

图2为本发明实施例的LED路灯的原理示意图；

图3为本发明实施例的LED路灯的电路图；

图4为本发明实施例的直流充电桩的原理图；

图5为本发明实施例的功率模块电路的电路原理图；

图6为本发明实施例的电压反馈电路的电路原理图；

图7为本发明实施例的电流控制电路的电路原理图；

图8为本发明实施例的功率调节电路的电路原理图；

图9为现有技术中的电动汽车充电示意图；

图10为本发明实施例的电动汽车充电示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为了在解决现有技术中存在的电动汽车受到车载充电机的束缚充电效率低问题的同时，亦期用于直流电网直接用电设备，本发明提出了一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备和系统。

随着分布式能源的发展，在低压直流供电网络优势逐渐显现的基础上，本发明提出了一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备和系统，通过在城市范围内建设直流供电系统，一体化设备可从直流供电系统获取直流电，对LED路灯进行供电；同时该一体化设备具有充电机功能可直接为电动汽车电池充电，该技术方案将使得电动汽车不再受到车载充电机的束缚，减少电动汽车造价、有效减轻汽车负重和损耗。

该设备包括：LED路灯1、直流充电桩2，所述LED路灯1与所述直流充电桩2为一体化设置，且与外部直流供电网相连；所述LED路灯1接收所述外部直流供电网的电能，根据检测到的自身周围光强度进行开启或关闭，并将开启或关闭的信息传送到所述直流充电桩2；所述直流充电桩2与外部电动汽车相连，接收所述外部直流供电网的电能，为外部电动汽车进行充电；

当所述LED路灯1开启时，所述直流充电桩2根据所述LED路灯1关闭的数量减少向外部电动汽车充电输出的功率；当所述LED路灯1关闭时，所述直流充电桩2根据所述LED路灯1关闭的数量增加向外部电动汽车充电输出的功率。

采用本发明的一体化设备，可省去电动汽车的车载充电机，直接带来电动汽车成本的降低，并且由于减轻负重而直接导致能耗降低。本发明是基于直流供电网络的产品，对于分布式电源并入直流配电网将可以节省大量的换流环节。在现有技术中，光伏发电等产生的是直流电，通常需经过DC-DC和DC-AC两级变换才能并入传统的交流配电网；而风力机等虽然是以交流形式产生电能，但通常并不稳定，通常也需要经过AC-DC和DC-AC两级变换才能并入交流配电网。即如图9所示。

而本发明的一体化设备接入直流配电网，则可以省略上述的DC-AC环节，从而减小成本、降低损耗。即如图10所示。

如图1所示，在设备工作时，LED路灯1根据自己环境下检测光强度，自动开启和关闭照明设备，当LED路灯1关闭后，信息及时传给直流充电桩2，直流充电桩2在得知路灯的工作情况下，根据LED路灯1关闭的数量相应增加自身的输出电流能力，加快电动汽车的充电速度；当LED路灯1开启工作时，直流充电桩2根据LED路灯1关闭的数量相应减小充电设备的输出功率，达到负载功率平衡的目的。

如图2所示，所述LED路灯1包括：通信单元11、驱动控制电路12、光强检测电路13、LED发光单元14，所述通信单元11、所述光强检测电路13、所述LED发光单元14分别与所述驱动控制电路12相连；所述光强检测电路13监测LED路灯1所在位置的光强度，并通过所述通信单元11上报给所述驱动控制电路12，所述驱动控制电路12根据所述光强度开启或关闭所述LED发光单元14。

该LED路灯采用成熟的现有技术，如图3所示为LED路灯的电路原理图。由LNK626控制的反激电源为发光单元供电，R15和R20分压输入芯片FB端，稳定输出电压，变压器绕组通过D10整流、通过R16、C10为LNK626芯片的提供电能，D7整流后为D4、D5、D6、D8、D9发光二极管供电，D11、R17、R18、R21、IC4B作为简易的光强检测装置，感光二极管D11在受到光照时，随着光强度的增加R18、R21分压值逐渐增加，当分压值大于2.5V时，比较器IC4B翻转拉低LNK626芯片的FB管脚电压，整个电路停止工作，当光强度较弱时候，IC4B不拉低电压，LED正常工作，R17为光强度回差电阻，减小其阻值可增大开启和关闭的回差值。

如图4所示为直流充电桩2的原理示意图，所述直流充电桩包括：急停开关201、触摸屏202、IC卡读写器203、通信单元204、主控制单元205、低压辅助电源206、滤波电路207、直流计量电路208、输入保护电路209、充电功率模块210、输出接口211，所述急停开关201、所述触摸屏202、所述IC卡读写器203、所述通信单元204、所述直流计量电路208分别与所述主控制单元205相连；所述主控制单元205通过CAN总线与所述输出接口211相连。

外部直流供电网的直流输入电压依次通过所述滤波电路207、所述直流计量电路208、所述输入保护电路209传输到所述充电功率模块210，所述充电功率模块210将所述直流输入电压转换为受CAN总线控制的可调输入电压，并经过所述输出接口211输出到外部电动汽车。其中，除充电功率模块210处，其余电子元件或电路皆为车载充电机的标准电路，在此不再赘述。所述充电功率模块210的通信接口为CAN总线接口，CAN总线协议符合国标GB27930-2011，在汽车厂家不符合国家标准时，CAN总线协议也可以根据实际应用情况进行调试。

所述充电功率模块210包括：功率模块电路、电压反馈电路、电流控制电路、功率调节电路，所述功率模块电路通过所述电压反馈电路与所述电流控制电路相连；所述电压反馈电路通过所述电流控制电路与所述功率调节电路相连。

如图5所示，为功率模块电路的电路原理图，电路工作拓扑为全桥拓扑，移相控制方式。功率模块电路为成熟电路主控制器工作模式在此不再赘述。所述功率模块电路包括：电容C3、电感L2、电容C2、逆变器、电感L3、变压器、二极管D1、二极管D2、电感L1、电容C1、电阻R1、全桥控制器，所述变压器包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4；

所述C3的一端接输入电压Vin+，另一端接地；所述L2的一端接输入电压Vin+，另一端与所述C2的一端、所述Q2的漏极、所述Q1的漏极分别相连；所述C2的另一端接地；所述Q2的源极与所述Q4的漏极相连，所述Q1的源极与所述Q3的漏极相连；所述Q4的源极、所述Q3的源极分别接地；

所述Q1的栅极VG1、Q2的栅极VG2、Q3的栅极VG3、Q4的栅极VG4分别与所述全桥控制器的VG1、VG2、VG3、VG4相连，所述全桥控制器的FB端与所述电压反馈电路的FB端相连；所述Q2源极与所述Q4漏极的公共端与所述变压器初级线圈的异名端相连，所述Q1的源极通过所述L3与所述变压器初级线圈的同名端相连；

所述变压器二次线圈的同名端分别与D1的正极、D2的正极相连，所述变压器二次线圈的异名端接电流取样端，并依次通过所述R1、C1接输出电压VO+；所述R1、C1的公共端接地；所述D1的负极、所述D2的负极分别通过所述L1接输出电压VO+。

如图6所示，为电压反馈电路的电路原理图。所述电压反馈电路包括：光耦合器IC3、电阻R8、共阳极二极管D3、运算放大器IC2B、电阻R11、电容C6、电阻R9、电阻R10、电阻R12，所述光耦合器IC3的集电极FB端与所述功率模块电路的FB端相连，所述IC3的发射极接地；所述IC3的正极通过电阻R8接电源电压，所述IC3的负极与D3的正极相连；

所述D3的其中一个负极OCP端与所述电流控制电路的OCP端相连，所述D3的另外一个负极依次通过R11、C6、R10与所述R9、所述R12的公共端相连，所述R9还与输出电压VO+相连，所述R12还接地；所述IC2B的正输入端接通基准电压VoltageControl，所述IC2B的负输入端与C6、R10的公共端相连。

通过R9、R12分压与VoltageControl端电压基准进行比较，控制运算放大器的输出，R11、C6为补偿电路，通过光耦反馈到控制器的FB端子，保证输出电压稳定。

如图7所示，为电流控制电路的电路原理图。所述电流控制电路包括：电阻R5、电容C4、电阻R2、运算放大器IC2A、电阻R6、电阻R7、电容C5、电阻R4、运算放大器IC1A，所述R5的一端接电流取样端CURRENT，另一端与所述C4、所述R2、所述IC2A负输入端的公共端相连，所述C4、所述R2、所述IC2A的输出端的公共端依次通过R6、R7、C5与所述电压反馈电路的OCP端相连；所述IC2A的正输入端接地。

所述IC1A的负输入端与所述R6、R7的公共端相连，所述IC1A的正输入端通过所述R4连接基准电流CurrentControl，所述IC1A的输出端与所述电压反馈电路的OCP端相连。

电流控制电路主要由两个运算放大器构成，IC2A构成反相放大器，放大电流取样端的电流值，放大后的数值通过R6输入到运算放大器IC1A的输入端，与R4端的信号大小进行比较，输出通过光耦控制主控制器的FB端，进而控制输出电流的大小，保证输出电流的稳定。

如图8所示，为功率调节电路的电路原理图。所述功率调节电路包括：D/A转换器、电阻R14、电阻R13、运算放大器IC4A，所述D/A转换器的输入端D0～D7分别与LED路灯相连，VOUT端依次通过R14、R13连接基准电流CurrentControl；所述IC4A的负输入端与所述R14、R13的公共端相连，正输入端接地，输出端连接基准电流CurrentControl。

功率调节电路主要由一个D/A转换器构成，根据输入LED路灯开启/关闭的数量，改变输入的数字量，通过D/A转换器后，VOUT输出经过反向放大后，输出到电流反馈电路的电压基准脚(Currentcontrol)改变基准电压。R13、R14比例大小可以决定反相放大器的放大倍数，当输入的LEDon-off信号高电平减少时，Currentcontrol端输出电压升高，电流反馈电路的电压基准升高，输出电流增大，当输入的LEDon-off信号高电平增加时，Currentcontrol端输出电压降低，电流反馈电路的电压基准降低，输出电流减小。

本发明的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，LED路灯和直流充电桩可以达到功率互补、负载平衡，减少了直流电网负荷波动，增加直流电网的稳定性。在节能上，LED路灯比传统路灯节省相当大的能耗，方便市民对电动汽车进行充电，解决了长期以来影响电动汽车推广的“充电难”问题，将极大推动电动汽车的推广和普及，最终实现更深层次意义上的节能减排。在电网层面上，为提高负荷率，本质上就是要设法提高低谷负荷和降低高峰负荷，即“填谷”与“削峰”。储能技术将保存电力系统中的低谷电能，当高峰负荷到来时，再将保存的能量以电能的形式释放，这样，电能储存装置在低谷负荷时作为电力系统的负荷填谷，在高峰负荷时作为电源供电，改善了负荷率，本发明在不采用储能设备的基础上，实现了“填谷”与“削峰的功能，提高了电网的负荷率。

本发明还提出了一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节系统，包括：外部直流供电网以及多个如前述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备。

该系统具有与前述基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备的全部技术效果。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图8以及图10为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，包括：

LED路灯、直流充电桩，所述LED路灯与所述直流充电桩为一体化设置，且与外部直流供电网相连；

所述LED路灯接收所述外部直流供电网的电能，根据检测到的自身周围光强度进行开启或关闭，并将开启或关闭的信息传送到所述直流充电桩；

所述直流充电桩与外部电动汽车相连，接收所述外部直流供电网的电能，为外部电动汽车进行充电；

当所述LED路灯开启时，所述直流充电桩根据所述LED路灯关闭的数量减少向外部电动汽车充电输出的功率；

当所述LED路灯关闭时，所述直流充电桩根据所述LED路灯关闭的数量增加向外部电动汽车充电输出的功率。

2.根据权利要求1所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述直流充电桩包括：急停开关、触摸屏、IC卡读写器、通信单元、主控制单元、低压辅助电源、滤波电路、直流计量电路、输入保护电路、充电功率模块、输出接口，

所述急停开关、所述触摸屏、所述IC卡读写器、所述通信单元、所述直流计量电路分别与所述主控制单元相连；

所述主控制单元通过CAN总线与所述输出接口相连；

外部直流供电网的直流输入电压依次通过所述滤波电路、所述直流计量电路、所述输入保护电路传输到所述充电功率模块；所述充电功率模块将所述直流输入电压转换为受CAN总线控制的可调输入电压，并经过所述输出接口输出到外部电动汽车。

3.根据权利要求2所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述充电功率模块的通信接口为CAN总线接口，CAN总线协议符合国标GB27930-2011，所述CAN总线协议也可以根据实际应用情况进行调试。

4.根据权利要求2所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述充电功率模块包括：

功率模块电路、电压反馈电路、电流控制电路、功率调节电路，所述功率模块电路通过所述电压反馈电路与所述电流控制电路相连；

所述电压反馈电路通过所述电流控制电路与所述功率调节电路相连。

5.根据权利要求4所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述功率模块电路包括：电容C3、电感L2、电容C2、逆变器、电感L3、变压器、二极管D1、二极管D2、电感L1、电容C1、电阻R1、全桥控制器，

所述变压器包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4；

所述C3的一端接输入电压Vin+，另一端接地；所述L2的一端接输入电压Vin+，另一端与所述C2的一端、所述Q2的漏极、所述Q1的漏极分别相连；所述C2的另一端接地；

所述Q2的源极与所述Q4的漏极相连，所述Q1的源极与所述Q3的漏极相连；所述Q4的源极、所述Q3的源极分别接地；

所述Q1的栅极VG1、Q2的栅极VG2、Q3的栅极VG3、Q4的栅极VG4分别与所述全桥控制器的VG1、VG2、VG3、VG4相连，所述全桥控制器的FB端与所述电压反馈电路的FB端相连；

所述Q2源极与所述Q4漏极的公共端与所述变压器初级线圈的异名端相连，所述Q1的源极通过所述L3与所述变压器初级线圈的同名端相连；

所述变压器二次线圈的同名端分别与D1的正极、D2的正极相连，所述变压器二次线圈的异名端接电流取样端，并依次通过所述R1、C1接输出电压VO+；所述R1、C1的公共端接地；

所述D1的负极、所述D2的负极分别通过所述L1接输出电压VO+。

6.根据权利要求4所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述电压反馈电路包括：光耦合器IC3、电阻R8、共阳极二极管D3、运算放大器IC2B、电阻R11、电容C6、电阻R9、电阻R10、电阻R12，

所述光耦合器IC3的集电极FB端与所述功率模块电路的FB端相连，所述IC3的发射极接地；

所述IC3的正极通过电阻R8接电源电压，所述IC3的负极与D3的正极相连；

所述D3的一个负极OCP端与所述电流控制电路的OCP端相连，所述D3的另外一个负极依次通过R11、C6、R10与所述R9、所述R12的公共端相连，所述R9还与输出电压VO+相连，所述R12还接地；

所述IC2B的正输入端接通基准电压VoltageControl，所述IC2B的负输入端与C6、R10的公共端相连。

7.根据权利要求4所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述电流控制电路包括：电阻R5、电容C4、电阻R2、运算放大器IC2A、电阻R6、电阻R7、电容C5、电阻R4、运算放大器IC1A，

所述R5的一端接电流取样端CURRENT，另一端与所述C4、所述R2、所述IC2A负输入端的公共端相连，所述C4、所述R2、所述IC2A的输出端的公共端依次通过R6、R7、C5与所述电压反馈电路的OCP端相连；所述IC2A的正输入端接地；

所述IC1A的负输入端与所述R6、R7的公共端相连，所述IC1A的正输入端通过所述R4连接基准电流CurrentControl，所述IC1A的输出端与所述电压反馈电路的OCP端相连。

8.根据权利要求4所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述功率调节电路包括：D/A转换器、电阻R14、电阻R13、运算放大器IC4A，

所述D/A转换器的输入端D0～D7分别与LED路灯相连，VOUT端依次通过R14、R13连接基准电流CurrentControl；

所述IC4A的负输入端与所述R14、R13的公共端相连，正输入端接地，输出端连接基准电流CurrentControl。

9.根据权利要求1所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备，其特征在于，所述LED路灯包括：通信单元、驱动控制电路、光强检测电路、LED发光单元，

所述通信单元、所述光强检测电路、所述LED发光单元分别与所述驱动控制电路相连；

所述光强检测电路监测LED路灯所在位置的光强度，并通过所述通信单元上报给所述驱动控制电路，所述驱动控制电路根据所述光强度开启或关闭所述LED发光单元。

10.一种基于直流供电的灯桩一体化功率调节系统，其特征在于，包括：外部直流供电网以及多个如权利要求1-9任意一项所述的基于直流供电的灯桩一体化功率调节设备。