CN102906959A - 用于电动车辆的充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电动车辆的充电系统，包括具有用于与至少一个电动车辆功率交换的接口的至少一个充电端口，至少一个功率转换器，用于将来自诸如电力网的功率源的功率转换成适当格式以便对所述车辆充电，其中，所述功率转换器处于远离充电端口的位置处，诸如单独房间和/或单独建筑物。

Description

用于电动车辆的充电系统
技术领域
本发明涉及一种用于电动车辆的充电系统。特别地，本发明涉及其中可以对多个进行车辆充电的背景，类似于用于具有内燃机的车辆的正规加油站处的情况。
背景技术
随着电动车辆的日益流行，对充电站的需要随之增加，并且每个可用充电端口所需的总功率以及在多个端口的情况下的其总功率消耗也是如此。
发明内容
大的功率消耗要求具有增加的功率容量的功率转换器以及因此较大的冷却设施，以防止其部件的损坏，例如过热。采用用于每个能量交换端口的（强制）冷却设施，充电系统（或充电站）将变成具有低能量效率的噪声环境。因此，本发明的目的是提供一种用于此目的的具有多个端口的有利的充电系统。
从现有技术可知具有多个充电端口的充电站。实现该方法的一个方式是通过使用后面是DC总线的AC/DC转换器，充电端口被连接到该DC总线。其缺点是不能同时对多个车辆充电，因为通常每个车辆具有不同的引入电压（inlet voltage）。为了能够同时对电动车辆充电，在每个充电端口前面放置DC/DC转换器，这将增加多端口充电站的成本。
另外，提出了一种用于电动车辆的充电系统，包括多个充电端口，每个具有用于与至少一个电动车辆的功率交换的接口、用于将来自诸如电力网的功率源的功率转换成用于对车辆充电的适当形式的多个功率转换器、用于将至少一个功率转换器连接到至少一个充电端口的可切换连接矩阵、用于控制功率转换器中的至少一个和/或用于控制功率转换器和连接矩阵的切换操作的至少一个控制器以及用于与所述至少一个电动车辆交换参数的通信装置。
根据本发明的系统提供了多个优点。首先，多端口（至少一个，但优选地多个端口）系统的优点是其用较少的硬件提供了改善的功能，并且其更容易用额外连接来升级且更便宜。
在优选实施例中，功率转换器和连接矩阵处于远离充电端口的远程位置处，诸如单独房间和/或单独建筑物。
使功率转换器在远程位置处的优点是更容易用更多的功率（不需要挖掘（digging））升级，能量交换端口更容易配合到用户位置，并且如果将功率转换器放置在受调节房间中的话，存在对功率转换器的较少技术要求（尤其是在尺寸方面）。充电位置在充电容量的扩展期间将不受干扰。
实现了可切换连接矩阵以便以至多一个端口被连接至转换器的方式将每个充电端口同时地耦合至许多的所述多个转换器。这意味着该矩阵使得可以将每个充电端口同时地连接至一个或多个功率转换器，或者完全不连接。可以将转换器同时连接到至多一个充电端口。
本发明的优点是能够相互独立地扩展功率转换器、矩阵和充电端口，充电端口和功率模块的数目不必与充电站被扩展时相等。可以将充电站安装在一个位置处，并且可以根据其被使用的频率而扩展或者甚至降级。一个方案可以是并不非常频繁地使用充电站，并且由于其在远离其他站的位置处，所以到达的车辆将具有低充电状态。在这种情况下，我们需要具有一个充电端口和高功率容量的充电站。穿越时间在附近建立了新的城市，这将导致更多的电动车辆以中间充电状态访问充电柱。然后将充电站修改成具有更多充电柱且具有相同或较小功率容量的配置将是明智的。本发明将在荷兰专利申请NL 2004279中描述的背景下使用，这将使得本发明能够记录充电会话。基于所记录的充电会话，服务器可以判定改变功率容量或充电端口的数目。本发明的另一优点是充电端口不具有公共接地，这意味着当不止一个电动车辆被连接至充电器时，其将被电隔离，这是EV制造商所期望的。期望车辆之间的电隔离的另一原因是因为：在同一电路中具有不止一个隔离监视器将降低隔离监视器的灵敏度。
在用户可对其车辆充电的能量交换端口处，存在较少的噪声、视觉干扰或（暖）空气不便。
根据本发明的系统在远程位置包括多个功率转换器时变得更加高效。在这种情况下，转换器共享冷却系统和位置（的一部分），可以将其设计成模块化的，并且总转换器可以适合于所有端口的总功率消耗。
在实施例中，远程位置包括气候调节，诸如基于空气或液体的冷却系统、热泵系统或热交换系统，以使热量远离功率转换器，或者如果温度下降到某个阈值以下，将受调节房间内的系统加热。冷却系统可以是向受调节房间吹入或从其中吹出空气的风扇。并且，冷却系统可以是两部分系统，诸如热泵系统。可以从功率转换器或房间提取热量并将其运送（例如用流体或空气）至在受调节房间外面的冷却系统的第二部分。这样，可以更容易地将功率转换器系统升级。
此类第二部分用于与外界交换热量，出于此目的，其可以在充电站的屋顶或充电站附近的建筑物（商店）的顶部上以防止噪声和热风打扰用户。
该冷却可以是变电室的一部分或者放置在其上面。可以将来自功率转换器的热量用于其他目的，诸如建筑物的加热或水的加热。可以将热量传递至储库，诸如热水箱或地下储热库。
受调节房间可以是工业用柜、建筑物、建筑物的一部分或维修间（例如只有被授权人员可进入），受调节房间不可通过门进入或者具有带着锁的门是可以的。
术语受调节在这里特别地意指其至少针对雨或太阳受到防护。受调节房间可以是一个或多个变电室/建筑物。其可以具有用于电网连接变压器的单独隔间，或者可以在没有变压器的情况下使用功率转换器或变电室。并且，可以使用两个房间，一个具有变压器且另一个具有功率转换器。
受调节房间可以远离柱中的至少一个至少2米。
受调节房间可以在地下、在屋顶上，并且其特征可以在于这样的事实，即其提供增加系统的国际保护等级（如在国际标准IEC 60529中定义的）的壳体。这可以是因为受调节房间的墙壁中的开口小于功率转换器中的开口，或者在功率转换器与受调节房间的墙壁之间存在间隔以防止人触摸功率转换器。
受调节房间可以包括空调系统和/或加热器。当针对一个或多个转换器上的直接操作而不是整个房间来配置气候调节时，获得高效率。远程位置可以是变电室或其形成部分，并且可以将一个或多个转换器和变压器定位于远程位置内的单独房间中。
替换地，可以将功率转换器放置在外面，或者在多个能量交换端口的情况下，在端口中的一个的内部或在充电端口中的一个的下面（在其基础中）。术语端口在这里用来指示与停在充电站处的作为物理设备的车辆交换能量的功能。
功率转换器可以是具有一个或多个AC或DC输入和一个或多个AC或DC输出的单向或多向转换器。在优选实施例中，可以独立地控制这些输出。在单功率转换器的情况下，功率转换器将具有至少两个输出。在多功率转换器的情况下，转换器的输出将被连接至连接矩阵。该连接矩阵具有多个输入和多个输出。在相同申请人的荷兰专利申请NL 2004279中描述了用于根据本发明的系统的适当功率转换器的各种配置，其被通过引用结合到本文中。
受调节房间还可以包含一个或多个储能系统，诸如电池系统、电容器系统、飞轮或能够储存能量的任何其他系统。可以将这些储能系统耦合至功率转换器以递送临时峰值功率或在方便的时候储存电。在特定实施例中，可以使用存在于受调节房间中的冷却系统来将储能系统冷却或加热或使其保持在某个定义温度。这对储存介质的寿命可能非常有益，尤其是在电池的情况下。当温度下降至某个阈值以下时，还可以将受调节房间或存在于受调节房间中的系统加热。
在优选实施例中，用可以位于远程位置内的可切换连接矩阵将许多功率转换器耦合至许多充电端口。还在荷兰专利申请NL 2 004 279中更详细地描述了此类连接矩阵。
在优选实施例中，连接矩阵具有四个输出连接，并被设计成每个连接传递某个最大量的功率，例如50kW。同时，可以将一个功率转换器设计成递送最大量的功率，也例如50kW。当在现场操作时，矩阵将从转换器接收最大的50kW，并将使此50kW分布在4个输出上。当通过添加第二转换器来使功率转换器升级时，同样用50kW的功率导致100kW的组合功率。这可以意味着连接矩阵的功率极限仍是每个连接50kW。在这种情况下，将只有由4个输出递送的平均功率增加。在上述情况的另一优选实施例中，一个人还可以将连接矩阵升级以递送每个输出更多的功率，例如100kW。这可以通过在连接矩阵内添加和/或替换部件（诸如保险丝）或通过完全替换连接矩阵来完成。
根据任何上述实施例的充电系统可以包括控制器，其被操作以在热量被用于其他目的的情况下控制所产生的热量的量。当外部系统需要热量时（例如以热水的形式），可以例如暂时增加电池的充电速度。在该情况下，通过控制输出功率来控制所产生的热量。
可以经由因特网将此类控制器耦合至一个或多个转换器、一个或多个连接管理器、一个或多个连接矩阵以及储能系统。控制器可以基于本地决策规则使到连接矩阵的每个输出的功率流优化并影响该功率流。
此外，可以为其装配至少一个连接管理器，所述连接管理器被配置成控制到至少一个端口的能量供应的安全设置。优选地，每个端口包括连接管理器，但是可以想象一个连接管理器服务于多个能量交换端口。
该连接管理器可以用来使充电端口适合于诸如CHAdeMO或J1772的充电标准。例如，在通信管理器中可以包括安全系统和通信硬件。
在相同申请人的荷兰专利申请NL 2 004 350中更详细地描述了此类连接管理器。
总系统还可以包含特殊系统或方法以补偿远程充电柱与受调节房间之间的电缆的长度。随着导线变得更长，系统将在电缆上经历诸如电压降的负面影响。解决此问题的一个方法是使用具有大直径的电缆。在某些情况下，这可能由于较粗电缆的额外成本而不是优选的。因此，可以使用另一方法，诸如控制系统的使用，其基于接近于充电端口的测量电压来控制功率转换器的输出电压。这可以经由在充电柱内部或接近于充电柱的测量设备或者经由到车辆内部的测量设备（诸如BMS系统）的数据通信链路来实现。
用于操作开关矩阵的方法包括步骤：基于至少一个参数向每个端口分配优先级、确定每个端口上所请求的功率、基于该优先级和所请求功率来在端口之间分布功率模块、每当发生事件时重复上述步骤。
执行上述方法的方式如下。每当发生事件时，控制器从基于参数向充电站的每个端口分配优先级开始。事件的某些非限制性示例是连接至充电站或从充电站断开连接的车辆、在基本上在充电期间或在用户改变充电偏好时改变的车辆的功率需求。所述参数可以是车辆的到达时间、车辆驾驶员所拥有的帐户的类型、由用户在系统中输入的用于优选开走的时间。每个端口上所请求的功率是由控制器确定的。功率模块基于端口的优先级和所请求功率被分布在端口之间。
其中应用上述方法的方案的示例如下。车辆一个接一个地耦合到充电站。第一个来的车辆获得最高优先级，并且最后来的车辆获得最低优先级。基于该优先级，第一车辆获得足够的功率模块以满足其功率需求，剩余模块（如果存在的话）基于其他端口（车辆）的优先级被分配给其他端口（车辆）。
在另一示例中，根据优先级，仅分布模块的一部分。这意味着许多模块被相等地分布在端口之间，剩余模块是根据优先级分配的。
附图说明
现在将参考以下附图来更详细地阐述本发明，在所述附图中：
图1a～d示出了现有技术；
图2示出了根据本发明的第一实施例充电系统；
图3示出了根据本发明的第二实施例充电系统；
图4示出了根据本发明的充电系统的第三实施例；
图5a～5d示出了根据本发明的功率系统的示意图；
图6a、6b示出了根据本发明的工序流程的流程图；
图7示出了充电站的优选实施例；
图8示出了具有连接矩阵的详细实施方式的根据本发明的另一实施例；
图9示出了具有连接矩阵的详细实施方式的根据本发明的另一实施例；
图10示出了本发明的实际实施方式。
具体实施方式
图1a示出了具有从现有技术已知的多个充电端口的充电站。其由后面是DC总线的AC/DC转换器组成，并且使用多个开关，充电端口和因此的车辆被连接到这里。其缺点是不能同时对多个车辆充电，因为每个车辆在其充电引入（charging inlet）上具有不同的电压。在现有技术中，使用DC/DC转换器以能够同时用不同的引入电压对电动车辆充电（图1b），这将增加多端口充电站的成本。
图1c示出了从现有技术已知的具有多个功率转换器的充电站。虽然功率转换器是模块化的且可以扩展功率容量，但不可能同时地对多个电动车辆充电。
图1d示出了从现有技术已知的多端口充电站。从此充电站可以同时对电动车辆充电，但是由于硬件配置，充电端口的数目始终等于功率模块的数目。
图2示出了根据本发明的第一实施例充电系统1，包括具有用于与至少一个电动车辆进行功率交换的接口2'～5'的充电端口2~5、用于将来自诸如电力网（未示出）的功率源的功率转换成用于对车辆充电的适当格式的功率转换器6、7 。功率转换器处于远离充电端口2～5的位置8处，由单独建筑物8形成。
建筑物8还包括接线盒9，其可以包括多个连接管理器，以及空位10和11，其意图供未来使用，例如当所需功率增加时。这样，可以在不要求对能量交换端口的修改的情况下扩展充电系统。
图3示出了根据本发明的充电系统的替换实施例20，包括能量交换端口21～24，其中，功率转换器25位于能量交换端口22中的一个下面。
图4示出了实施例30，其中，将连接管理器放置在充电端口31内的接线盒32内部，该接线盒32还包括控制器。本实施例具有优点，即在升级的情况下能够完全替换接线盒32（例如增加连接管理器的量）。由于控制器直接与连接管理器相关联，可以将控制器预编程以与正确数目的连接管理器协作。
图5a示出了接线盒44经由接口48被耦合到的充电端口43的实施例41。接线盒44包括与功率转换器45的相应接口49耦合的第二接口46。所述功率转换器包括用于在要求更多功率的情况下耦合附加功率转换器的接口49。
图5b示出了来自图4a的充电端口43的实施例42，其现在装配有附加功率转换器50。另外，功率转换器50包括接口51，并且其此外包括用于其他功率转换器的未来耦合的接口52。
图5c示出了另一示例，其中，存在第二充电端口57，其被耦合到第二接线盒54的接口56，其被耦合55至第一接线盒44。这样，可以由同一功率转换器45来对两个充电端口43、57进行供电。
图5d示出了又一示例，其中，充电端口43和47两者都被耦合至接线盒44的接口48，并且可以将其切换至被相应接口47、50和46耦合到接线盒44的功率转换器45或59。
图6a示出了具有本发明的使用流程图的第一示例。首先，车辆连接至能量交换端口1。其次，第二车辆连接至能量交换端口2。同时，利益相关者向数据处理设备或控制器发送信息。（利益相关者输入可以是任何东西：电池数据、电网数据、维修要求等。）再次，数据处理设备连同系统中的控制器一起基于诸如利益相关者输入、转换器的最大功率和规格、气候控制的规格、连接矩阵的规格、端口的规格以及关于车辆或其电池已知的数据和潜在的其他数据的参数来判定最佳充电策略和功率分布。
图6b示出了另一示例，其中，首先，车辆连接至能量交换端口。其次，第二车辆连接至能量交换端口。再次，系统中的本地控制器基于诸如转换器的最大功率和规格、连接矩阵的规格、气候控制系统的规格、端口的规格以及关于车辆或其电池已知的数据和潜在的其他数据的参数来判定充电策略和功率分布。
连接管理器可以是充电柱的一部分。可以将连接管理器和电缆和连接器从充电柱去除以便无缝地替换。当使用具有较少量充电柱的多输出功率转换器系统时，可以将多个输出连接至单个连接管理器。当升级至更高数目的充电柱时，可以将某些连接分离。在某些情况下，可以将单个连接管理器连接至多个充电柱或者可以将单个连接管理器连接至具有多个连接（充电电缆和充电连接器）的单个充电柱。
充电柱的主要特征是其位于与功率转换器相距一定距离处。其被放置为接近于用于车辆的一个或多个（停放）点（例如在加油站/充电站或商店处）。其可以在室内（例如停车库）。可以从底部或从顶部（图像中未示出）（从功率转换器）对充电柱供电。另外，例如用于充电柱内部的电子装置或用于AC充电插座的AC功率可以是可通过同一或另一连接获得的。
充电柱通常将具有电缆装卸系统和用于将连接器放置在安全且干燥的位置中的特征。
可以将诸如用户接口、支付终端、用户识别系统、用户输入系统或数字传输系统的子系统连接至作为被连接至充电柱的一个或多个电缆的一部分的通信线路。
能量交换端口可以具有一个或多个充电连接器，其中，该连接器可以递送AC或DC充电电流或两者。
图7示出了其中多个功率转换器通过开关连接矩阵与充电端口相连的充电系统。通过使用开关连接矩阵，可以在不需要额外转换器的情况下同时地对多个电动车辆充电。连接矩阵是由控制器来控制的。关于充电会话的信息被从充电站发送至服务器，因此，服务器可以判定对充电站进行扩展还是降级。还可能的是服务器或控制器可以判定在故障的情况下将每个转换器模块或充电端口关断。
图8示出了放置在功率转换器与充电柱之间的连接矩阵的详细实施例。通过使开关闭合，可以将一个或多个功率转换器连接至充电柱。该矩阵使得可以在没有额外DC/DC转换器的情况下同时地对多个电动车辆充电。为了扩展功率转换器或充电柱的数目，还需要扩展该矩阵。可以通过添加每个包含两个开关的开关模块来扩展矩阵，所述开关是由本地控制器控制的。
图9示出了其中功率转换器通过开关连接矩阵的不同实施例与充电端口相连的另一充电系统。
图10示出了具有两个充电柱的充电站的三个配置。第一配置由20kW模块组成，第二个由10kw模块组成，并且第三个是两者的组合。每个转换器模块和充电端口可由开关来选择。连接管理器是在充电端口中实现的，并且其还包括被用于选择充电端口的几个开关。这样，使上述矩阵分布于整个充电配置上。连接管理器是包括用于与电动车辆通信的装置和用于将充电柱连接至电动车辆或断开连接的开关的设备。

Claims (15)

1.用于电动车辆的充电系统，包括：
—多个充电端口，每个具有用于与至少一个电动车辆进行功率交换的接口；
—多个功率转换器，用于将来自诸如电力网的功率源的功率转换成适当的格式以便对所述车辆充电；
—可切换连接矩阵，用于将至少一个功率转换器连接到至少一个充电端口；
—至少一个控制器，用于控制功率转换器中的至少一个和/或用于控制所述功率转换器和所述连接矩阵的切换操作；
—通信装置，用于与所述至少一个电动车辆交换参数。
2.根据权利要求1所述的充电系统，其中，所述至少一个功率转换器和所述连接矩阵在远离所述充电端口的位置处，诸如单独房间和/或单独建筑物。
3.根据权利要求1所述的充电系统，其中，所述远程位置包括至少一个功率转换器，在该同一转换器上具有至少两个DC输出。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统，其中，所述远程位置是变电室或其形成部分。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统，其中，所述远程位置此外包括储能系统，诸如电池系统、电容器系统或飞轮。
6.根据权利要求4所述的充电系统，其中，所述一个或多个转换器和所述变压器位于远程位置内的单独房间中。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统，其中，所述功率转换器在物理上被布置在充电端口下面。
8.根据权利要求1所述的充电系统，其中，所述控制器是所述连接矩阵中的内部控制器以控制所述连接矩阵的操作。
9.根据权利要求1和8所述的充电系统，其中，基于来自因特网连接系统或计算机实现方法的输入来控制所述连接矩阵。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的充电系统，其中，所述连接矩阵可以是可基于决策规则来控制的。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的充电系统，其中，所述控制器经由因特网和/或在远程位置处被耦合至所述一个或多个转换器。
12.根据权利要求8～11中的任一项所述的充电系统，其中，所述至少一个功率转换器包括至少一个连接管理器，所述连接管理器被配置成控制到至少一个端口的能量供应的安全设置。
13.根据权利要求12所述的充电系统，其中，每个端口包括连接管理器。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的充电系统，其中，所述总配置装配有用以补偿源自于充电端口与所述远程位置之间的电缆长度的影响（诸如电压降）的系统。
15.一种用于操作如权利要求1中所述的开关矩阵的方法，包括步骤：
a）基于至少一个参数向每个端口分配优先级，
b）确定每个端口上所请求的功率，
c）基于所述优先级和所请求功率在端口之间分布功率模块，
d）重复a～c的步骤。
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