CN106160144A - 一种家庭电动汽车用大功率快速充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种家庭电动汽车用大功率快速充电系统，其包括双向变流器、梯次电池组、电池能量管理系统以及上层计算机监控系统；所述双向变流器包括AC/DC变流模块和DC/DC变流模块；所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块通过直流母线相连，所述AC/DC变流模块交流输入侧与家庭单相电网相连，所述DC/DC模块直流输出侧与电动汽车相连；所述梯次电池组与AC/DC变流模块和DC/DC变流模块间的直流母线连接；所述双向变流器、电池能量管理系统、上层计算机监控系统通过数据线连接，共享状态信息。本发明提供的技术方案在家庭供电网络用电高峰时，能满足电动汽车的大功率快速充电需要，还能向家庭用电网回馈电能，以提高家庭用电的质量。

Description

一种家庭电动汽车用大功率快速充电系统

技术领域

本发明涉及电动汽车快速充电与储能领域，具体讲涉及一种家庭电动汽车用大功率快速充电系统。

背景技术

随着电池技术的发展，大功率快速充电系统成为当前电动汽车产业研究的热点。目前，制约电动汽车产业发展的因素主要有两个方面：一是电池本身；二是充电方式。现有电动汽车电池容量在24度到80度不等，在没有充电桩的情况下使用家庭空调插座充电耗时6到24个小时，严重制约了电动汽车的推广和使用效率；现在家庭用户供电网络容量小，且难以扩容，功率超过一定的阈值会引起跳闸。这些问题严重影响了供电质量和家庭电动汽车的使用效率。

为了解决这些问题，本发明提供了电动汽车快速大功率充电系统，克服现有技术中由于家庭电网功率不足、电动汽车充电时间过长的问题。

发明内容

为克服现有技术中对于电动汽车充电速度慢的问题，提高电动汽车使用效率，本发明提供一种适用于家庭电动汽车使用的大功率快速充电系统，显著提高电动汽车的使用效率。

本发明提供的家庭电动汽车用大功率快速充电系统，其改进之处在于，所述快速充电系统包括双向变流器、梯次电池组、电池能量管理系统以及上层计算机监控系统；

所述双向变流器包括AC/DC变流模块和DC/DC变流模块；

所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块通过直流母线相连，所述AC/DC变流模块交流输入侧与家庭单相电网相连，所述DC/DC模块直流输出侧与电动汽车相连；

所述梯次电池组与AC/DC变流模块和DC/DC变流模块间的直流母线连接；

所述双向变流器、电池能量管理系统、上层计算机监控系统通过数据线连接，共享状态信息。

进一步的，所述AC/DC变流模块为单相桥式PEBB结构；所述DC/DC变流模块为三相桥式PEBB结构；

所述PEBB结构包括IGBT模块和数字控制器。

进一步的，所述IGBT模块包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、传感器、缓冲电路和电容吸收电路；

所述数字控制器包括数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件FPGA、电压电流采样电路、驱动电路、光纤转换电路及保护电路。

进一步的，所述梯次电池组由容量低于80％的退役动力电池构成。

进一步的，所述电池能量管理系统监控梯次电池组及电动汽车动力电池的状态:当梯次电池组和电动汽车动力电池的电压、电流或温度超过所述电池能量管理系统设置的保护阈值，则触发保护系统断开梯次电池组输入输出通路。

进一步的，所述上层计算机监控系统通过以太网与双向变流器、电压电流传感器及电池管理系统实时通信，接收双向变流器、家庭单相电网负荷状态及电池系统的状态信息，并控制所述双向变流器和所述电池能量管理系统。

进一步的，所述快速充电系统的控制策略根据所述家庭单相电网的负荷状态和所述梯次电池组的电量确定；

所述家庭单相电网的状态分为正常峰荷状态、正常谷荷状态和正常负荷状态；

所述梯次电池组的荷电状态SOC的范围包括：SOC＜0.2；0.2＜SOC＜0.8；SOC＞0.8。

进一步的，所述家庭单相电网处于正常峰荷状态时：

(1)当梯次电池组的SOC＞0.8时，梯次电池组向家庭单相电网提供电能，同时向电动汽车充电；

(2)当梯次电池组0.2＜SOC＜0.8时，梯次电池组仅向电动汽车充电；

(3)当梯次电池组SOC＜0.2时，所述梯次电池组不与电网交换能量，且也不对电动汽车充电。

进一步的，所述家庭单相电网处于正常谷荷状态时：

(1)当梯次电池组SOC＜0.8，且所述家庭单相电网轻载时，所述家庭电网向梯次电池组和电动汽车充电；

(2)当梯次电池组SOC＞0.8时，所述家庭单相电网直接向电动汽车充电，且不与所述梯次电池组交换能量。

进一步的，所述家庭单相电网处于正常负荷状态时：

(1)当梯次电池组SOC＞0.8时，所述家庭单相电网和所述梯次电池组同时向电动汽车充电；

(2)当梯次电池组0.2＜SOC＜0.8时，若电网功率不足，则梯次电池组和家庭单相电网同时向电动汽车充电；若电网功率充足，则家庭单相电网单独向电动汽车充电；

(3)当梯次电池组SOC＜0.2时，所述梯次电池组和所述家庭单相电网无能量交换。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明提供的技术方案中储能环节由梯次电池组构成，使得大量电动汽车退役电池残余寿命在储能领域得到合理延伸，有效缓解了其拆解产生的有害物质对环境造成的巨大压力，实现了退役动力电池的资源利用最大化；

2、本发明提供的技术方案在家庭用户安装电池储能系统，解决了电动汽车大功率充电问题，而且在电网停电情况下向家庭电网提供紧急用电，提高了用户的用电可靠性；

3、本发明提供的技术方案中采用PEBB“即插即用”模块作为变流器的通用标准器件，提高了充电系统的功率密度和可靠性，节省安装空间的同时节省了系统开发周期；

4、本发明提供的技术方案通过软件配置可使同一个PEBB模块实现不同的变流功能，具有标准化、模块化、智能化的特点，使得充电系统的设计更加简单、高效，克服了传统电力电子产品设计的不足。

附图说明

图1为本发明提供的家用电动汽车快速充电系统结构图；

图2为本发明提供的家用电动汽车快速充电系统控制流程图；

其中，I4-电动汽车负荷；I5-梯次电池组储能情况；I6-变流模块；I7-家庭单相电网运行状态；I11-功率流控制中运行状态；V-电动汽车；B-梯次电池组；G-家庭单相电网。

具体实施方式

为清楚的说明本发明的技术方案，以下将结合说明书附图对本发明的技术方案做详细说明。

本发明提供的大功率快速充电系统适用于电网入户容量小且难以扩容的家庭用户电动车快速充电使用。系统采用容量小于80％的梯次电池构成储能系统，作为电网与电动汽车的能量中转站，利用储能电池快速放电功能满足电动汽车大功率快速充电需求。系统采用双向变流器实现电能的双向流动，一方面电网可以通过变流器向梯次电池系统及电动汽车动力电池充电，另一方面，梯次电池的电能可以通过变流器回馈家庭电网，紧急情况下电动汽车动力电池也可作为家庭用户的紧急电源。所述充电系统不仅使得家庭用户电动汽车在电网用电高峰时的快速充电问题得以解决，而且可以在电网停电的情况下提供家庭紧急用电。

本发明提供的家用电动汽车快速充电系统整体结构如图1所示，包括双向变流器、梯次电池组、电池能量管理系统以及上层计算机监控系统其中双向变流器系统主要实现电能在电网与梯次电池及电动汽车动力电池间的双向流动，电池能量管理系统实现对梯次电池及电动汽车动力电池的信息管理及安全保护，上层计算机监控系统实现对电网、变流器、梯次电池组和电动汽车负荷实时状态信息的收集，梯次电池组系统和变流器控制模块通过以太网和上层的计算机监控系统实现实时通信，通过对电网可提供容量、梯次电池荷电状态、电动汽车负荷需求等信息的综合分析与判断，确定变流器充放电控制策略，实现能量与信息的有序化管理。

本发明采用容量低于80％的退役动力电池组作为储能设备，在电网功率不足且电动汽车有充电需求时进行电动汽车快速充电，有效克服了由于电网功率不足而导致的电动汽车充电时间过长问题。具体地，家庭220V单相交流电网在用电谷期时通过AC/DC变流模块向梯次电池充电，家庭紧急用电情况下梯次电池可通过AC/DC模块向家庭电网回馈电能；在电动汽车需要快速充电时，梯次电池组通过DC/DC变流模块向电动汽车充电，用电谷期时家庭电网可提供电动汽车慢速充电功能，并可配合梯次电池组同时提供电动汽车快速充电功能。

其中，所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块采用不同的拓扑结构，AC/DC变流模块采用单相桥式结构，DC/DC变流模块采用三相桥式结构，AC/DC模块及DC/DC模块均采用PEBB(Power Electronics Building Block)结构实现。所述PEBB结构包括绝缘栅双极型功率管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块和数字控制器两个部分，IGBT模块是功率变换的主要载体，主要包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、部分传感器、缓冲电路和电容吸收电路，数字控制器是对所述变流模块进行控制和通讯的主要载体，控制器通过不同软件算法实现AC/DC变流模块和DC/DC变流模块的变流控制。

另外，本发明采用电池能量管理系统实现对梯次电池及电动汽车动力电池的信息管理及安全保护：管理信息包括梯次电池组电压、电流、温度、荷电状态(SOC)，每个单体电池电压、电流、温度；电动汽车动力电池组电压、电流、温度、荷电状态(SOC)。电池能量管理系统设置梯次电池组及动力电池组保护电压、电流及温度保护阈值，当电池组电压、电流或温度超过阈值，则触发保护系统断开电池组输入输出通路。

本发明提供的快速充电系统控制流程图如说明书附图图2所示，从图中可以看出，所述家庭单相电网的状态I7分为正常峰荷状态、正常谷荷状态和正常负荷状态；

所述梯次电池组B的剩余电量SOC，即为图2中所述的梯次电池组储能情况I5包括：SOC＜0.2；0.2＜SOC＜0.8；SOC＞0.8。

具体运行流程如下所示：

(一)正常峰荷状态：

根据梯次电池组B的剩余电量(SOC)，梯次电池组B和家庭单相电网G运行状态可分为三种：

(1)当梯次电池组储能充足，即剩余电量SOC>0.8时，梯次电池组B向家庭单相电网G提供电能，同时向电动汽车V充电，起到削峰的积极作用，在图2中显示功率流向I11为B—>G，B—>V。

(2)当梯次电池组储能水平一般，梯次电池组的储能状态I5为0.2<SOC<0.8，梯次电池组B仅向电动汽车V充电，在图2中显示功率流向I11为B—>V。

(3)梯次电池组储能不足，梯次电池组的储能状态I5为SOC<0.2时，梯次电池组B不与家庭单相电网G进行能量交换，也不对电动汽车B充电。

(二)正常谷荷状态：

根据梯次电池组B的剩余电量(SOC)，梯次电池组B和家庭单相电网G运行状态可分为两种：

(1)当梯次电池组均未满，梯次电池组的储能状态I5为SOC<0.8，家庭单相电网G处于谷荷甚至轻载时，家庭单相电网G应当向储能站充电，起到填谷的效果，在图2中显示功率流向I11为G—>V，G—>B。

(2)当梯次站储能充足，梯次电池组的储能状态I5为SOC>0.8时,梯次电池组B不与家庭单相电网G进行能量交换，直接通过家庭单相电网G向电动汽车V充电，在图2中显示功率流向I11为G—>V。

(三)正常负荷状态：

根据梯次电池组B的剩余电量(SOC)，梯次电池组B和家庭单相电网G运行状态可分为三种：

(1)梯次电池组可以参与电动汽车充电。

当梯次电池组储能未耗尽，梯次电池组的储能状态I5为0.2<SOC<0.8时，根据电动汽车负荷值，可分为：

若家庭单相电网G功率不足，则梯次电池组B和家庭单相电网G同时向电动汽车V供电；

若家庭单相电网G功率充足，则仅由家庭单相电网G向电动汽车充电。

(2)当梯次电池组储能充足，梯次电池组的储能状态I5为SOC>0.8时，家庭单相电网G和梯次电池组B可同时参与电动汽车V充电，在图2中显示功率流向I11B—>V，G—>V。

(3)无能量交换。

当梯次电池组储能非常不足，梯次电池组的储能状态I5为SOC<0.2时,即使家庭单相电网G有需求也无法对家庭单相电网G进行功率支持，与家庭单相电网G无能量交换。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可以对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种家庭电动汽车用大功率快速充电系统，其特征在于，所述快速充电系统包括双向变流器、梯次电池组、电池能量管理系统以及上层计算机监控系统；

所述双向变流器包括AC/DC变流模块和DC/DC变流模块；

所述AC/DC变流模块和DC/DC变流模块通过直流母线相连，所述AC/DC变流模块交流输入侧与家庭单相电网相连，所述DC/DC模块直流输出侧与电动汽车相连；

所述梯次电池组与AC/DC变流模块和DC/DC变流模块间的直流母线连接；

所述双向变流器、电池能量管理系统、上层计算机监控系统通过数据线连接，共享状态信息。

2.如权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述AC/DC变流模块为单相桥式PEBB结构；所述DC/DC变流模块为三相桥式PEBB结构；

所述PEBB结构包括IGBT模块和数字控制器。

3.如权利要求2所述的快速充电系统，其特征在于，所述IGBT模块包括IGBT主电路、驱动电路、保护电路、传感器、缓冲电路和电容吸收电路；

所述数字控制器包括数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件FPGA、电压电流采样电路、驱动电路、光纤转换电路及保护电路。

4.如权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述梯次电池组由容量低于80％的退役动力电池构成。

5.如权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述电池能量管理系统监控梯次电池组及电动汽车动力电池的状态:当梯次电池组和电动汽车动力电池的电压、电流或温度超过所述电池能量管理系统对其设置的保护阈值，则触发保护系统断开梯次电池组输入输出通路。

6.如权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述上层计算机监控系统通过以太网与双向变流器、电压电流传感器及电池管理系统实时通信，接收双向变流器、家庭单相电网负荷状态及电池系统的状态信息，并向所述双向变流器和所述电池能量管理系统发布控制信息。

7.如权利要求1所述的快速充电系统，其特征在于，所述快速充电系统的控制策略根据所述家庭单相电网的负荷状态和所述梯次电池组的电量确定；

所述家庭单相电网的状态分为正常峰荷状态、正常谷荷状态和正常负荷状态；

所述梯次电池组的荷电状态SOC的范围包括：SOC＜0.2；0.2＜SOC＜0.8；SOC＞0.8。

8.如权利要求7所述的快速充电系统，其特征在于，所述家庭单相电网处于正常峰荷状态时：

(1)当梯次电池组的SOC＞0.8时，梯次电池组向家庭单相电网提供电能，同时向电动汽车充电；

(2)当梯次电池组0.2＜SOC＜0.8时，梯次电池组仅向电动汽车充电；

(3)当梯次电池组SOC＜0.2时，所述梯次电池组不与电网交换能量，且也不对电动汽车充电。

9.如权利要求7所述的快速充电系统，其特征在于，所述家庭单相电网处于正常谷荷状态时：

(1)当梯次电池组SOC＜0.8，且所述家庭单相电网轻载时，所述家庭电网向梯次电池组和电动汽车充电；

(2)当梯次电池组SOC＞0.8时，所述家庭单相电网直接向电动汽车充电，且不与所述梯次电池组交换能量。

10.如权利要求7所述的快速充电系统，其特征在于，所述家庭单相电网处于正常负荷状态时：

(1)当梯次电池组SOC＞0.8时，所述家庭单相电网和所述梯次电池组同时向电动汽车充电；

(2)当梯次电池组0.2＜SOC＜0.8时，若电网功率不足，则梯次电池组和家庭单相电网同时向电动汽车充电；若电网功率充足，则家庭单相电网单独向电动汽车充电；

(3)当梯次电池组SOC＜0.2时，所述梯次电池组和所述家庭单相电网无能量交换。