CN106712257A - 光伏储能全直流电动汽车充电站 - Google Patents
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Abstract
光伏储能全直流电动汽车充电站，所述全直流是指整个光伏充电与储能放电系统中无逆变器即取消了常规设计中的逆变器直流转交流和充电桩交流转直流环节，通过采用太阳能与储能电池组双路互补充电模式有利于延长储能电池寿命和利用退役的电动汽车电池组储能，其特征在于，包括储能电池组，所述储能电池组的正极端分别连接放电模块的输入正极端和二极管的阴极，所述二极管的阳极连接太阳能电池板的正极端，所述太阳能电池板的负极端、所述储能电池组的负极端均连接所述放电模块的输入负极端，所述放电模块具有用于电动汽车电池组充电的输出端口。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车充电站技术，特别是一种光伏储能全直流电动汽车充电站，所述全直流是指整个光伏充电与储能放电系统中无逆变器即取消了常规设计中的逆变器直流转交流和充电桩交流转直流环节，通过采用太阳能与储能电池组双路互补充电模式有利于延长储能电池寿命和利用退役的电动汽车电池组储能。
背景技术
电动汽车充电难已经是推广新能源汽车的重要瓶颈，现有充电桩难以支撑新能源汽车现有量和未来发展。尤其电动汽车目前续航里程短(100—150公里)，长途行驶无固定充电站无法充电。目前国内研发电动汽车充电桩公司有80多家。截止2016年12月，无一厂家研制出太阳能离网快充站。已有的太阳能充电站均采用太阳能发电并网或储能通过逆变器变成AC380V，通过电动汽车快充桩将交流380V升压整流滤波到所需要的直流电压，向电动汽车蓄电池提供高压直流电。这种传统的储能设计转换环节多，效率低，成本高。国外解决方案基本设计为离网快充无逆变器形式。美国特斯拉电源公司2012年已经开发出太阳能电动汽车充电站。充电站可以独立于电网，全部使用太阳能作为能量来源。充电站内将会添加固定电池组，保证全天不间断充电。特斯拉电动汽车公司CEO埃隆-马斯克对电动汽车的评价为：“所用电力来源不清洁，带来的环保意义是大打折扣的。电动汽车既不能补足电网用电需求缺口，也不能让现有火电厂凭空消失。能做的是逐步减少交通行业对石油的依赖”。特斯拉最终目标是“通过清洁的太阳能，给S型汽车提供免费充电服务，让汽车拥有达到任何地方的能力”。2016年7月，美国特斯拉公司耗资27亿美元收购了还在亏损的美国SOLARCITY太阳能充电站公司，足以证明特斯拉对太阳能充电站前景充满信心。
现有的用于电动汽车充电的光伏储能充电站方案通常先将太阳电池的直流电通过DC/DC控制器向储能电池组充电，再由储能逆变器(DC/AC)将储能电池直流变成交流AC380V输出，外接各种功率的AC380V交流充电桩。最后由普通电动汽车充电桩将交流AC380V通过内部升压、整流、滤波等环节再变为高压直流(DC300V—500V),通过充电机配置的充电枪与电动汽车直流充电接口连接充电。对于这种方式，本发明人认为存在以下缺陷：1)光伏储能电站有大功率逆变器(DC/AC),转换效率低，增加成本，自耗电大，可靠 性差。2)电动汽车充电桩功率受储能电站逆变器功率限制，即使储能电池组容量很大也不可能大功率输出。一般国内储能逆变器单台最大功率为500KW，快速充电动汽车电桩单台功率120KW～200KW，该储能发电系统最多可以接两台大功率充电桩(如果逆变器耐冲击电流差，一般充电桩超过总功率350KW感性负载启动时，逆变器将过载保护)。3)所有的电力输出100％来自储能电池组，需要储能电池组每天频繁充放电，加大充放电次数从而降低储能电池的寿命。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种光伏储能全直流电动汽车充电站，所述全直流是指整个光伏充电与储能放电系统中无逆变器即取消了常规设计中的逆变器直流转交流和充电桩交流转直流环节，通过采用太阳能与储能电池组双路互补充电模式有利于延长储能电池寿命和利用退役的电动汽车电池组储能。
本发明的技术方案如下：
光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，包括储能电池组，所述储能电池组的正极端分别连接放电模块的输入正极端和二极管的阴极，所述二极管的阳极连接太阳能电池板的正极端，所述太阳能电池板的负极端、所述储能电池组的负极端均连接所述放电模块的输入负极端，所述放电模块具有用于电动汽车电池组充电的输出端口。
所述太阳能电池板的电压＞所述储能电池组电压＞所述放电模块输入端电压，使得所述放电模块输入端获得太阳能电池板与储能电池组形成的双路互补充电。
所述放电模块为恒功率模块，所述双路互补充电采用所述太阳能电池板优先供电给所述放电模块，不足部分由所述储能电池组补充，以减少储能电池组充放电次数，延长储能电池使用寿命。
所述太阳能电池板具有太阳能电池串联升压结构以满足所述太阳能电池板的工作电压要求，所述储能电池组具有储能电池串联升压结构以满足所述储能电池组的工作电压要求。
所述太阳能电池板具有并联扩容结构，所述储能电池组具有并联扩容结构。
所述输出端口连接电动汽车电池组。
所述储能电池组包括退役的电动汽车电池组。
所述退役的电动汽车电池组包括铅酸免维护蓄电池、钒钛蓄电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、三元化合物电池和/或石墨烯电池。
所述储能电池组包括低谷电价充电接口。
所述太阳能电池板连接有并网逆变器接口，所述太阳能电池板通过充电控制器与所述储能电池组连接，所述充电控制器连接所述并网逆变器接口。
本发明的技术效果如下：本发明光伏储能全直流电动汽车充电站，充分利用太阳能发电的直流特性和终端直流负载(电动汽车直流电池组)特性，先太阳能直流电通过控制器为储能电池组充电，再将储能电池组的直流电通过DC/DC恒流放电模块直接向电动汽车电池组放电。这种全直流系统可取消常规设计中的储能逆变器和交流充电桩中整流、升压、滤波等部件，减少转换环节，提高可靠性。DC/DC放电模块为电动汽车专用充电模块，每只标准功率15KW，可并联扩容通过充电枪直接向电动汽车电池组充电。在本发明中，巧妙利用储能电池组作为一只大电容来稳定太阳能供电电压和平衡补充太阳能不足的电能。
并网逆变器接口和低谷电价充电接口是用于有电地区的功能选项。如储能电池充满，又无电动汽车充电时，多余电能通过并网逆变器直接并网，可得到国家光伏发电补贴(0.42元/度)。如果连续阴雨天无太阳能发电，可利用低谷电价时间段(低谷电价0.35元/度)用充电机为储能电池组充电，白天再为电动汽车充电。不但符合国家鼓励谷电应用，也有可观利润(差价为1.45元/度)。
本发明能够实现5个方面的重大创新：本发明系统在五个方面有重大创新：1、整个光伏充电与储能放电系统中无逆变器，取消了常规设计中的逆变器直流转交流和充电桩交流转直流环节，并可实现快速充电。2、无任何专用升压装置，全部采用太阳电池板串联和储能电池串联直接提升工作电压。扩大容量可用采用并联扩容方式解决。3、电动汽车充电能力只与DC/DC放电模块功率及储能容量有关，储能系统可以理解为一个直流源。可多只DC/DC放电模块并联加大放电能力(主要指放电电流)，也可以组成多路电动汽车电池系统，无中间设备影响电流输出。4、可实现太阳电池板与储能电池组双路向DC/DC放电模块同时供电的功能。在光伏发电、储能电池组、DC/DC放电模块三个部分形成不同电压差，根据等电位和能量平衡原理，太阳电池电压最高，可不通过储能电池组直接向电压最低的DC/DC放电模块供电(向电动汽车电池组充电)。在有阳光的状态下，尽管阳光很弱，也可实现太阳能供电优先，不足部分再由储能电池组补充。即提高充电效率，又减少了储能电池充放电次数，延长电池寿命。5、设置了有电区使用的低谷电价的充电接口，以及无车充电时太阳能电力自动并网接口(供用户选用)。
附图说明
图1是实施本发明光伏储能全直流电动汽车充电站结构示意图。
图2是实施本发明光伏储能全直流电动汽车充电站另一结构示意图。
附图标记列示如下：1-太阳能电池板；2-储能电池组；3-放电模块；4-电动汽车电池组；5-充电控制器；6-低谷电价充电接口；7-并网逆变器接口；D1-二极管；I1-太阳能电池板输出电流；I2-储能电池组输出电流；I-放电模块输入电流；V1-储能电池组电压；V2-放电模块输入端电压；V3-放电模块输出端电压或输出端口。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。
图1是实施本发明光伏储能全直流电动汽车充电站结构示意图。图2是实施本发明光伏储能全直流电动汽车充电站另一结构示意图。如图1至图2所示，光伏储能全直流电动汽车充电站，包括储能电池组2，所述储能电池组2的正极端分别连接放电模块3的输入正极端和二极管D1的阴极，所述二极管D1的阳极连接太阳能电池板1的正极端，所述太阳能电池板1的负极端、所述储能电池组2的负极端均连接所述放电模块3的输入负极端，所述放电模块3具有用于电动汽车电池组充电的输出端口V3。所述太阳能电池板的电压＞所述储能电池组电压V1＞所述放电模块输入端电压V2，使得所述放电模块输入端V2获得太阳能电池板2与储能电池组2形成的双路互补充电。所述放电模块3为恒功率模块，所述双路互补充电采用所述太阳能电池板1优先供电给所述放电模块3，不足部分由所述储能电池组2补充，以减少储能电池组充放电次数，延长储能电池使用寿命。
所述太阳能电池板1具有太阳能电池串联升压结构以满足所述太阳能电池板的工作电压要求，所述储能电池组2具有储能电池串联升压结构以满足所述储能电池组的工作电压要求。所述太阳能电池板1具有并联扩容结构，所述储能电池组2具有并联扩容结构。所述输出端口V3连接电动汽车电池组4。所述储能电池组2包括退役的电动汽车电池组。所述退役的电动汽车电池组包括铅酸免维护蓄电池、钒钛蓄电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、三元化合物电池和/或石墨烯电池。所述储能电池组2包括低谷电价充电接口6。所述太阳能电池板连接有并网逆变器接口7，所述太阳能电池板1通过充电控制器5与所述储能电池组2连接，所述充电控制器5连接所述并网逆变器接口7。
将太阳电池与储能电池组、DC/DC放电模块三部分形成不同电压等级(见图1)。其中太阳电池组电压最高，目的是保证太阳电池板工作电压与储能电池组有一定压差，满足储能电池充电条件。在本系统中来自太阳电池的电压会始终高于储能电池的电压V1，电流将直接流向更低电压的DC/DC放电模块V2。从而实现了太阳能向DC/DC放电模块直接供电，不足部分由储能电池补充。减少了储能电池的充放电次数，可以延长电池寿命。储能电池组电压V1与DC/DC放电模块V2始终有一定压差，保证了DC/DC放电模块V2输入电压范围，系统中DC/DC放电模块电压V2最低。在本发明中，巧妙利用储能电池组作为一只大电容来稳定太阳能供电电压和平衡补充太阳能不足的电能。由太阳电池板的工作特性表明，无论太阳光照如何影响，工作电压基本不变，只是充电电流发生变化。根据等电位和能量平衡原理，当太阳能电压高于储能电池组电压，太阳电池板产生的电流I1优先提供给电压最低的DC/DC放电模块V2。因为DC/DC放电模块是恒功率模块，所需不足电流将由储能电池组I2提供。太阳电池板与储能电池组及DC/DC放电模块所有正负极端都是并联连接，由储能电池I2对DC/DC放电模块的能量平衡补充也是自动无缝连接补充。
当阳光较强，有太阳电池电流I1输出时，且V2(DC/DC放电模块)<V1(储能电池组)，DC/DC放电模块所需总电流I＝I1+I2。意味着有部分太阳电池电流未经蓄电池组，直接进入DC/DC放电模块，不足部分由储能电池补充。与并网原理相同，太阳能供电优先。假设当太阳电池功率足够大时：太阳电池的电流也可以不经过储能电池组和BMS(电池管理系统),直接进入DC/DC输入端，效率更加提高。当无阳光太阳电池板不工作，无输出电流I1时(阴雨天或黑夜)，且V2(DC/DC)<V1(储能电池组)，DC/DC放电模块所需总电流I＝I2，意味着全部电力来自储能电池。由于太阳能电压和电流不是恒定值，储能电池组是不能取消的。储能电池在整个供电系统起到平抑、稳定间歇式光伏发电的输出功率，提高供电稳定性。
实践证明可完全实现电动汽车一小时内快充，并且该充电站中无逆变器和交流充电桩，不仅减少成本，还提高充电效率。在电动汽车行业的快充考核指标一般指电池容量30％充至80％的所需要的时间。因为电动汽车在行驶中电池容量低于30％，请求充电的指示灯开始报警提示充电。事实上，可以在43分钟内，将电动汽车电池组容量由30％充至80％。随着充电时间延长，电动汽车电池容量增加值比较平稳，也证明了控制系统稳定，运行正常。
通过DC/DC放电模块放电，实现了43分钟内将电池容量由30％充电至80％的快充效果，一小时内可以充至100％。经过2个月的4800公里充放电实验，技术方案可行。
为了证明太阳能电池板的电流可以不通过储能电池组，能够直接向DC/DC放电模块供电，不足部分由储能电池组补充的技术结果，特进行了太阳能电池板与储能电池向电动汽车电池组双路充电实验。实验数据表明：当关闭太阳能电池板与DC/DC放电模块之间的供电开关，太阳能电池板只有空载电压电流输出为零，DC/DC放电模块完全由储能电池组充电，输出电流为34A。当太阳能电池板与DC/DC放电模块接通时，DC/DC放电模块总功率不变，总电流33.3A等于太阳电池提供16.3A及储能电池提供17A，总电流约等于34A(可忽略测试仪器误差)。
太阳能与储能电池双路充电实验，数据分析表明：为DC/DC放电模块供电来源，并不是全部来自储能电池组。太阳能直供的电流大小取决于太阳电池板功率和当时的太阳辐射条件。在理想状况下，太阳电池功率大于DC/DC放电模块功率并辐射条件较好的条件，储能电池组可完全无电流输出只起平衡电压作用。DC/DC放电模块由太阳电池直接供电，并不影响DC/DC放电模块的功率输出。这样设计极大的提高了充电效率，减少储能电池组的充放电次数，也延长电池组的寿命。测试数据表明，因早8时阳光较弱，太阳电池板输出电流小，由储能电池组提供的电流就大。如果到中午太阳辐射强，太阳电池输出电流大，储能电池输出的电流就小。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (10)
1.光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，包括储能电池组，所述储能电池组的正极端分别连接放电模块的输入正极端和二极管的阴极，所述二极管的阳极连接太阳能电池板的正极端，所述太阳能电池板的负极端、所述储能电池组的负极端均连接所述放电模块的输入负极端，所述放电模块具有用于电动汽车电池组充电的输出端口。
2.根据权利要求1所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述太阳能电池板的电压＞所述储能电池组电压＞所述放电模块输入端电压，使得所述放电模块输入端获得太阳能电池板与储能电池组形成的双路互补充电。
3.根据权利要求2所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述放电模块为恒功率模块，所述双路互补充电采用所述太阳能电池板优先供电给所述放电模块，不足部分由所述储能电池组补充，以减少储能电池组充放电次数，延长储能电池使用寿命。
4.根据权利要求1所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述太阳能电池板具有太阳能电池串联升压结构以满足所述太阳能电池板的工作电压要求，所述储能电池组具有储能电池串联升压结构以满足所述储能电池组的工作电压要求。
5.根据权利要求1所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述太阳能电池板具有并联扩容结构，所述储能电池组具有并联扩容结构。
6.根据权利要求1所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述输出端口连接电动汽车电池组。
7.根据权利要求1所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述储能电池组包括退役的电动汽车电池组。
8.根据权利要求7所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述退役的电动汽车电池组包括铅酸免维护蓄电池、钒钛蓄电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、三元化合物电池和/或石墨烯电池。
9.根据权利要求1所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述储能电池组包括低谷电价充电接口。
10.根据权利要求1所述的光伏储能全直流电动汽车充电站，其特征在于，所述太阳能电池板连接有并网逆变器接口，所述太阳能电池板通过充电控制器与所述储能电池组连接，所述充电控制器连接所述并网逆变器接口。
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