CN106684988B - 一种双向dcdc充电装置以及充电控制方法 - Google Patents

一种双向dcdc充电装置以及充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于公共交通技术领域，提供了一种双向DCDC充电装置及充电控制方法，包括有受电弓、超级电容组、动力电池组、电机控制器以及驱动电机，受电弓与超级电容组电连接并用于对超级电容组进行充电，超级电容组经电机控制器后与驱动电机电连接并用于对驱动电机供电，超级电容组和动力电池组之间串联有用于实现在超级电容组和动力电池组之间能量的双向传输DC/DC变换器。本发明的优点在于以超级电容组和动力电池组并行供电，通过而且动力电池组和超级电容组的辅助作用更为明显，两种辅助电源优势互补，降低系统成本，又保证了充电控制过程的快速性和可靠安全性。

Description

一种双向DCDC充电装置以及充电控制方法
技术领域
本发明属公共交通技术领域，具体涉及一种双向DCDC充电装置以及充电控制方法。
背景技术
能源与环境已成为当前全球最为关注的问题，能源是经济的基础，而环境是制约经济和社会发展的重要因素。节能和环保的客观需求促使公交车朝电动化方向发展，随之也推动了服务于大规模电动公交车的充换电站等基础设施的建设。现阶段，我国国内充换电站的服务对象以公交车、出租车、公务车等群体用户为主。
目前电动公交车存在的问题：1、动力电池续航能力不足，目前解决的方案有两个，一种是通过在电动公交车上装载大量的储能动力电池来实现，这种模式虽然可提高续航能力，但仍然满足不了人们需求，且电池价格昂贵，而且极大地增加整车重量，另一种方式是采用换电池模式，由于电动公交车的结构差异大，电池模块很难标准化，无法进行大规模的普及，同时由于电池重量重，需要专用的换电设备，且频繁的换电对电池组的电气及机械设备接口带来大量的安全及可靠性的隐患；2、电池寿命问题，目前采用的对车载动力电池直接进行大功率快速充电的充电模式不仅需要动辄上百千瓦的充电系统，且对电池的寿命会造成极大的影响。为了增加续航里程，对电池进行深放和深充都会对电池寿命造成影响；3、价格问题，目前由于电动公交车要想实现较为理想的续航里程，则需装载较大容量的动力电池，由于动力电池价格比较贵，从而造成整车的成本明显偏高；4、充电基础设备不足问题，目前的电动公交车对应的快速充电方式，需要建设大量的充电站，即使是采用慢充模式，由于电池容量比较大，一般设计的公交车充电桩也都有60kw左右，充电时间长，由于相关基础设施建设的问题，目前的电动公交车还无法实现远距离行驶，很多人担心如果我们的电池没电了怎么办，即使找到一个地方充电，可能也要等上几个小时才能将电池充满。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，而提供一种体积小、成本低、循环寿命长、安全性高，工作可靠性高，使电动公交车的续驶里程大为增加，以满足持续的里程数的需求的双向DCDC充电装置以及充电控制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种双向DCDC充电装置，其特征在于，包括有受电弓、超级电容组、动力电池组、电机控制器以及驱动电机，所述的受电弓与超级电容组电连接并用于对超级电容组进行充电，所述的超级电容组经电机控制器后与驱动电机电连接并用于对驱动电机供电，所述的超级电容组和动力电池组之间串联有用于实现在超级电容组和动力电池组之间能量的双向传输DC/DC变换器，在电动公交车正常运行时由超级电容组经电机控制器为驱动电机供电，中间停站时地面充电站经受电弓为超级电容组充电，首站和末站地面充电站经受电弓通过DC/DC变换器为动力电池组充电，在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施等应急情况下，通过DC/DC变换器实现动力电池组向超级电容组补充能量。
在上述的一种双向DCDC充电装置中，所述的超级电容组的工作电压范围DC200～770V，超级电容组侧的最大电流为200A，所述的动力电池组侧的工作电压范围为DC288～440V，动力电池组侧的最大电流为250A。
在上述的一种双向DCDC充电装置中，所述的受电弓上具有三个电极，按面朝电动公交车前进方向为基准，三个电极的排布分别为正极、接地极、负极，在电动公交车的首站和末站时电动公交车的充电架与受电弓的正极、负极、接地极的三极接触上电连接后为超级电容组充电，在停靠中间站时乘客上下车的间隙电动公交车的充电架与受电弓的正极、负极、接地极的三极接触上电连接后并通过DC/DC变换器为超级电容组充电。
在上述的一种双向DCDC充电装置中，所述的受电弓的接地极低于正极和负极，所述的充电架的正极和负极之间、正极、负极与接地极之间的绝缘应不小于1MΩ。
在上述的一种双向DCDC充电装置中，所述的受电弓上设置有弓头滑板，在快速充电时受电弓升弓后的弓头滑板与电极之间的接触压力为90-160N。
本发明为解决上述技术问题还提供了一种双向DCDC充电控制方法，其特征在于，按以下模式步骤如下：
模式S1、电动公交车在充电模式下，且电池补电开关按下后，当超级电容组的电压大于700V时，充电站经受电弓通过DC/DC变换器为动力电池组充电；
模式S2、电动公交车处于应急充电模式时，且电池补电开关按下后，当超级电容组的电压大于600V时，充电站经受电弓通过DC/DC变换器为动力电池组进行降功率50％充电；
模式S3、当动力电池组处于无法供电的工作状态，且电动公交车处于运行模式，当超级电容组的电压大于380V时，超级电容组通过DC/DC变换器为动力电池组供电；
模式S4、在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施应急情况下，当超级电容组小于250V，且动力电池组SOC大于20％时，动力电池组通过DC/DC变换器向超级电容组补电。
在上述的一种双向DCDC充电控制方法中，模式S1时DC/DC变换器为动力电池组进行满功率充电，充电模式为恒流限压模式，充电时输出电流设定值为Min(200，A充)，其中A充为最大10S充电电流，输出电压设定值为460V，模式S1需满足以下条件：1、充电模式有效；2、电池补电开关按下；3、超级电容组的电压>700V；4、DC/DC变换器启动允许条件满足；5、无DC/DC变换器“降功率故障”；6、无动力电池组“禁止充电故障”；7、动力电池组“主接触器闭合”。
在上述的一种双向DCDC充电控制方法中，模式S2时充电模式时，DC/DC变换器为动力电池组进行降功率50％充电，充电模式为恒流限压模式，充电时输出电流设定值为Min(100,A充)，其中A充为最大10S充电电流，输出电压设定值为460V，模式S2需满足以下条件：1、充电模式有效；2、电池补电开关按下或者电动公交车处“应急充电模式”；3、超级电容组的电压>600V；4、DC/DC变换器启动允许条件满足；5、存在任一DC/DC“降功率故障”；6、无动力电池组“禁止充电故障”；7、动力电池组“主接触器闭合”。
在上述的一种双向DCDC充电控制方法中，模式S3时放电模式时，超级电容组通过DC/DC变换器为动力电池组供电，充电模式为恒流限压模式，输出电流设定值为100A，输出电压设定值为400V，模式S2需满足以下条件：1、放电模式有效；2、超级电容组的电压>380V；3、DC/DC启动允许条件满足；4、动力电池组“主接触器断开”；5、司机钥匙在“ON”位置。
在上述的一种双向DCDC充电控制方法中，模式S4时放电模式下，在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施应急情况下，当超级电容组欠压时，动力电池组向超级电容组供电，充电模式为恒压限流模式，输出电流设定值为Min(150,Iset)，输出电压设定值为Uset＝520，其中Iset＝(P放-12)*1000/Uset，P放为最高10S放电功率限制值，模式S4需满足以下条件：1、放电模式有效；2、超级电容组＜250V；3、DC/DC变换器启动允许条件满足；4、无动力电池组“禁止放电故障”；5、动力电池组主接触器闭合；6、无“动力电池组欠压”；7、无动力电池组“容量低报警”；8、司机钥匙处在“ON”位置。
与现有技术相比，本发明的优点在于以超级电容组和动力电池组并行供电，这里超级电容组基本免维护，其循环寿命长，功率密度高，大大减低了后期维护及使用成本，通过而且动力电池组和超级电容组的辅助作用更为明显，两种辅助电源优势互补，降低系统成本，同时受电弓设有接地极，以解决在充电过程中产生的静电导出，从而防止其它部件受电接触部分损坏，整个充电控制控制方法合理，即保证了充电的效率，又保证了充电控制过程的快速性和可靠安全性。
附图说明
图1是本双向DCDC充电装置的电路原理结构示意图；
图2是本受电弓与电动公交车接触连接后的结构示意示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
图中，受电弓1；超级电容组2；动力电池组3；电机控制器4；驱动电机5；DC/DC变换器6；正极7；接地极8；负极9；弓头滑板10。
如图1和图2所示，本双向DCDC充电装置，包括有受电弓1、超级电容组2、动力电池组3、电机控制器4以及驱动电机5，受电弓1与超级电容组2电连接并用于对超级电容组2进行充电，超级电容组2经电机控制器4后与驱动电机5电连接并用于对驱动电机5供电，所述的超级电容组2和动力电池组3之间串联有用于实现在超级电容组2和动力电池组3之间能量的双向传输DC/DC变换器6，在电动公交车正常运行时由超级电容组2经电机控制器4为驱动电机5供电，中间停站时地面充电站经受电弓1为超级电容组2充电，首站和末站地面充电站经受电弓1通过DC/DC变换器6为动力电池组3充电，在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施等应急情况下，通过DC/DC变换器6实现动力电池组3向超级电容组2补充能量。
受电弓1上具有三个电极，按面朝电动公交车前进方向为基准，三个电极的排布分别为正极7、接地极8、负极9，在电动公交车的首站和末站时电动公交车的充电架与受电弓1的正极7、负极9、接地极8的三极接触上电连接后为超级电容组2充电，在停靠中间站时乘客上下车的间隙电动公交车的充电架与受电弓1的正极7、负极9、接地极8的三极接触并电连接后并通过DC/DC变换器6为超级电容组2充电，这里在首站、末站以及停靠中间站充电时的受电弓1上还另增设了一个接地极8，这样在以解决在充电过程中产生的静电从而导致受电接触部分损坏，减少其使用寿命且存在安全隐患，另外在设置接地极8时低于正极7和负极9，这样可以避免因制造误误差、外力影响等因素导致接地极8与正极7、负极9直接相连，受电弓1上设置有弓头滑板10，在快速充电时受电弓1升弓后的弓头滑板10与电极之间的接触压力为90-160N，这里将接触压力设置在90-160N使得接触更加稳定牢靠，保证快速充电过程的稳定性,受电弓1的接地极8低于正极7和负极9，另外在设置接地极8时低于正极7和负极9，这样可以避免因制造误误差、外力影响等因素导致接地极8与正极7、负极9直接相连，充电架的正极7和负极9之间、正极7、负极9与接地极8之间的绝缘应不小于1MΩ。
这里整个充电装置的额定功率为100kw，超级电容组2的工作电压范围DC200～770V，超级电容组2侧的最大电流为200A，所述的动力电池组3侧的工作电压范围为DC288～440V，动力电池组3侧的最大电流为250A，充电效率≥90％，控制电源为DC24V。
本发明还提供了一种电动公交车双向DCDC充电控制方法，主要按以下模式步骤如下：模式S1、电动公交车在充电模式下，且电池补电开关按下后，当超级电容组2的电压大于700V时，充电站经受电弓1通过DC/DC变换器6为动力电池组3充电；模式S2、电动公交车处于应急充电模式时，且电池补电开关按下后，当超级电容组2的电压大于600V时，充电站经受电弓1通过DC/DC变换器6为动力电池组3充电进行降功率50％充电；模式S3、当动力电池组3处于无法供电的工作状态，且电动公交车处于运行模式，当超级电容组2的电压大于380V时，超级电容组2通过DC/DC变换器6为动力电池组3侧供电；模式S4、在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施等应急情况下，当超级电容组2小于250V，且动力电池组3SOC大于20％时，动力电池组3通过DC/DC变换器6向超级电容组2侧补电。
整个双向的DC/DC变换器6共有五种工作模式，如下表所示：
1、充电方向：0—超级电容组2→动力电池组3(辅助负载)；1—动力电池组3→超级电容组2
2、充电模式：0—恒流限压模式；1—恒压限流模式
3、A充：报文ID＝0x1835A743中的“最大10S充电电流”
4、P放：报文ID＝0x1836A743中的“最高10S放电功率限制值”
5、Iset＝(P放-12)*1000/Uset
其中处于模式S0时DC/DC变换器6停止工作。
模式S1时DC/DC变换器6为动力电池组3进行满功率充电，充电模式为恒流限压模式，充电时输出电流设定值为Min(200，A充)，其中A充为最大10S充电电流，输出电压设定值为460V，模式S1需满足以下条件：1、充电模式有效；2、电池补电开关按下；3、超级电容组2的电压>700V；3、DC/DC变换器6启动允许条件满足；4、无DC/DC变换器6“降功率故障”；5、无动力电池组3“禁止充电故障”；6、动力电池组3“主接触器闭合”，以上条件中，如果任一条件不满足，则，模式S1失效。
模式S2时充电模式时，DC/DC变换器6为动力电池组3充电进行降功率50％充电，充电模式为恒流限压模式，充电时输出电流设定值为Min(100,A充)，其中A充为最大10S充电电流，输出电压设定值为460V，模式S2需满足以下条件：1、充电模式有效；2、电池补电开关按下或者电动公交车处“应急充电模式”；3、超级电容组2的电压>600V；3、DC/DC变换器6启动允许条件满足；4、存在任一DC/DC“降功率故障”；5、无动力电池组3“禁止充电故障”；6、动力电池组3“主接触器闭合”以上条件中，如果任一条件不满足，则模式S3失效。
模式S4时放电模式下，在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施等应急情况下，当超级电容组2欠压时，动力电池组3向超级电容组2供电，充电模式为恒压限流模式，输出电流设定值为Min(150,Iset)，输出电压设定值为Uset＝520，其中Iset＝(P放-12)*1000/Uset，P放为最高10S放电功率限制值，模式S4需满足以下条件：1、放电模式有效；2、超级电容组2＜250V；3、DC/DC变换器6启动允许条件满足；4、无动力电池组3“禁止放电故障”；5、动力电池组3主接触器闭合；6、无“动力电池组3欠压”；7、无动力电池组3“容量低报警”；8、司机钥匙处在“ON”位置，以上条件中，任一条件不满足，则模式S4无效。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神所定义的范围。

Claims (5)

1.一种双向DCDC充电控制方法，其特征在于，按以下模式步骤如下：
模式S1、电动公交车在充电模式下，且电池补电开关按下后，当超级电容组的电压大于700V时，充电站经受电弓通过DC/DC变换器为动力电池组充电；
模式S2、电动公交车处于应急充电模式时，且电池补电开关按下后，当超级电容组的电压大于600V时，充电站经受电弓通过DC/DC变换器为动力电池组进行降功率50％充电；
模式S3、当动力电池组处于无法供电的工作状态，且电动公交车处于运行模式，当超级电容组的电压大于380V时，超级电容组通过DC/DC变换器为动力电池组供电；
模式S4、在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施应急情况下，当超级电容组小于250V，且动力电池组SOC大于20％时，动力电池组通过DC/DC变换器向超级电容组补电。
2.根据权利要求1所述的一种双向DCDC充电控制方法，其特征在于，模式S1时DC/DC变换器为动力电池组进行满功率充电，充电模式为恒流限压模式，充电时输出电流设定值为Min(200，A充)，其中A充为最大10S充电电流，输出电压设定值为460V，模式S1需满足以下条件：1、充电模式有效；2、电池补电开关按下；3、超级电容组的电压>700V；4、DC/DC变换器启动允许条件满足；5、无DC/DC变换器“降功率故障”；6、无动力电池组“禁止充电故障”；7、动力电池组“主接触器闭合”。
3.根据权利要求2所述的一种双向DCDC充电控制方法，其特征在于，模式S2时充电模式时，DC/DC变换器为动力电池组进行降功率50％充电，充电模式为恒流限压模式，充电时输出电流设定值为Min(100,A充)，其中A充为最大10S充电电流，输出电压设定值为460V，模式S2需满足以下条件：1、充电模式有效；2、电池补电开关按下或者电动公交车处“应急充电模式”；3、超级电容组的电压>600V；4、DC/DC变换器启动允许条件满足；5、存在任一DC/DC“降功率故障”；6、无动力电池组“禁止充电故障”；7、动力电池组“主接触器闭合”。
4.根据权利要求3所述的一种双向DCDC充电控制方法，其特征在于，模式S3时放电模式时，超级电容组通过DC/DC变换器为动力电池组供电，充电模式为恒流限压模式，输出电流设定值为100A，输出电压设定值为400V，模式S2需满足以下条件：1、放电模式有效；2、超级电容组的电压>380V；3、DC/DC启动允许条件满足；4、动力电池组“主接触器断开”；5、司机钥匙在“ON”位置。
5.根据权利要求4所述的一种双向DCDC充电控制方法，其特征在于，模式S4时放电模式下，在充电桩故障、夜间停车场与实际运营线路较远或车辆年检沿途无充电设施应急情况下，当超级电容组欠压时，动力电池组向超级电容组供电，充电模式为恒压限流模式，输出电流设定值为Min(150,Iset)，输出电压设定值为Uset＝520，其中Iset＝(P放-12)*1000/Uset，P放为最高10S放电功率限制值，模式S4需满足以下条件：1、放电模式有效；2、超级电容组＜250V；3、DC/DC变换器启动允许条件满足；4、无动力电池组“禁止放电故障”；5、动力电池组主接触器闭合；6、无“动力电池组欠压”；7、无动力电池组“容量低报警”；8、司机钥匙处在“ON”位置。
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