CN108808779B - 一种用于充电桩的储能堆供电系统 - Google Patents

一种用于充电桩的储能堆供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于充电桩的储能堆供电系统,含充电设备、储能堆与母线,若干充电桩与若干母线接入开关;各充电桩的输入分别经过母线接入开关与母线对应相接;第一储能模组、第二储能模组分别经第一电控开关、第二电控开关与母线相接;第一电压测量单元与第一储能模组的输出端并联相接;第二电压测量单元与第二储能模组的输出端并联相接;第一电压测量单元、第二电压测量单元的输出与控制单元的输入相连;第一储能模组的输出端经过取样切换开关、取样电阻模块与第二储能模组相连;线性放大电路的输入与取样电阻模块相连;线性放大电路的输出经过模数转换单元与控制单元的输入相连;本发明相对现有技术优化了充电桩储能结构的使用管理。

Description

一种用于充电桩的储能堆供电系统
技术领域
本发明涉及充电桩技术领域,具体涉及充电桩储能控制应用领域。
背景技术
目前,充电站的各个充电桩供电端并联在母线端,母线端再与电力输入相连,为了保证在电力输入断电情况下充电桩仍能维持一定时间的工作,母线端同时会连接电池等储能装置,为了保证储能容量,会采用多个电池以串联、并联组合连接的方式形成储能堆,并整体与母线端并联相接。储能堆或电池的容量或剩余电量的监测对于充电桩的使用时长非常重要,虽然电池制造商提供有电池的开路电压与电池容量之间的对应关系可参照,由于充电桩使用的不确定,对应电池自放电的不确定,电池内阻随着老化、充放电次数、温度、放电深度等原因发生变化,告知用户储能结构在保证安全放电深度前提下,剩余电量能够满足提供充电桩的最大使用数量存在问题;对于组成储能堆的每一个电池进行电池管理其成本是比较高的,由于储能堆中电池的拓扑连接结构与内阻变化等原因,建立的计算模型非常复杂,且与储能堆整体进行电池管理相同,也存在偏差较大的问题,如同手机电池监控,虽然手机显示电量还剩20%,但实际使用过程中感知到可能为5%;这对于充电桩储能的用户使用体验来说则影响较大,也可能因为储能堆的过度放电对储能堆结构造成影响;采用最新的阻抗跟踪电量计算能够得到较为精确的电池内阻等数据,由于在使用充电桩进行充电过程中才会获取所需参数计算其储能结构的剩余电量,对于尚未使用充电桩的用户则难以提前获知充电桩对应储能结构的容量,且多个充电桩同时使用则会影响单元用电量,存在浪费时间等待后充电桩单元无法满足充电需求,为正常使用带来了困扰。为了解决这个问题,有必要进行深入研究。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足,本发明提供了一种用于充电桩的储能堆供电系统,其目的在于优化充电桩储能结构的使用管理,增大足额单元电量的充电桩使用数量。
为实现上述目的,本发明采用了如下的技术方案:
一种用于充电桩的储能堆供电系统,包含充电设备、储能堆与母线,所述充电设备的输出、储能堆与母线对应相接;充电设备的输入与市电供电连接;还包含若干充电桩与若干母线接入开关;各充电桩的输入分别经过母线接入开关与母线对应相接;所述储能堆包含第一储能模组、第二储能模组、第一电控开关、第二电控开关、第一电压测量单元、第二电压测量单元、取样电阻模块、取样切换开关与控制单元;所述第一储能模组经第一电控开关与母线相接;所述第二储能模组经第二电控开关与母线相接;所述第一电压测量单元与第一储能模组的输出端并联相接;所述第二电压测量单元与第二储能模组的输出端并联相接;所述第一电压测量单元、第二电压测量单元的输出与控制单元的输入相连;第一储能模组的输出端经过取样切换开关、取样电阻模块与第二储能模组相连;第一电控开关的触发端或控制端、第二电控开关的触发端或控制端、取样切换开关的触发端或通信端与控制单元相连;线性放大电路的输入与取样电阻模块相连,以放大取样电阻模块获取的电压信号;线性放大电路的输出经过模数转换单元与控制单元的输入相连;控制单元与母线接入开关的触发端或通信端对应连接。
进一步的,还包含通信单元;所述通信单元与控制单元通信连接。
进一步的,还包含触发单元,所述触发单元包含开关、传感器或通信模块的其中一种。
进一步的,还包含显示装置;所述显示装置与控制单元相连。
进一步的,所述取样电阻模块包含串联相接的取样电阻R1、取样电阻R2;对应的,所述线性放大电路包含差分放大电路,差分放大电路的其中一个输入端与取样电阻R1
远离取样电阻R2的一端相接,差分放大电路的另一个输入端与取样电阻R2远离取样电阻R1的一端相接;取样电阻R1与取样电阻R2的连接端与差分放大电路的参考地端相连。
进一步的,所述控制单元存储有储能堆中电池的参数数据与若干具体型号车辆的电池容量C0和/或标准充电电流大小I0、标准充电时长T0;所述参数数据包含若干电池开路电压对应电池容量的离散数据、安全放电深度剩余电量EV。
进一步的,所述控制单元包含如下时序步骤:
A、发出触发信号,断开取样切换开关、第一电控开关和/或第二电控开关;
B、读取输入信号,获取第一电压测量单元传递的第一储能模组开路电压Vocv1和/或第二电压测量单元传递的第二储能模组开路电压Vocv2;
C、发出触发信号,使得取样切换开关导通;
D、读取输入信号,获取经取样电阻模块取样,线性放大电路、模数转换单元调整传递的电压信号Vu;获取第一电压测量单元传递的第一储能模组端电压Vd1和/或第二电压测量单元传递的第二储能模组端电压Vd2;
E、根据已知取样电阻模块的电阻值、对应的电压信号Vu及线性放大电路的已知放大系数计算流经取样电阻模块的电流Iu;
F、计算第一储能模组的内阻rd1和/或第二储能模组的内阻rd2;其中,第一储能模组的内阻rd1=(Vocv1-Vd1)/Iu;第二储能模组的内阻rd2=(Vocv2-Vd2)/Iu;
G、根据所测得的第一储能模组开路电压Vocv1和/或第二储能模组开路电压Vocv2查询第一储能模组的电量Soc1和/或第二储能模组的电量Soc2;并根据安全放电深度剩余电量EV计算第一储能模组的可使用电量RM1和/或第二储能模组的可使用电量RM2;其中,第一储能模组的可使用电量RM1=Soc1-EV;第二储能模组的可使用电量RM2=Soc2-EV;
H、发出触发信号,断开取样切换开关的连接;
I、根据具体型号车辆的电池容量C0或标准充电电流大小I0、标准充电时长T0,结合第一储能模组的可使用电量RM1、第二储能模组的可使用电量RM2进行除法计算,并将除法结果的整数部分作为安全充电次数,与充电桩数量进行对比,当安全充电次数大于充电桩数量时可用充电桩数量即为充电桩数量,反之,可用充电桩数量为安全充电次数;
J、发出触发信号,触发显示装置显示安全充电次数或触发对应母线接入开关动作。
本发明通过将储能堆设置为第一储能模组、第二储能模组两个储能单位,一方面,在正常情况下,由其中一个储能单位与母线并接,实现充电桩的扩容与稳压,通过控制单元控制两个储能单位交替并接到母线中,可适当延长不同储能单位并接到母线中的时间,有利于降低储能单位的充电管理频率,减少能耗;当断电时,并接母线的储能单位能够不间断提供电能输出,重要的另一方面,有助于实现并接母线的储能单位与未并接母线的储能单位在存储电量上实现差异化,从而可以由相对高电量的储能单位向相对低电量的储能单位传递电荷,获取储能单位的开路电压、端电压的变化,以及储能单位间电荷传递形成的电流,由此计算出储能单位的内阻,依照控制单元存储的并由传递电荷经过取样电阻模块时所产生的取样电压,通过线性放大电路的等比例放大及模数转换单元输入控制单元;控制单元通过取样电压与取样电阻模块的电阻值获得两个储能单位之间的充电电流,通过充电电流计算出储能单位的内阻,并结合存储的电池容量C0,标准充电电流大小I0、标准充电时长T0,电池开路电压对应电池容量的离散数据,安全放电深度剩余电量EV等参数数据计算得出安全充电次数,并与充电桩数量比较得出能够正常使用的最大充电桩数量,从而实现了优化充电桩储能结构的使用管理,增大足额单元电量的充电桩使用数量。
相比现有技术,本发明将储能结构本身作为可电量监测的辅助单元,简化了电量监控单元的设计,并无须对储能单位的内阻建立温度、老化相关的复杂模型,从实际测量为准,并进而计算得出最大充电桩数量,既方便充电用户掌握相关信息,也方便管理人员合理调度、管理充电设备及充电需求客户。
附图说明
图1为本发明的电路逻辑框图。
图2为本发明中线性放大电路连接原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
一种用于充电桩的储能堆供电系统,如图1所示,包含充电设备、储能堆与母线,所述充电设备的输出、储能堆与母线对应相接;充电设备的输入与市电供电连接;还包含5 个充电桩与母线接入开关KA1-KA5(本实施例中充电桩数量为5个,实际使用时此数量可调整);各充电桩的输入分别经过母线接入开关与母线对应相接,其中储能堆的正极与母线 +相连,储能堆的负极与母线-相连;所述储能堆包含第一储能模组、第二储能模组、第一电控开关K1、第二电控开关K2、第一电压测量单元U1、第二电压测量单元U2、取样电阻模块、取样切换开关K3、通信单元、触发单元、控制单元与显示装置;各母线接入开关 KA1-KA5、第一电控开关K1、第二电控开关K2、取样切换开关K3为基于CAN总线的智能断路器(已有市售产品),一方面便于实现开关的总线扩展,并连接至控制单元,有助于控制单元端口的节省,另一方面便于控制各智能断路器,通信端即为开关的触发端或控制端;所述第一电压测量单元U1、第二电压测量单元U2使用串口通信的电表,以便实现接口的简化与信息的传递;所述第一储能模组经第一电控开关K1与母线相接;所述第二储能模组经第二电控开关K2与母线相接;所述第一电压测量单元U1与第一储能模组的输出端并联相接;所述第二电压测量单元U2与第二储能模组的输出端并联相接;所述第一电压测量单元U1、第二电压测量单元U2的输出与控制单元的输入相连;第一储能模组的输出端经过取样切换开关K3、取样电阻模块与第二储能模组相连;第一电控开关K1的触发端或控制端、第二电控开关K2的触发端或控制端、取样切换开关的触发端或通信端与控制单元相连;线性放大电路的输入与取样电阻模块相连,以放大取样电阻模块获取的电压信号;线性放大电路的输出经过模数转换单元与控制单元的输入相连;所述通信单元与控制单元通信连接;触发单元与控制单元电性连接;所述触发单元包含开关、传感器或通信模块的其中一种。所述传感器包含雷达传感器,光电传感器、重量传感器等等,使用时用于设置于车辆进口处或待充电区,以便于检测到待充电的车辆进入检测区后传递信号启动电量监测与开关切换功能,执行控制时序步骤;触发单元还可使用RF通信模块或手动开关,也可实现相同功能。所述显示装置与控制单元相连,可实现可用充电桩的数量显示;显示装置可用LED屏、LCD屏或与充电桩数量相同的指示灯完成。
如图2所示,所述取样电阻模块包含串联相接的取样电阻R1、取样电阻R2;对应的,所述线性放大电路包含差分放大电路,差分放大电路由U1搭建而成,差分放大电路的其中一个输入端与取样电阻R1远离取样电阻R2的一端相接,差分放大电路的另一个输入端与取样电阻R2远离取样电阻R1的一端相接;取样电阻R1与取样电阻R2的连接端与差分放大电路的参考地端相连;图2中,第一储能模组为V1,第二储能模组为V2,电池BA1、电池BA2为线性放大电路的供电电路,差分电路的输出端out1与模数转换单元的输入相接;当取样切换开关K3闭合时,第一储能模组V1、第二储能模组V2之间的电量传递在取样电阻R1、取样电阻R2上形成了取样电压,无论是由第一储能模组V1流向第二储能模组V2或是反向充电,通过差分放大电路的设置,实现了取样电阻模块上的浮动电压的双向采集,电压输出的正负值即可表现出电流的方向,实现了流进电荷的储能模组与流出电荷的储能模组的识别,便于控制单元的后续处理。
所述控制单元存储有储能堆中电池的参数数据与若干具体型号车辆的电池容量C0和/ 或标准充电电流大小I0、标准充电时长T0;所述参数数据包含若干电池开路电压对应电池容量的离散数据、安全放电深度剩余电量EV;通过网络通信模块可实现相应参数数据的调整或更新,从而更为准确合理的管理充电桩或储能堆的使用;使用时,控制单元还需存储线性放大电路的放大系数、误差调整系数。
所述控制单元包含如下时序步骤:
A、发出触发信号,断开取样切换开关、第一电控开关和/或第二电控开关;
B、读取输入信号,获取第一电压测量单元传递的第一储能模组开路电压Vocv1和/或第二电压测量单元传递的第二储能模组开路电压Vocv2;
C、发出触发信号,使得取样切换开关导通;
D、读取输入信号,获取经取样电阻模块取样,线性放大电路、模数转换单元调整传递的电压信号Vu;获取第一电压测量单元传递的第一储能模组端电压Vd1和/或第二电压测量单元传递的第二储能模组端电压Vd2;
E、根据已知取样电阻模块的电阻值、对应的电压信号Vu及线性放大电路的已知放大系数计算流经取样电阻模块的电流Iu;
F、计算第一储能模组的内阻rd1和/或第二储能模组的内阻rd2;其中,第一储能模组的内阻rd1=(Vocv1-Vd1)/Iu;第二储能模组的内阻rd2=(Vocv2-Vd2)/Iu;
G、根据所测得的第一储能模组开路电压Vocv1和/或第二储能模组开路电压Vocv2查询第一储能模组的电量Soc1和/或第二储能模组的电量Soc2;并根据安全放电深度剩余电量EV计算第一储能模组的可使用电量RM1和/或第二储能模组的可使用电量RM2;其中,第一储能模组的可使用电量RM1=Soc1-EV;第二储能模组的可使用电量RM2=Soc2-EV;
H、发出触发信号,断开取样切换开关的连接;
I、根据具体型号车辆的电池容量C0或标准充电电流大小I0、标准充电时长T0,结合第一储能模组的可使用电量RM1、第二储能模组的可使用电量RM2进行除法计算,即 RM1/C0或RM1/(I0*T0),并将除法结果的整数部分作为安全充电次数,与充电桩数量进行对比,当安全充电次数大于充电桩数量时可用充电桩数量即为充电桩数量,反之,可用充电桩数量为安全充电次数;
J、发出触发信号,触发显示装置显示安全充电次数或触发对应母线接入开关动作。
对于电流及时长的乘积与电量的转换此为现有技术,在此不再赘述。为实现方便的控制,控制单元可使用ARM嵌入式处理器或DSP数字信号处理芯片。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明 的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明 进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于充电桩的储能堆供电系统,包含充电设备、储能堆与母线,所述充电设备的输出、储能堆与母线对应相接;充电设备的输入与市电供电连接;还包含若干充电桩与若干母线接入开关;各充电桩的输入分别经过母线接入开关与母线对应相接;其特征在于:所述储能堆包含第一储能模组、第二储能模组、第一电控开关、第二电控开关、第一电压测量单元、第二电压测量单元、取样电阻模块、取样切换开关与控制单元;所述第一储能模组经第一电控开关与母线相接;所述第二储能模组经第二电控开关与母线相接;所述第一电压测量单元与第一储能模组的输出端并联相接;所述第二电压测量单元与第二储能模组的输出端并联相接;所述第一电压测量单元、第二电压测量单元的输出与控制单元的输入相连;第一储能模组的输出端经过取样切换开关、取样电阻模块与第二储能模组相连;第一电控开关的触发端或控制端、第二电控开关的触发端或控制端、取样切换开关的触发端或通信端与控制单元相连;线性放大电路的输入与取样电阻模块相连,以放大取样电阻模块获取的电压信号;线性放大电路的输出经过模数转换单元与控制单元的输入相连;控制单元与母线接入开关的触发端或通信端对应连接;
所述控制单元存储有储能堆中电池的参数数据与若干具体型号车辆的电池容量C0和标定标准充电电流大小I0、标准充电时长T0;所述参数数据包含若干电池开路电压对应电池容量的离散数据SOC、安全放电深度剩余电压EV;
所述控制单元包含如下时序步骤:
A、发出触发信号,断开取样切换开关、第一电控开关和/或第二电控开关;
B、读取输入信号,获取第一电压测量单元传递的第一储能模组开路电压Vocv1和/或第二电压测量单元传递的第二储能模组开路电压Vocv2;
C、发出触发信号,使得取样切换开关导通;
D、读取输入信号,获取经取样电阻模块取样,线性放大电路、模数转换单元调整传递的电压信号Vu;获取第一电压测量单元传递的第一储能模组端电压Vd1和/或第二电压测量单元传递的第二储能模组端电压Vd2;
E、根据已知取样电阻模块的电阻值、对应的电压信号Vu及线性放大电路的已知放大系数计算流经取样电阻模块的电流Iu;
F、计算第一储能模组的内阻rd1和/或第二储能模组的内阻rd2;其中,第一储能模组的内阻rd1=(Vocv1-Vd1)/Iu;第二储能模组的内阻rd2=(Vocv2-Vd2)/Iu;
G、根据所测得的第一储能模组开路电压Vocv1和/或第二储能模组开路电压Vocv2查询第一储能模组的电量Soc1和/或第二储能模组的电量Soc2;并根据安全放电深度剩余电量EV计算第一储能模组的可使用电量RM1和/或第二储能模组的可使用电量RM2;其中,第一储能模组的可使用电量的电压检索值为Vocv1-I0*rd1,并以此电压值作为电池开路电压值检索对应的电池容量离散数据,获取第一储能模组的剩余电量SOC1;第二储能模组的可使用电量的电压检索值为Vocv2-I0*rd2,并以此电压值作为电池开路电压值检索对应的电池容量离散数据,获取第二储能模组的剩余电量SOC2;
H、发出触发信号,断开取样切换开关的连接;
I、根据具体型号车辆的电池容量C0或标准充电电流大小I0、标准充电时长T0,结合第一储能模组的可使用电量RM1、第二储能模组的可使用电量RM2进行除法计算,并将除法结果的整数部分作为安全充电次数,与充电桩数量进行对比,当安全充电次数大于充电桩数量时可用充电桩数量即为充电桩数量,反之,可用充电桩数量为安全充电次数;
J、发出触发信号,触发显示装置显示安全充电次数或触发对应母线接入开关动作。
2.如权利要求1所述的一种用于充电桩的储能堆供电系统,其特征在于:还包含通信单元;所述通信单元与控制单元通信连接。
3.如权利要求1或2任一项所述的一种用于充电桩的储能堆供电系统,其特征在于:还包含显示装置;所述显示装置与控制单元相连。
4.如权利要求1所述的一种用于充电桩的储能堆供电系统,其特征在于:所述取样电阻模块包含串联相接的取样电阻R1、取样电阻R2;对应的,所述线性放大电路包含差分放大电路,差分放大电路的其中一个输入端与取样电阻R1远离取样电阻R2的一端相接,差分放大电路的另一个输入端与取样电阻R2远离取样电阻R1的一端相接;取样电阻R1与取样电阻R2的连接端与差分放大电路的参考地端相连。
5.如权利要求1所述的一种用于充电桩的储能堆供电系统,其特征在于:还包含触发单元,触发单元与控制单元电性连接;所述触发单元包含开关、传感器或通信模块的其中一种。
6.如权利要求1所述的一种用于充电桩的储能堆供电系统,其特征在于:所述母线接入开关、第一电控开关、第二电控开关、取样切换开关为基于CAN总线的智能断路器。
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