CN103762703B - 电动汽车充储放一体化充电站及充放电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车充储放一体化充电站，包括AC/DC变流器、双向DC/DC变流器、储能堆和单向DC/DC变流器；所述AC/DC变流器的交流侧与电网相连，将来自电网的交流电转换成直流电，输送给母线；所述双向DC/DC变流器一端与母线相连，另一端与储能堆相连，实现储能堆与母线之间的双向能量传输；所述单向DC/DC变流器为电动汽车提供电源，将母线上的直流电输送给电动汽车；所述储能堆用于存储电能，通过双向DC/DC变流器实现自充放电。本发明在保证电动汽车正常充电基础上，改善了充电系统与储能系统的连接方式及储能堆的充放电方式，能有效地降低充电站的充电峰值负荷、平滑充电负荷曲线，并实现了对储能电池的浅充浅放，降低充电站的配电容量和延长动力电池的循环寿命。

Description

电动汽车充储放一体化充电站及充放电方法

技术领域

本发明涉及一种由电池组向负载供电领域，具体涉及一种电动汽车充储放一体化电站及充放电方法。

背景技术

目前，国内电动汽车的推广应用大多停留在公共领域，例如，客车、出租车、环卫车等公务用车，这些电动汽车主要在白天运行，导致白天充电期间，充电负荷叠加于电网高峰负荷，使得电网负荷进一步增大。同时，电动汽车动力电池充电容量达到80％以下时，将从电动汽车上退役，但此部分电池可作为储能使用。

因此，为降低电动汽车充电对电网负荷的冲击和实现动力电池的梯级利用，各地纷纷建设一定容量的储能堆，实现充电站充放储一体化。

中国申请号201210279995.0的专利公开了一种电动汽车充放储一体化系统，此系统在实现换电的同时，实现了储能系统与电网间的放电和动力电池的梯级利用。但此种充放电方式存在的问题是，直接与电网互动进行削峰填谷要求储能系统容量足够大，否则效果并不明显。同时，与电网互动过程复杂。

中国申请号201210514524.3的专利公开了一种电动汽车充放储一体化电站功率流动三级变流装置，此装置解决了不同类型电池不能“因池而异”的充电技术问题，实现了电池组均衡的充电。但此装置存在的问题是，增加了只有一种电池类型的充电站建设成本，适用性差。同时，并未解决充电站充电时对电网产生的负荷冲击问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电动汽车充储放一体化电站充放电方法，有效地降低充电站的峰值功率、平滑充电站的功率和实现电动汽车动力电池梯次利用。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，电动汽车充储放一体化充电站，包括AC/DC变流器、双向DC/DC变流器、储能堆和单向DC/DC变流器；所述AC/DC变流器的交流侧与电网相连，将来自电网的交流电转换成直流电，输送给母线；所述双向DC/DC变流器一端与母线相连，另一端与储能堆相连，实现储能堆与母线之间的双向能量传输；所述单向DC/DC变流器为电动汽车提供电源，将母线上的直流电输送给电动汽车；所述储能堆用于存储电能，通过双向DC/DC变流器实现自充放电。

进一步，所述储能堆由多个电池组串关联而成。

进一步，所述储能堆为新电池或电动汽车退役动力电池。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的，电动汽车充储放一体化充电站充放电方法，根据电网昼夜负荷峰谷差特性、充电站的充电负荷需求和配电容量以及AC/DC变流器的功率大小，确定充电站的目标平滑负荷；电动汽车充电期间，当充电负荷需求小于目标平滑负荷时，AC/DC变流器同时向电动汽车和储能堆充电；当充电负荷需求等于目标平滑负荷时，AC/DC变流器只向电动汽车充电；当充电负荷需求大于目标平滑负荷时，由储能堆和AC/DC变流器一起向电动汽车充电。

进一步，所述AC/DC变流器同时向电动汽车和储能堆充电时，优先保证电动汽车充电，电力富裕的前提下，通过调节双向DC/DC变流器的电压，使得剩余电力能够通过双向DC/DC变流器向储能堆充电。

进一步，所述储能堆和AC/DC变流器一起向电动汽车充电时，根据储能堆的储能量和充电高峰时段长短，控制AC/DC变流器的输出功率，不足电力由储能堆通过双向DC/DC变流器放电。

进一步，双向DC/DC变流器充放电过程中，能够动态跟随充电站的充电负荷需求的变化，实现储能堆的浅充浅放；

所述目标平滑负荷的确定方法为：

以母线汇合点为参考点，注入母线方向为正，流出母线方向为负，则有

0＜P_i1≤P_i10(1)

–P_i20＜P_i2≤P_i20(2)

由AC/DC变流器、双向DC/DC变流器和单向DC/DC变流器构成的电路中，任意时刻注入母线的功率代数和为零，即存在功率平衡，相应关系式表达为

P_i1+P_i2+P_t＝0(3)

则(3)式可转换为

P_i1＝–(P_i2+P_t)(4)

P_i1为AC/DC变流器的功率，P_i10为其最大输出功率，P_i2为双向DC/DC变流器的功率，其双向可接受的功率大小均为P_i20，P_t为充电站的日负荷功率，以上功率全为瞬时值，均有大小和方向；

建立以P_t为纵轴、P_i2为横轴的二维坐标系，并将(1)、(2)、(4)式在此坐标系中进行表示；

由坐标系初步确定充储放一体化充电站中储能堆充电和放电时AC/DC变流器、双向DC/DC变流器和单向DC/DC变流器三者间的功率协调范围，

直线P_i10＝﹣(P_i2+P_t)、直线P_i2+P_t＝0、直线P_i20和该坐标系纵轴围成的区域表示储能堆放电时的功率协调范围，直线P_i10＝﹣(P_i2+P_t)、直线-P_i20和该坐标系横轴、纵轴围成的区域表示储能堆充电时的功率协调范围；

作经过充电站的日负荷功率曲线P_t的最高点并与横轴平行的直线，此直线与直线P_i20相交于一点；作经过此点并与直线P_i2+P_t＝0平行的直线P_i2+P_t＝﹣P_F，设此直线与纵轴相交于一点，作经过此点与横轴平行的直线，此直线则为目标平滑负荷-P₀₁的初步值；

进一步地，将日负荷功率曲线P_t按自各峰值负荷对应时刻起，按Δt的时间间隔等分，并将日负荷功率曲线P_t按时间点延长线进行网格化处理，从而计算目标平滑负荷为-P₀₁时，削减各峰值所需电量之和W，即

$W={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n|P_i-P_{01}|\mathrm{\Δ}t---\left(5\right)$

Δt视实际情况进行设置，Δt越小则(5)式计算越精确，P_i表示等分点对应的负荷值，

若所需电量之和W小于或等于20％W_i2，以此目标平滑负荷替代之前的目标平滑负荷的初步值，并定为最终的目标平滑负荷；若所需电量之和W大于20％W_i2，则将目标平滑负荷-P₀₁以ΔP向P_t的负方向移动，继续按(5)式进行计算，找出所需电量等于或小于逼近20％W_i2时的目标平滑负荷；ΔP表示Δt内目标平滑负荷-P₀₁向纵轴移动的量，W_i2为储能堆容量。

与现有技术相比，本发明提供的一种电动汽车充储放一体化电站及充放电方法，在保证电动汽车正常充电的基础上，改变了充电系统与储能系统的连接方式及充电站的充放电方式，能有效地降低充电站的充电峰值负荷、平滑充电负荷，并实现了对储能电池的浅充浅放，从而降低充电站的配电容量和延长动力电池的循环寿命。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为电动汽车充储放一体化电站的结构图；

图2为电动汽车充储放一体化电站的充放电方法控制示意图；

图3为当充电负荷小于目标平滑负荷时电动汽车充储放一体化电站的充放电方法的示意图；

图4为当充电负荷等于目标平滑负荷时电动汽车充储放一体化电站的充放电方法的示意图；

图5为当充电负荷大于目标平滑负荷时电动汽车充储放一体化电站的充放电方法的示意图；

图6为充电站的充放电功率协调区域图；

图7为平滑负荷确定图；

图8平滑负荷修正图；

图9充储放过程储能堆充放电曲线。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为电动汽车充储放一体化电站的结构图；图2为电动汽车充储放一体化电站的充放电方法控制示意图；图3为当充电负荷小于目标平滑负荷时电动汽车充储放一体化电站的充放电方法的示意图；图4为当充电负荷等于目标平滑负荷时电动汽车充储放一体化电站的充放电方法的示意图；图5为当充电负荷大于目标平滑负荷时电动汽车充储放一体化电站的充放电方法的示意图。

如图1所示，电动汽车充储放一体化充电站，包括AC/DC变流器、双向DC/DC变流器、储能堆和单向DC/DC变流器；所述AC/DC变流器的交流侧与电网相连，将来自电网的交流电转换成直流电，输送给母线；所述双向DC/DC变流器一端与母线相连，另一端与储能堆相连，实现储能堆与母线之间的双向能量传输；所述单向DC/DC变流器为电动汽车提供电源，将母线上的直流电输送给电动汽车；所述储能堆用于存储电能，通过双向DC/DC变流器实现自充放电。

所述储能堆由多个电池组并联而成；所述储能堆为新电池或电动汽车退役动力电池，其容量可根据削峰和平滑负荷的需求定。

所述AC/DC变流器的功率大小视充电站的充电需求定，所述双向DC/DC变流器的功率大小视参与削峰的比例定，所述单向DC/DC的功率大小视电动汽车的充电需求定。

基于上述充电站，本发明还提供一种电动汽车充储放一体化充电站的充放电方法，根据电网昼夜负荷峰谷差特性、充电站的充电负荷需求和配电容量以及AC/DC变流器的功率大小，确定充电站的目标平滑负荷。电动汽车充电期间，当充电负荷需求小于目标平滑负荷时，AC/DC变流器同时向电动汽车和储能堆充电，其充放电示意图如图3所示。当充电负荷需求等于目标平滑负荷时，AC/DC变流器只向电动汽车充电，其充放电示意图如图4所示。当充电负荷需求大于目标平滑负荷时，由储能堆和AC/DC变流器一起向电动汽车充电，其充放电示意图如图5所示。

所述AC/DC变流器同时向电动汽车和储能堆充电时，优先保证电动汽车充电，电力富裕的前提下，通过调节双向DC/DC变流器的电压，使得剩余电力能够通过双向DC/DC变流器向储能堆充电。

所述储能堆和AC/DC变流器一起向电动汽车充电时，根据储能堆的储能量和充电高峰时段长短，控制AC/DC变流器的输出功率，不足电力由储能堆通过双向DC/DC变流器放电。

双向DC/DC变流器充放电过程中，能够动态跟随充电站的充电负荷需求的变化，实现储能堆的浅充浅放；

假定AC/DC变流器的功率为P_i1，其最大输出功率为P_i10，双向DC/DC变流器的功率为P_i2，其双向可接受的功率大小均为P_i20(为计算方便，假设大小一样，实际情况中可以不一样)，储能堆容量为W_i2，削峰前整个充电站的日负荷功率为P_t，以上功率全为瞬时值，均有大小和方向，以母线汇合点为参考点，注入母线方向为正，流出母线方向为负，则有

0＜P_i1≤P_i10(1)

–P_i20＜P_i2≤P_i20(2)

由AC/DC变流器、双向DC/DC变流器和单向DC/DC构成的电路中，任意时刻注入母线与流出母线的功率代数和为零(流入母线为正，流出母线为负)，即存在功率平衡，相应关系式表达为

P_i1+P_i2+P_t＝0(3)

则(3)式可转换为

P_i1＝–(P_i2+P_t)(4)

目标平滑负荷的确定方法如下：

建立以P_t为纵轴、P_i2为横轴的二维坐标系，并将(1)、(2)、(4)式在此坐标系中进行表示；

由图形可初步确定此充储放一体化充电站中储能堆充电和放电时AC/DC变流器、双向DC/DC变流器和单向DC/DC三者间的功率协调范围，具体如图6所示，四边形ABOC构成储能堆放电时的功率协调范围，四边形CDEO构成储能堆充电时的功率协调范围。

初步确定平滑负荷：作经过充电站的日负荷功率曲线P_t的最高点并与水平轴平行的直线，设此直线与线段AB相交于F点，作经过此点并与直线P_i2+P_t＝0平行的直线P_i2+P_t＝-P_F，设此直线与线段CO相交于G点，作经过此点与水平轴平行的直线，此直线则为目标平滑负荷-P₀₁的初步值，结果如图7所示。

进一步地，将日负荷功率曲线P_t按自各峰值负荷点以Δt为时间间隔进行等分，如图8所示，并将日负荷功率曲线P_t按时间点延长线进行网格化处理，从而计算目标平滑负荷的为-P₀₁时，削减各峰值所需电量之和W，即

$W={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n|P_i-P_{01}|\mathrm{\Δ}t---\left(5\right)$

Δt可视实际情况进行设置，Δt越小则(5)式计算越精确。

若所需电量之和W小于或等于20％W_i2，以此目标平滑负荷替代之前的目标平滑负荷-P₀₁，并定为最终的目标平滑负荷；若此所需电量之和W大于20％W_i2，则将目标平滑负荷-P₀₁以ΔP向上移动，继续按(5)式进行计算，找出所需电量等于或小于逼近20％W_i2时的目标平滑负荷，ΔP表示Δt内目标平滑负荷-P₀₁向纵轴移动的量。充放电起始、结束时间为目标平滑负荷与日负荷功率曲线P_t交点。

相应的充储放策略执行过程如下：

储能堆利用晚上24:00以后的低谷电通过AC/DC变流器进行充电，并充满。白天电动汽车充电功率达到a点时，储能堆开始放电，放电曲线如图9所示第一部分，放电至b点结束。随后按图4所示第二部分的充电曲线进行充电，充至c点结束。第二次放电从c点开始，至d点结束。

所述充电过程中，按式(5)计算，若充电电量大于20％W_i2时，充电期间的目标平滑负荷可稍许向下移动，但需保证储能堆充满。否则充至时间c点结束。

与现有技术相比，本发明提供的一种电动汽车充储放一体化电站及充放电方法，在保证电动汽车正常充电的基础上，改变了充电系统与储能系统的连接方式及充电站的充放电方式，能有效地降低充电站的充电峰值负荷、平滑充电负荷，并实现了对储能电池的浅充浅放，从而降低充电站的配电容量和延长动力电池的循环寿命。

与现有技术相比，本发明提供的一种电动汽车充储放一体化电站及充放电方法，在保证电动汽车正常充电的基础上，改善了充电系统与储能系统的连接方式及储能堆的充放电方式，能有效地降低充电站的充电峰值负荷、平滑充电负荷曲线，并实现了对储能电池的浅充浅放，从而降低充电站的配电容量和延长动力电池的循环寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.电动汽车充储放一体化充电站充放电方法，其特征在于：根据电网昼夜负荷峰谷差特性、充电站的充电负荷需求和配电容量以及AC/DC变流器的功率大小，确定充电站的目标平滑负荷；电动汽车充电期间，当充电负荷需求小于目标平滑负荷时，AC/DC变流器同时向电动汽车和储能堆充电；当充电负荷需求等于目标平滑负荷时，AC/DC变流器只向电动汽车充电；当充电负荷需求大于目标平滑负荷时，由储能堆和AC/DC变流器一起向电动汽车充电；

双向DC/DC变流器充放电过程中，能够动态跟随充电站的充电负荷需求的变化，实现储能堆的浅充浅放；

所述目标平滑负荷的确定方法为：

以母线汇合点为参考点，注入母线方向为正，流出母线方向为负，则有

0＜P_i1≤P_i10(1)

–P_i20＜P_i2≤P_i20(2)

由AC/DC变流器、双向DC/DC变流器和单向DC/DC变流器构成的电路中，任意时刻注入母线的功率代数和为零，即存在功率平衡，相应关系式表达为

P_i1+P_i2+P_t＝0(3)

则(3)式可转换为

P_i1＝–(P_i2+P_t)(4)

P_i1为AC/DC变流器的功率，P_i10为其最大输出功率，P_i2为双向DC/DC变流器的功率，其双向可接受的功率大小均为P_i20，P_t为充电站的日负荷功率，以上功率全为瞬时值，均有大小和方向；

建立以P_t为纵轴、P_i2为横轴的二维坐标系，并将(1)、(2)、(4)式在此坐标系中进行表示；

由坐标系初步确定充储放一体化充电站中储能堆充电和放电时AC/DC变流器、双向DC/DC变流器和单向DC/DC变流器三者间的功率协调范围，

直线P_i10＝﹣(P_i2+P_t)、直线P_i2+P_t＝0、直线P_i20和该坐标系纵轴围成的区域表示储能堆放电时的功率协调范围，直线P_i10＝﹣(P_i2+P_t)、直线-P_i20和该坐标系横轴、纵轴围成的区域表示储能堆充电时的功率协调范围；

作经过充电站的日负荷功率曲线P_t的最高点并与横轴平行的直线，此直线与直线P_i20相交于一点；作经过此点并与直线P_i2+P_t＝0平行的直线P_i2+P_t＝﹣P_F，设此直线与纵轴相交于一点，作经过此点与横轴平行的直线，此直线则为目标平滑负荷-P₀₁的初步值；

进一步地，将日负荷功率曲线P_t按自各峰值负荷对应时刻起，按Δt的时间间隔等分，并将日负荷功率曲线P_t按时间点延长线进行网格化处理，从而计算目标平滑负荷为-P₀₁时，削减各峰值所需电量之和W，即

$W={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\left|P_i-P_{01}\right|\mathrm{\Δ}t---\left(5\right)$

Δt视实际情况进行设置，Δt越小则(5)式计算越精确，P_i表示等分点对应的负荷值，

若所需电量之和W小于或等于20％W_i2，以此时目标平滑负荷替代之前的目标平滑负荷的初步值，并定为最终的目标平滑负荷；若所需电量之和W大于20％W_i2，则将目标平滑负荷-P₀₁以ΔP向P_t的负方向移动，继续按(5)式进行计算，找出所需电量等于或小于逼近20％W_i2时的目标平滑负荷；ΔP表示Δt内目标平滑负荷-P₀₁向纵轴移动的量，W_i2为储能堆容量。

2.根据权利要求1所述的电动汽车充储放一体化充电站充放电方法，其特征在于：所述AC/DC变流器同时向电动汽车和储能堆充电时，优先保证电动汽车充电，电力富裕的前提下，通过调节双向DC/DC变流器的电压，使得剩余电力能够通过双向DC/DC变流器向储能堆充电。

3.根据权利要求1所述的电动汽车充储放一体化充电站充放电方法，其特征在于：所述储能堆和AC/DC变流器一起向电动汽车充电时，根据储能堆的储能量和充电高峰时段长短，控制AC/DC变流器的输出功率，不足电力由储能堆通过双向DC/DC变流器放电。