CN106655319B - 带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法及系统，方法为一：判断前次投切是否完成，是则进入下一步，否则进入八；二：收集充电车辆需求数据；三：判断是否处于充电过程，否则结束，是则进入下一步；四：获取当前AC‑DC功率单元工作状态信息；五：分析充电需求并与当前模块工作状态比较；六：计算充电需求与当前状态的差异，做投切准备；七：判断是否需要投切动作，否则结束，是则进入八；八：调用投切算法，执行投切动作；九：判断是否投切完成，否则结束，是则进入十；十：结束。系统设置输入控制单元，其输出端分别与AC‑DC直流功率单元连接，AC‑DC直流功率单元的输出端分别对应设置有投切控制单元，每个所述投切控制单元的输出端充电输出端。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车充电技术领域，具体涉及一种带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法及系统。
背景技术
随着能源短缺和环境恶化问题日益加剧，电动汽车以其节能、减排的优势，成为各国竞相发展的新兴产业。直流快速充电技术被广泛应用于新能源电动汽车领域，随着动力电池技术升级，其承受的最大充电功率也大幅提升，由于功率元件原因单个AC-DC功率单元无法满足动力电池充电，故采用多个AC-DC直流功率单元并联的方式来满足汽车动力电池的直流快充需求。目前的并联方式多采用无投切机制的固定并联方式，即充电过程中无论电池需求功率大小所有充电AC-DC功率单元都做均流输出功率，尤其在电池充电后期需求功率较小，使AC-DC功率单元不能满载输出，甚至30％负载工作，大大降低电能的转换效率，造成至少15％的能源浪费，还缩短了功率AC-DC功率单元的使用效率。另少数厂家采用AC-DC功率单元直接投切的方法解决低效率问题，但在进行AC-DC功率单元投切过程中为带功率投入或切出，使切换部件触点造成带载切断或闭合，加剧触点损毁程度，使切换部件寿命大大缩短。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种采用AC-DC功率单元单独回路控制算法，零功率切换，成功克服了直流功率单元充电过程中投入和切出时，间断功率输出，容易损坏投切器件问题，如投切继电器、晶闸管等，实现了直流充电桩在整个充电过程充电功率变化平滑，延长了直流充电桩的使用寿命的带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法及系统，具体技术方案如下：
一种带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法，采用步骤如下：
步骤一：判断前次投切是否完成，是则进入下一步，否则进入步骤八；
步骤二：收集目标充电车辆充电过程及需求数据；
步骤三：判断是否处于充电过程，否则结束，返回状态字，是则进入下一步；
步骤四：获取当前AC-DC功率单元工作状态信息；
步骤五：分析充电需求并与当前AC-DC功率单元工作状态比较；
步骤六：计算充电需求与当前状态的差异，做投切准备；
步骤七：判断是否需要投切动作，否则结束，返回状态字，是则进入下一步；
步骤八：调用投切算法，执行投切动作；
步骤九：判断是否投切完成，否则结束，返回投切未完成状态字，是则进入下一步；
步骤十：结束，返回投切完成状态字。
为更好的实现本发明，可进一步为：
所述步骤八具体为，
8.1判断AC-DC功率单元投切命令，投入则进入8.2，切出则进入8.13结束投切算法，返回空闲状态；
8.2获取目标AC-DC功率单元编号；
8.3判断编号是否有效，无效则结束投切算法，返回错误状态，有效则进入下一步；
8.4闭合对应AC-DC功率单元输入控制器；
8.5判断控制器状态，未完成则结束投切算法，返回正在投入状态，完成则进入下一步；
8.6设置目标AC-DC功率单元输出电压到总线电压；
8.7判断输出电压是否达标，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.8闭合投切控制继电器；
8.9判断投切继电器是否关闭，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.10投入AC-DC功率单元数加1，根据电池充电需求重新计算每个AC-DC功率单元应输出功率并设置投入的所有AC-DC功率单元；
8.11判断目标AC-DC功率单元输出是否正常，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.12空闲AC-DC功率单元数减1，结束投切算法，返回空闲状态，本次投切结束；
8.13获取目标AC-DC功率单元编号；
8.14判断编号是否有效，无效则结束投切算法，返回错误状态，有效则进入下一步；
8.15判断AC-DC功率单元是否输出，无输出则进入8.18，正常输出则进入下一步；
8.16关闭目标AC-DC功率单元；
8.17判断AC-DC功率单元是否关闭，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则进入下一步；
8.18断开投切继电器，投入AC-DC功率单元数减1，根据电池充电需求重新计算每个AC-DC功率单元应输出功率，并设置在线AC-DC功率单元；
8.19关闭目标AC-DC功率单元输入控制；
8.20判断AC-DC功率单元输入是否断开，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则空闲AC-DC功率单元数量加1，发送投切控制单元能量泄放指令；
8.21重新配置当前在线AC-DC功率单元参数；
8.22判断在线AC-DC功率单元是否正常，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则结束投切算法，返回空闲状态，本次投切结束。
利用上述带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法的系统，包括输入控制单元，该输入控制单元的输出端分别与AC-DC直流功率单元连接，该AC-DC直流功率单元的输出端分别对应设置有投切控制单元，每个所述投切控制单元的输出端为系统的充电输出端。
为更好的实现本系统，可进一步为：
所述投切控制单元设置有投切继电器，该投切继电器的输入端上并接有泄放继电器，该泄放继电器的输出端上连接有泄放电阻。其中，投切继电器为AC-DC功率单元功率输出的控制闸门，它是衔接AC-DC功率单元功率输出和直流母线的桥梁，也是传统投切模式的易损器件，其直流触点寿命直接受投切时刻输出干路功率影响，投切功率越大其触点寿命越短，反之增长。而在本发明中采用0功率投切，有效的延长其生命周期。泄放继电器和泄放电阻组成完整的剩余能量泄放电路，用于当AC-DC功率单元切出时泄放存放在功率AC-DC功率单元内部输出端储能电容内的剩余电能。如不进行泄放当此AC-DC功率单元再次投入直流母线时，当母线电压低于AC-DC功率单元储能电容电压，由于不能再输出干路上串联大功率限流电阻，则会在投切继电器闭合瞬间，AC-DC功率单元输出储能电容会以很高的尖峰电流向直流母线放电，直至两端电压相等。在这过程中，投切继电器触点承受的电流尖峰瞬间达到上千安培甚至更高，最大成度的损坏投切继电器，或直接使继电器触点粘连，造成投切元件损坏。进行电能泄放后，需再次AC-DC功率单元投入总线时，首先读取母线电压，限制AC-DC功率单元电流为0.1A，根据AC-DC功率单元限流精度可以更小，使AC-DC功率单元预充至总线电压稳定后，控制投切继电器闭合。由于AC-DC功率单元输出电压等于外部母线电压，故在继电器闭合瞬间触点两端电压差为0，其切换功率为0，则不会在触点上产生电流，在整个AC-DC功率单元投入过程中有效的保护了投切继电器触点。使继电器的无故障时间到达其机械损坏时间。不会因触点损坏而提前结束生命周期。
本发明的有益效果为：整个算法过程AC-DC功率单元化处理，程序调用简单，直接调用函数句柄，即可完成这个投入过程或整个切出过程，占用中央处理器时间较短，响应时间快；提高了直流充电机转换效率,节省AC-DC功率单元待机功耗，延长了AC-DC功率单元的使用寿命；功率单元动态投切方法能有效的保护投切部件，延长投切部件寿命，从而使整个充电桩免维护期限增长；充电桩整个充电输出过程中无断点充电，使整个充电曲线平滑连续，几个充电周期过后动力电池一致性维护出色，有效的维护了动力电池；产品性能和运维成本上具有竞争力，并且可靠性和稳定性都非常出色，远远高于一般的大功率直流充电桩。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为发明中调用投切算法，执行投切动作的流程示意图；
图3为本发明中系统结构示意图；
图4为本发明中投切控制单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1和图2所示：一种带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法，步骤如下：
步骤一：首先判断前次投切是否完成，是则进入下一步，否则进入步骤八；
步骤二：收集目标充电车辆充电过程及需求数据，程序会调用车辆充电接口驱动程序，访问其返回的车辆BMS发送的充电需求以及充电过程状态。在实施例中算法中不涉及驱动函数内容，只需获得是否在充电过程中和当前时刻充电需求的电压和电流即可；
步骤三：判断是否处于充电过程，否则结束，返回状态字，是则进入下一步；
步骤四：获取当前AC-DC功率单元工作状态信息，AC-DC功率单元可以通过调用AC-DC功率单元驱动函数得到，当前输出直流母线上投入的AC-DC功率单元数量，每个AC-DC功率单元单独的设置电压、电流、工作状态，具体为空闲还是工作、输出电压、输出电流、额定电压、额定电流等AC-DC功率单元信息然后分组封存刷新。这些信息用于后期进行AC-DC功率单元投切分析计算；
步骤五：分析充电需求并与当前AC-DC功率单元工作状态比较，AC-DC功率单元判断下一步投切动作趋势，是将空闲AC-DC功率单元投入直流母线，还是从直流母线将AC-DC功率单元切出；
步骤六：计算充电需求与当前状态的差异，做投切准备；
步骤七：判断是否需要投切动作，否则结束，返回状态字，是则进入下一步；
步骤八：调用投切算法，执行投切动作，AC-DC功率单元判断下步投切动作趋势，是将空闲AC-DC功率单元投入直流母线，还是从直流母线将AC-DC功率单元切出，具体采用以下步骤；
8.1判断AC-DC功率单元投切命令，投入则进入8.2，切出则进入8.13结束投切算法，返回空闲状态；
8.2获取目标AC-DC功率单元编号；
8.3判断编号是否有效，无效则结束投切算法，返回错误状态，有效则进入下一步；
8.4闭合对应AC-DC功率单元输入控制器；
8.5判断控制器状态，未完成则结束投切算法，返回正在投入状态，完成则进入下一步；
8.6设置目标AC-DC功率单元输出电压到总线电压，电流为0.1A；
8.7判断输出电压是否达标，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.8闭合投切控制继电器；
8.9判断投切继电器是否关闭，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.10投入AC-DC功率单元数加1，根据电池充电需求重新计算每个AC-DC功率单元应输出功率并设置投入的所有AC-DC功率单元；
8.11判断目标AC-DC功率单元输出是否正常，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.12空闲AC-DC功率单元数减1，结束投切算法，返回空闲状态，本次投切结束；
步骤8.2到8.12为功率AC-DC功率单元的投入过程，本过程中，主要完成的是在充电目标车辆电池充电需求大于当前所有AC-DC功率单元满功率输出时，算法能智能的将空闲功率AC-DC功率单元投入到直流母线中用以接近或达到电池的当前充电需求功率，主要参数为电流需求。本过程主要用于在充电刚开始阶段，充电机从空闲状态转为充电状态初始化启动过程，分配AC-DC功率单元数量只有两个，而随着充电需求的增加，处理更多的空闲AC-DC功率单元逐个投入。而整个投入过程又分为分析AC-DC功率单元、投入AC-DC功率单元、驱动AC-DC功率单元三个阶段。
具体为步骤8.2到8.5为分析功率AC-DC功率单元，在判定AC-DC功率单元投切命令为投入命令时，首先要解析投入命令中所包含的AC-DC功率单元编号信息即：要将哪一个AC-DC功率单元投入到直流母线中，它随投切命令一起传递到方法处理过程中。获取AC-DC功率单元编号后首先要查看所命令的AC-DC功率单元编号是否存在，是否在本系统中有正常定义，即小于系统最大编号，且未存在AC-DC功率单元报警异常标识。在完成编号判定工作后，就闭合本AC-DC功率单元的交流输入控制器，使其得电进行AC-DC功率单元自检初始化，在获得交流输入控制器正常闭合后，调用AC-DC功率单元驱动函数获得其初始化参数，其中包括输入交流电压范围，电流范围，输出额定功率值，额定电压值。是否存在其他告警状态等一系列性能参数，并加以判断是否符合本次投入需求。
步骤8.6到8.9为投入AC-DC功率单元，在投入AC-DC功率单元之前为了做到零功率切换，首先需对目标AC-DC功率单元预充电，使其输出电压等于交流母线电压，即投切继电器初次级触点处于等电位状态，因初次级触点电位相等则其电位差为0V即电压为0，此时闭合投切继电器即可实现0功率闭合。有效的保护了投切继电器的接触触点，使其使用寿命近似于机械寿命。在此过程中调用AC-DC功率单元输出预充电压过程时间可能和AC-DC功率单元启动时间和母线电压高低有关，为不影响其他程序线程运行，如在一个程序周期内为预充合格，则直接进行过程结束并返回未完成状态字，用来到下一个程序周期执行时判断有旧投切未完成状态，接着判断AC-DC功率单元电压是否预充至母线电压。以此类推直至预充合格。下发闭合投切继电器指令。判断投切控制状态正常后，投切动作完成进行AC-DC功率单元驱动处理。
步骤8.10到8.12为驱动功率AC-DC功率单元，在目标AC-DC功率单元投入直流母线后，使直流母线在线AC-DC功率单元数加1，重新进行获取电池充电需求工作，为了使所有AC-DC功率单元进行均功率输出，把充电需求功率直接平均给在线的所有AC-DC功率单元。再设置完各AC-DC功率单元的配置功率参数后，由于AC-DC功率单元的接续缓启动功能，总的输出功率会在原输出功率基础上线性缓行上升至总设置功率，实现输出功率连续平滑上升，避免了断崖式功率变换，有效地维护了汽车动力电池稳定性。直至采回的目标AC-DC功率单元输出参数和配置参数相符后，标识本次投入工作完成，以备下次的AC-DC功率单元投切工作正常进行。
8.13获取目标AC-DC功率单元编号；
8.14判断编号是否有效，无效则结束投切算法，返回错误状态，有效则进入下一步；
8.15判断AC-DC功率单元是否输出，无输出则进入8.18，正常输出则进入下一步；
8.16关闭目标AC-DC功率单元；
8.17判断AC-DC功率单元是否关闭，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则进入下一步；
8.18断开投切继电器，投入AC-DC功率单元数减1，根据电池充电需求重新计算每个AC-DC功率单元应输出功率，并设置在线AC-DC功率单元；
8.19关闭目标AC-DC功率单元输入控制；
8.20判断AC-DC功率单元输入是否断开，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则空闲AC-DC功率单元数量加1，发送投切控制单元能量泄放指令；
8.21重新配置当前在线AC-DC功率单元参数；
8.22判断在线AC-DC功率单元是否正常，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则结束投切算法，返回空闲状态，本次投切结束。
步骤8.13到8.22为AC-DC功率单元的切出过程，主要用于充电后期电池SOC到90％，根据各个电池厂家不同，数值不同，以上时电池管理系统要求充电需求降低，进入浮充或涓流阶段，此时如果所有AC-DC功率单元在线，就会造成每个AC-DC功率单元输出负载率很小，拿需求电流30A为例，如6个AC-DC功率单元同时在线则每个AC-DC功率单元应输出5A，其负载率约为16.7％。致使AC-DC功率单元的输出效率相对较低，因AC-DC功率单元的最高效率点大都保持在负载率为70％-100％之间更多的电能直接作用在AC-DC功率单元功率开关部件的热损耗上。使充电桩整体的转换效率大大降低。为应对这一设计缺陷。本方案采取切出AC-DC功率单元的方法，使直流母线在线AC-DC功率单元数量减到最少。并使其接近满载工作，有效的使AC-DC功率单元输出功率保持在其最大效率点的负载率范围内。整个AC-DC功率单元切出过程分为切出准备、切出AC-DC功率单元和重新配置在线AC-DC功率单元三个阶段；
其中步骤8.13到8.15为切出准备阶段，在一个程序执行周期内判断当前动作为切出时，从函数传进的参数中获取到欲切除AC-DC功率单元的地址编号；然后从内部总线中调取所有在线AC-DC功率单元运行信息，分析寻找出当前目标AC-DC功率单元是否存在于在线AC-DC功率单元的编号范围内，如果没有，则结束本次投切动作返回错误状态字，以供程序策略重新判断，或向上级诊断机制反馈错误信息。如若存在，则向目标AC-DC功率单元发送关机指令进入下一阶段。
8.16到8.20为切出AC-DC功率单元阶段，当判断欲切出AC-DC功率单元在当前在线AC-DC功率单元中有效后，进行关机处理，检测当前AC-DC功率单元工作状态是否关机过程完成，如未完成则结束本次程序执行周期，并返回“正在执行切出”状态字，以备下次算法被调用时直接进入到检测目标AC-DC功率单元是否关机过程，不做原地延时等待，防止无限占用CPU时间而耽误其他线程程序正常执行。直至AC-DC功率单元关机完成后，断开投切控制单元的投切继电器，将直流母线AC-DC功率单元在线数减一，为不想影响AC-DC功率单元输出的功率发生断崖式波动，需重新根据动力电池充电需求配置现有在线AC-DC功率单元输出功率，使AC-DC功率单元按新配置输出功率，在400ms內维持原功率输出。随后为节省切出的功率AC-DC功率单元静态待机功耗，直接控制交流输入控制单元切断本AC-DC功率单元的交流输入使其完全失电。使得整个充电桩达到节省所有不在线AC-DC功率单元静态待机功耗的目的。交流输入切断后，由于AC-DC功率单元在输出端有大量的储能器件，输出电容，内部存有大量剩余电量，无法释放。若在短时间内完成了本轮充电，并进行了新的电池接入，新的电池需求电压低于当前AC-DC功率单元内储能元件的带电低压，则AC-DC功率单元无法投入新电池的直流母线。因此时AC-DC功率单元电压高于母线电压，无法做到AC-DC功率单元电压和直流母线电压相等，若强行闭合投切继电器，则会在继电器触电上产生瞬间尖峰电流，造成触点损伤，严重影响了投切器件的使用寿命。为应对此类现象发生，设计剩余能量泄放电路，将AC-DC功率单元内剩余能量泄放掉，使其电压为0V，则下次投入直流母线时，直接对其预充直流母线电压即可正常安全使用。泄放完成后，直接归类到空闲AC-DC功率单元状态。
8.21到8.22为重新配置阶段，重新配置在线AC-DC功率单元。在切出目标AC-DC功率单元后，需重新进行所有在线AC-DC功率单元配置，以适应新的充电需求。首先获取到电池管理系统的充电需求，计算直流母线在线AC-DC功率单元数量，对需求功率进行重新平均分配，翻译成配置命令直接下发给各个在线AC-DC功率单元。检查到每个AC-DC功率单元均正常输出后，结束本次切出过程。标识本次切出工作完成。
步骤九：判断是否投切完成，否则结束，返回投切未完成状态字，是则进入下一步；
步骤十：结束，返回投切完成状态字。
带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法的系统，包括输入控制单元，该输入控制单元的输出端分别与AC-DC直流功率单元连接，该AC-DC直流功率单元的输出端分别对应设置有投切控制单元，每个所述投切控制单元的输出端为本系统的充电输出端，投切控制单元设置有投切继电器，该投切继电器的输入端上并接有泄放继电器，该泄放继电器的输出端上连接有泄放电阻。其中投切继电器，采用500V40A双路直流继电器及其驱动部件，泄放继电器，采用500V10A单路直流继电器，AC-DC功率单元采用500V，15KW恒功率AC-DC功率单元最大输出电流30A。
Claims (3)
1.一种带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法，其特征在于，采用步骤如下：
步骤一：判断前次投切是否完成，是则进入下一步，否则进入步骤八；
步骤二：收集目标充电车辆充电过程及需求数据；
步骤三：判断是否处于充电过程，否则结束，返回状态字，是则进入下一步；
步骤四：获取当前AC-DC功率单元工作状态信息；
步骤五：分析充电需求并与当前AC-DC功率单元工作状态比较；
步骤六：计算充电需求与当前状态的差异，做投切准备；
步骤七：判断是否需要投切动作，否则结束，返回状态字，是则进入下一步；
步骤八：调用投切算法，执行投切动作；
8.1判断AC-DC功率单元投切命令，投入则进入8.2，切出则进入8.13结束投切算法，返回空闲状态；
8.2获取目标AC-DC功率单元编号；
8.3判断编号是否有效，无效则结束投切算法，返回错误状态，有效则进入下一步；
8.4闭合对应AC-DC功率单元输入控制器；
8.5判断控制器状态，未完成则结束投切算法，返回正在投入状态，完成则进入下一步；
8.6设置目标AC-DC功率单元输出电压到总线电压；
8.7判断输出电压是否达标，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.8闭合投切控制继电器；
8.9判断投切继电器是否关闭，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.10投入AC-DC功率单元数加1，根据电池充电需求重新计算每个AC-DC功率单元应输出功率并设置投入的所有AC-DC功率单元；
8.11判断目标AC-DC功率单元输出是否正常，否则结束投切算法，返回正在投入状态，是则进入下一步；
8.12空闲AC-DC功率单元数减1，结束投切算法，返回空闲状态，本次投切结束；
8.13获取目标AC-DC功率单元编号；
8.14判断编号是否有效，无效则结束投切算法，返回错误状态，有效则进入下一步；
8.15判断AC-DC功率单元是否输出，无输出则进入8.18，正常输出则进入下一步；
8.16关闭目标AC-DC功率单元；
8.17判断AC-DC功率单元是否关闭，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则进入下一步；
8.18断开投切继电器，投入AC-DC功率单元数减1，根据电池充电需求重新计算每个AC-DC功率单元应输出功率，并设置在线AC-DC功率单元；
8.19关闭目标AC-DC功率单元输入控制；
8.20判断AC-DC功率单元输入是否断开，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则空闲AC-DC功率单元数量加1，发送投切控制单元能量泄放指令；
8.21重新配置当前在线AC-DC功率单元参数；
8.22判断在线AC-DC功率单元是否正常，否则结束投切算法，返回正在切出状态，是则结束投切算法，返回空闲状态，本次投切结束；
步骤九：判断是否投切完成，否则结束，返回投切未完成状态字，是则进入下一步；
步骤十：结束，返回投切完成状态字。
2.利用权利要求1所述带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法的系统，其特征在于：包括输入控制单元，该输入控制单元的输出端分别与AC-DC直流功率单元连接，该AC-DC直流功率单元的输出端分别对应设置有投切控制单元，每个所述投切控制单元的输出端为系统的充电输出端。
3.根据权利要求2所述带输入控制的直流功率单元动态零功率投切算法的系统，其特征在于：所述投切控制单元设置有投切继电器，该投切继电器的输入端上并接有泄放继电器，该泄放继电器的输出端上连接有泄放电阻。
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