CN104135049B - 一种电动汽车智能充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车智能充电系统，通过该系统，可以检测电动汽车电池组的单体锂离子电池的状态，根据电池状态及配电网状态，进行均衡地、自适应地充电，该系统还设有滤波器，以减少充电过程中向配电网注入谐波。
Description
技术领域
本发明涉一种电动汽车智能充电系统。
背景技术
电动汽车可以减少人类对石油资源的依赖，随着全球石油资源日渐枯竭，与传统的燃油汽车相比，电动汽车备受青睐。电动汽车形成规模化应用后，将对充电设施发展和电网运行带来新的挑战：引发新的负荷增长；充电机中的整流装置等非线性元件的存在，造成大量电力谐波污染，导致电能质量日益恶化，加大配电网运行管理难度。
在智能电网背景下，对电动汽车充电实施智能管理，可避免电动汽车充电需求对电网造成的不利影响，并提高电网的运行效率。要想实现对电动汽车充电需求进行有效管理和利用就必须对充电负荷进行控制。
锂离子电池的高能量密度、无记忆效应、单节循环周期长等特点，使其具有较好的便携性，是目前最具发展前景的电动汽车动力电池。但由于制造工艺的限制，锂离子电池电压仅为3.0V-4.2V左右。为了构成高电压能量存储与供应装置，必须将多个锂离子电池串联构成电池组进行工作。对于组成电动汽车的锂离子电池组的锂离子电池单体，由于容量、内阻、以及使用条件及环境的变化，就会造成锂离子电池单体端电压不一致。正是由于单个电池的特性总存在差异，在充(放)电过程中容易造成部分锂离子电池单体过(欠)压，从而导致有的电池已经完全满充(放尽)而有的电池则还没有充满(放尽)。这就会严重影响电池的使用寿命，进而对锂离子电池组的整体使用和寿命造成不利影响，使得电池组性能达不到单电池原有水平,导致其使用寿命将会缩短数倍甚至十几倍。为了延长电动汽车锂离子电池组的使用寿命，必须使所有的电池均保持在同样的充放电深度。因此，需要建立锂离子电池组能量均衡系统，对串联锂离子电池组中各个单体锂离子电池的能量进行均衡管理，充分发挥电池组中各单体电池的能力，延长电池组整体使用寿命。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种电动汽车智能充电系统，通过该系统，可以检测电动汽车电池组的单体锂离子电池的状态，根据电池状态及配电网状态，进行均衡地、自适应地充电，该系统还设有滤波器，以减少充电过程中向配电网注入谐波。
为了实现上述目的，本发明提供一种电动汽车智能充电系统，该系统包括：
电动汽车电池检测模块，用于实时检测电动汽车的各个电池组的充电状态；
多个充电模块，用于对电动汽车的多个电池组进行充电；
充电管理模块，用于根据当前电池充电状态，控制上述每个充电模块对单个电池组的充电功率，以实现对各电池组的均衡充电；
交流/直流变换器，用于将配电网的交流电转换为直流电，并输入到上述各个充电模块；
谐波检测模块，用于实时检测充电系统注入配电网的谐波；
滤波模块，用于实时消除充电系统注入配电网的谐波；
无线通信模块，包括无线信号发出单元和无线信号接收单元，无线信号发出单元设置成与电动汽车电池检测模块相连，无线信号接收单元设置成与充电管理模块相连，无线信号发出单元将电动汽车电池检测模块检测到的各电池组充电状态发送给无线信号接收单元，由无线信号接收单元传递给充电管理模块。
优选的，各电池组，其并联连接在所述充电模块的电池端，通过所述充电模块进行充电。
优选的，所述充电管理模块包括控制器和与每个电池组对应的充电模块相连的均衡器，所述控制器根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器根据指令来控制与各充电模块对各电池组的充电功率，其中电池组的充电信息由所述无线通信模块来传递。
优选的，所述智能充电系统可实现能量的双向流动，即交流/直流变换器的连接各个充电模块的总线可通过各个充电模块为各电池组充电，各电池组也可将能量通过各自的充电模块反馈给上述总线，从而将电能冲给其他电池组，可实现不同物理位置的两个电池组之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换。
优选的，所述滤波模块由C型滤波器和有源滤波器通过耦合变压器连接而构成，与多个充电模块并联。
优选的，所述电动汽车电池检测模块，具有检测各电池组的充电电流的高精度电流传感器以及微处理器，所述高精度电流传感器将充电电流信号发给所述微处理器，所述微处理器根据充电电流信号确定充电时间、充电功率，并通过无线通信模块，将充电时间和充电功率发送给充电管理模块。
本发明提供的电动汽车充电系统具有如下优点：(1)可以实时的检测各电池组的充电情况，并对各电池组进行均衡充电，优化充电过程，避免在充电过程中对单个电池组的冲击。(2)实时检测和滤除充电系统给配电网带来的谐波，减少充电系统对配电网的危害；(3)在电池和充电控控制模块之间采用无线通信，减少系统的接线，提高了控制的可靠性。
附图说明
图1示出了本发明的电动汽车充电系统的框图；
图2示出了图1中系统中的充电管理模块、充电模块及无线通信模块的组成；
图3示出了图1中系统中的滤波模块的具体组成。
具体实施方式
图1是示出了根据本发明的一种电动汽车智能充电系统的框图，该电动汽车智能充电系统包括：与配电网1连接交流/直流变换器2，用于将配电网1的交流电转换为直流电，所述交流/直流变换器2包括电流变换模块和PWM脉宽调制模块，所述电流变换模块将输入的220V市电经整流变换得到一定的充电电流，所述PWM脉宽调制模块根据控制信号，来控制交流/直流变换器2的输出；谐波检测模块4，用于实时检测充电系统注入配电网的谐波；滤波模块4，用于实时消除充电系统注入配电网1的谐波；多个充电模块5，用于对电动汽车的多个电池组进行充电；充电管理模块6，用于根据当前电池充电状态，控制上述每个充电模块5对单个电池组的充电功率，以实现对各电池组的均衡充电；电动汽车电池检测模块8，用于实时检测电动汽车的各个电池组的充电状态；无线通信模块7，用于电动汽车电池检测模块7和充电管理模块6之间的通信。
图2示出了图1中系统中的充电管理模块、充电模块及无线通信模块的组成。充电管理模块6包括控制器61和均衡器1-n。多个充电模块5包括分别与电池组1-n对应的充电模块1-n。所述均衡器1-n分别对应，所述控制器61根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器1-n根据指令来控制与充电模块1-n对电池组1-n的充电功率，其中电池组1-n的充电信息由所述无线通信模块7来传递。所述充电模块1-n由双向电子开关组成。所述均衡器1-n可为PWM信号发生器，用于向充电模块1-n的双向电子开关发出控制信号，以控制所述双向电子开关的开断。所述电子双向开关，可以采用本领域成熟的任何能实现电能双向流动的电子开关。
所述无线通信模块7包括无线信号发出单元和无线信号接收单元，无线信号发出单元设置成与电动汽车电池检测模块8相连，无线信号接收单元设置成与充电管理模块6的控制器61相连，无线信号发出单元将电动汽车电池检测模块8检测到的各电池组充电状态发送给无线信号接收单元，由无线信号接收单元传递给充电管理模块6的控制器61。所述电池组充电状态，包括当前充电电压，充电电流，充电时间，电池温度以及SOC值等。
电池组1-n，并联连接在所述充电模块1-n的电池端，通过所述充电模块1-n分别进行充电。所述电池组1-n优选为锂电池组。
所述智能充电系统可实现能量的双向流动，交流/直流变换器2的连接各个充电模块的总线21可通过充电模块1-n为电池组1-n充电，电池组1-n也可将能量通过各自的充电模块1-n反馈给上述总线，从而将电能冲给其他电池组，以实现不同物理位置的两个电池组之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换。这将有利于提高电池组整体能量均衡效率和均衡速度。
图3示出了本发明的滤波模块3的具体组成，所述滤波模块3由C型滤波器31和有源滤波器(AFC)33通过耦合变压器32连接而构成，与多个充电模块并联。在达到减少谐波的目的的同时，可以实现调压、无功补偿等多种功能。有源滤波器为智能功率模块构成的电压型逆变器，解决谐波动态补偿问题。耦合变压器实现有源滤波器和无源滤波器的电气隔离，并根据两者的电压、电流等级来选择合适的变比。无源滤波器主要由单调谐滤波器组成，利用电感和电容在特征谐波频率处阻抗很小的特点，将负载中的该次谐波电流引入单调谐滤波器。
谐波检测模块4和滤波模块3可以采用如下方式协同工作，所述谐波检测模块由电流传感器、电压传感器、DSP芯片、微处理器构成，本领域技术人员可以参考DSP芯片和不同型号的微处理器数据手册进行连接谐波检装置，不在赘述。微处理器内编写双阶段间谐波检测程序，由滤波模块3输出的模拟信号由DSP芯片处理后成为数字信号，输入微处理器进行双阶段谐波检测方法运算，然后再进过DSP芯片进行数模转换后，输入带滤波模块处理间谐波分量。通过采用双阶段间谐波检测方法实现，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其从原信号中滤除掉；第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取间谐波分量，从而去除该间谐波分量；具体如下：
a、谐波分量的检测和滤除：
信号中谐波频率成分x(n)，由式(1)表示
xw(n)＝x(n)*w1(n)………………………………………………….(1)
式(1)中：n＝0，1，2，……；xw(n)为加窗截断后序列；w1(n)为第一阶段谐波检测选取的窗函数；
式(1)中信号的谐波频率成分x(n)可以表示为谐波分量xH(n)和间谐波分量xl(n)之和，则式(1)由式(2)表示
xw(n)＝[xH(n)+xl(n)]*w1(n)＝xH(n)*w1(n)+xl(n)*w1(n)…………(2)
式(2)中，xH(n)为理论计算的谐波分量，
根据式(2)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的谐波分量xH1(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除；
b、间谐波分量的检测和滤除：
通过步骤a后，信号中谐波频率成分x(n)，由式(3)表示
x’w(n)＝[xH(n)-xH1(n)+xl(n)]*w2(n)……………………………….(3)
式中：x’w(n)为滤除谐波分量计算值后序列；w2(n)为第二阶段谐波检测选取的窗函数；
要保证第一阶段a的计算精度，即要求εH＝xH(n)-xH1(n)尽量小，将εH＝0简化处理后，则式(3)由式(4)表示
x’w(n)＝xl(n)*w2(n)………………………………………………(4)
根据式(4)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的间谐波分量xl(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除。
所述电动汽车电池检测模块8，具有检测各电池组的充电电流的高精度电流传感器以及微处理器，所述高精度电流传感器将充电电流信号发给所述微处理器，所述微处理器根据充电电流信号确定充电时间、充电功率，并通过无线通信模块7，将充电时间和充电功率发送给充电管理模块6。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种电动汽车智能充电系统，其特征在于，该系统包括：
电动汽车电池检测模块，用于实时检测电动汽车的各个电池组的充电状态；
多个充电模块，用于对电动汽车的多个电池组进行充电；
充电管理模块，用于根据当前电池充电状态，控制每个充电模块对单个电池组的充电功率，以实现对各电池组的均衡充电；
交流/直流变换器，用于将配电网的交流电转换为直流电，并输入到上述各个充电模块；
谐波检测模块，用于实时检测充电系统注入配电网的谐波；
滤波模块，用于实时消除充电系统注入配电网的谐波；
无线通信模块，包括无线信号发出单元和无线信号接收单元，无线信号发出单元设置成与电动汽车电池检测模块相连，无线信号接收单元设置成与充电管理模块相连，无线信号发出单元将电动汽车电池检测模块检测到的各电池组充电状态发送给无线信号接收单元，由无线信号接收单元传递给充电管理模块；
各电池组，其并联连接在所述充电模块的电池端，通过所述充电模块进行充电；
所述充电管理模块包括控制器和与每个电池组对应的充电模块相连的均衡器，所述控制器根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器根据指令来控制与各充电模块对各电池组的充电功率，其中电池组的充电信息由所述无线通信模块来传递；
所述智能充电系统可实现能量的双向流动，即交流/直流变换器的连接各个充电模块的总线可通过各个充电模块为各电池组充电，各电池组也可将能量通过各自的充电模块反馈给上述总线，从而将电能冲给其他电池组，可实现不同物理位置的两个电池组之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换；
所述滤波模块由C型滤波器和有源滤波器通过耦合变压器连接而构成，与多个充电模块并联；
所述电动汽车电池检测模块，具有检测各电池组的充电电流的高精度电流传感器以及微处理器，所述高精度电流传感器将充电电流信号发给所述微处理器，所述微处理器根据充电电流信号确定充电时间、充电功率，并通过无线通信模块，将充电时间和充电功率发送给充电管理模块。
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