CN110336309B - 基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统及方法，属于电动汽车充电桩技术领域，在交流慢充桩相连有提供交流电源的慢充接口，慢充接口连接有AC/DC变换器；AC/DC变换器通过直流母线连接有第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；第一DC/DC变换器连接有能量缓存控制器；第二DC/DC变换器连接直流快充接口，能量缓存控制器连接多个可移动储能装置，通过优化各个MOSFET开关管的开关状态实现所有可移动储能装置的最优拓扑连接。本发明对可从电网获取能量，进行存储，在电网低谷时，可反馈能量给电网，缓解了配电网扩容需求、降低了配网投资、提高了配网运行效率、保证了配电网安全平稳运行，利用储能技术对配电电网进行削峰填谷，减少电网所受的冲击性。

Description

基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电桩技术领域，具体涉及一种减少了电网流出的功率、降低了电网受到的冲击的基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统及方法。

背景技术

现有电动汽车充电桩具有充电时间过长以及不便利的缺点，因此采用大功率充电桩成为必然趋势。现有电动汽车充电桩施行的大功率快速充电以高功率直流充电桩为主，直流桩不但成本高且对配网的容量要求极高，当大量需要充电的电动汽车接入配电网中，电动汽车充电负荷将会对电网的安全与稳定产生影响，对配电网产生较大的冲击。然而，通过配电网扩容改造、增加直流快速充电桩来满足间歇式充电桩功率需求，不仅极大增加了配电网改造扩容投资，也将导致配电网资产闲置、设备利用率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少了电网流出的功率、降低了电网受到的冲击的基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统及方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供的一种基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统，该系统在交流慢充桩相连有提供交流电源的慢充接口，所述慢充接口连接有AC/DC变换器；

所述AC/DC变换器通过直流母线连接有第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；其中，所述AC/DC变换器用于为所述直流母线提供电能；

所述第一DC/DC变换器连接有能量缓存控制器，所述电能通过所述第一DC/DC变换器在所述直流母线和所述能量缓存控制器间双向流动；

所述第二DC/DC变换器连接直流快充接口，所述第二DC/DC变换器用于将由直流母线提供的电能转换为直流快充标准电压，通过所述直流快充接口为电动汽车充电；

所述能量缓存控制器连接有多个可移动储能装置，所述能量缓存控制器用于通过优化各个MOSFET开关管的开关状态实现所有可移动储能装置的最优拓扑连接。

另一方面，本发明提供一种基于双向能量缓存的充电桩功率提升方法，该方法包括如下流程步骤：

步骤S110：确定所有可移动储能装置的大于负载消耗电量E₀的α倍的总电量E；其中，α为能量缓存的电量冗余系数；

步骤S120：确定所有可移动储能装置的大于直流母线电压V₀的β倍的总电压V；其中，β为能量缓存的电压冗余系数；

步骤S130：确定所有可移动储能装置的大于负载消耗功率P₀的γ倍的总最大放电功率P；其中，γ为能量缓存的功率冗余系数；

步骤S140：根据E、V和P，结合非线性优化算法求解各个MOSFET开关管的最优开关状态，实现各个可移动储能装置连接拓扑的动态改变。

优选的，所述步骤S110中，所述总电量E满足：

其中，SOC_i为第i个可移动储能装置的电池荷电状态，C_i为第i个可移动储能装置的电池容量，U为当前充电桩中所有可移动储能装置的集合。

优选的，所述α的取值范围为1.2-1.5。

优选的，所述步骤S120中，所述总电压V满足：

其中，V_i为第i个可移动储能装置的开路电压。

优选的，所述β的取值范围为2-3。

优选的，所述步骤S130中，所述总最大放电功率P满足：

其中，P_i为第i个可移动储能装置的最大放电功率。

优选的，所述γ的取值范围为2-5。

本发明有益效果：与传统的充电桩相比，对电动汽车充电时，可从电网获取能量，进行存储，在电网低谷时，可反馈能量给电网，将电量充到电动汽车，缓解了配电网扩容需求、降低了配网投资、提高了配网运行效率、保证了配电网安全平稳运行，利用储能技术对配电电网进行削峰填谷，减少电网所受的冲击性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所述的基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统功能原理框图。

图2为本发明实施例2所述的基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统功能原理框图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提供一种基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统，该系统在交流慢充桩相连有提供交流电源的慢充接口，所述慢充接口连接有AC/DC变换器；

所述AC/DC变换器通过直流母线连接有第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；其中，所述AC/DC变换器用于为所述直流母线提供电能；

所述第一DC/DC变换器连接有能量缓存控制器，所述电能通过所述第一DC/DC变换器在所述直流母线和所述能量缓存控制器间双向流动；

所述第二DC/DC变换器连接直流快充接口，所述第二DC/DC变换器用于将由直流母线提供的电能转换为直流快充标准电压，通过所述直流快充接口为电动汽车充电；

所述能量缓存控制器的接口1至接口N分别连接有一个可移动储能装置，通过优化各个MOSFET开关管的开关状态可实现所有可移动储能装置的最优拓扑连接。

本发明实施例1中，利用上述系统进行充电桩功率提升方法，包括如下流程步骤：

步骤S110：确定所有可移动储能装置的大于负载消耗电量E₀的α倍的总电量E；其中，α为能量缓存的电量冗余系数；

步骤S120：确定所有可移动储能装置的大于直流母线电压V₀的β倍的总电压V；其中，β为能量缓存的电压冗余系数；

步骤S130：确定所有可移动储能装置的大于负载消耗功率P₀的γ倍的总最大放电功率P；其中，γ为能量缓存的功率冗余系数；

步骤S140：根据E、V和P，结合非线性优化算法求解各个MOSFET开关管的最优开关状态，实现各个可移动储能装置连接拓扑的动态改变。

所述步骤S110中，所述总电量E满足：

其中，SOC_i为第i个可移动储能装置的电池荷电状态，C_i为第i个可移动储能装置的电池容量，U为当前充电桩中所有可移动储能装置的集合。

所述α的取值范围为1.2-1.5。

所述步骤S120中，所述总电压V满足：

其中，V_i为第i个可移动储能装置的开路电压。

所述β的取值范围为2-3。

所述步骤S130中，所述总最大放电功率P满足：

其中，P_i为第i个可移动储能装置的最大放电功率。

所述γ的取值范围为2-5。

实施例2

本发明实施例2提供一种基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统，所述系统包含与已有的交流慢充桩相连并为充电桩功率提升系统提供交流电源的慢充接口；与慢充接口相连的AC/DC变换器；与AC/DC变换器相连的直流母线，由AC/DC变换器向直流母线提供能量；与直流母线相连的两个DC/DC变换器，其中，一个DC/DC变换器与能量缓存控制器相连并与直流母线相连，能量在直流母线与能量缓存控制器间双向流通，另一个DC/DC变换器与直流母线相连并由直流母线获取能量将其转换为直流快充标准电压，用于控制直流快充的DC/DC变换器通过直流快充接口与电动汽车相连以直流快充方式实现充电桩的功率提升。

能量缓存控制器内通过动态控制MOSFET(金属-氧化物半场效晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)开关的断开和闭合实现多个可移动储能装置的连接拓扑的改变，实现不同移动储能装置串联或并联方式的改变。

由于能量缓存控制器可实现动态地改变不同移动储能装置连接拓扑，所以本发明实施例2中的充电桩功率提升系统中的可移动储能装置的电压、SOC(电池荷电状态，Stateof Charge)、放电能力均可各不相同，这是本发明与已有的电池组要求所有电芯状态完全一致的本质区别。

如图2所示，本发明实施例2提供的一种基于双向能量缓存的充电装功率提升系统，该系统中，可移动储能装置的接入个数少于或等于能量缓存控制的接口数量，也就是说直流充电桩的部分功率来自于可移动储能电池的功率，这样不仅完成了充电桩的功率提升，还减少了从电网获得的功率，降低了对电网的冲击。

本发明实施例2以连接4个可移动储能装置的能量缓存控制器为例对该系统的工作原理进行说明。如图2所示，①、②、③、④分别代表能量缓存控制器的接口1、接口2、接口3和接口4，接口1至接口4的上下两端均连接有MOSFET开关管。

本发明实施例2中，提供一种利用上述系统进行充电功率提升的方法，由于能量缓存控制器可实现动态地改变不同移动储能装置连接拓扑，所以充电桩功率提升系统中的可移动储能装置的电压、SOC(电池荷电状态，State of Charge)、放电能力均可各不相同。需要通过优化各个MOSFET开关管的开关状态实现所有可移动储能装置的最优拓扑连接。

优化各个MOSFET开关的开关状态，具体如下：

条件一：能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总电量E应大于负载消耗电量E₀的α倍，其中α为能量缓存的电量冗余系数。

如，

所示，其中SOC_i为第i个可移动储能装置的电池荷电状态，C_i为第i个可移动储能装置的电池容量，i∈{1,2,3,4}，U为当前充电桩中所有可移动储能装置的集合。各个的可移动储能装置的SOC_i为0％到100％之间的任意值，C_i为各个可移动储能装置的电池容量，随着电池衰减而逐渐减小，在可移动储能装置的使用过程中通过实时监控得到当前的C_i。能量缓存控制器的运行满足能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总电量大于负载消耗电量的α倍。通常，α的取值为1.2至1.5，在本实施例2中，α的取值为1.2。

条件二：能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总电压V应大于充电桩功率提升系统直流母线电压V₀的β倍，其中β为能量缓存的电压冗余系数。

如，

所示，其中V_i为第i个可移动储能装置的开路电压，U为当前充电桩中所有可移动储能装置的集合。各个的可移动储能装置的开路电压V_i可以完全不同，在可移动储能装置的使用过程中通过实时监控得到当前的V_i。能量缓存控制器的运行满足能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总电压大于充电桩功率提升系统直流母线电压的β倍。考虑到可移动储能装置连接拓扑的改变，通常β的取值为2至3，在本实施例2中，β的取值为2.5。

条件三：能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总最大放电功率P应大于充电桩负载消耗功率P₀的γ倍，其中γ为能量缓存的功率冗余系数。

如，

所示，其中P_i为第i个可移动储能装置的最大放电功率，U为当前充电桩中所有可移动储能装置的集合。各个的可移动储能装置的最大放电功率P_i可以完全不同，即各个可移动储能装置的放电能力各不相同。能量缓存控制器的运行满足能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总最大放电功率大于充电桩负载消耗功率的γ倍。考虑到可移动储能装置连接拓扑的改变，通常γ的取值为2至5，在本实施例2中，β的取值为3。

各个MOSFET开关的开关状态需同时满足条件一、条件二和条件三，由于上述步骤中的参数为非线性，故需使用非线性优化算法即可求解出最优的能量缓存控制器中各个MOSFET开关的开关状态，实现各个可移动储能装置连接拓扑的动态改变。

在本发明实施例2中，通过上述方法，将380V的交流电最终转换为500V的快充直流电。

综上所述，本发明实施例所述的系统和方法，通过以能量缓存为基础，并且是双向能量缓存，来解决提高充电桩功率，优化配电网安全性的问题。与传统的充电桩相比，双向能量缓存充电桩多了一个储能电池，该储能电池的作用主要有三个方面：第一充电时，储能电池从电网获取能量，进行存储；第二储能电池可以在电网低谷时，反馈能量给电网；第三储能电池放电，将电量充到电动汽车。该技术可以解决大规模提高充电桩功率的同时，对配电网安全性不产生影响的难题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统，其特征在于：

在交流慢充桩相连有提供交流电源的慢充接口，所述慢充接口连接有AC/DC变换器；

所述AC/DC变换器通过直流母线连接有第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；其中，所述AC/DC变换器用于为所述直流母线提供电能；

所述第一DC/DC变换器连接有能量缓存控制器，所述电能通过所述第一DC/DC变换器在所述直流母线和所述能量缓存控制器间双向流动；

所述第二DC/DC变换器连接直流快充接口，所述第二DC/DC变换器用于将由直流母线提供的电能转换为直流快充标准电压，通过所述直流快充接口为电动汽车充电；

所述能量缓存控制器连接有多个可移动储能装置，所述能量缓存控制器用于通过优化各个MOSFET开关管的开关状态实现所有可移动储能装置的最优拓扑连接；能量缓存控制器内通过动态控制MOSFET开关的断开和闭合实现多个可移动储能装置的连接拓扑的改变，实现不同移动储能装置串联或并联方式的改变；

所述可移动储能装置可根据各个充电桩的使用情况进行移动调度，实现能量的流动；

所述能量缓存控制器控制所述MOSFET开关管的最优开关状态同时满足条件一、条件二和条件三；其中，

条件一：能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总电量E大于负载消耗电量E₀的α倍，其中α为能量缓存的电量冗余系数；

条件二：能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总电压V大于充电桩功率提升系统直流母线电压V₀的β倍，其中β为能量缓存的电压冗余系数；

条件三：能量缓存控制器下的所有可移动储能装置的总最大放电功率P大于充电桩负载消耗功率P₀的γ倍，其中γ为能量缓存的功率冗余系数。

2.一种利用如权利要求1所述的基于双向能量缓存的充电桩功率提升系统的充电桩功率提升方法，其特征在于，包括如下流程步骤：

步骤S110：确定所有可移动储能装置的大于负载消耗电量E₀的α倍的总电量E；其中，α为能量缓存的电量冗余系数；

步骤S120：确定所有可移动储能装置的大于直流母线电压V₀的β倍的总电压V；其中，β为能量缓存的电压冗余系数；

步骤S130：确定所有可移动储能装置的大于负载消耗功率P₀的γ倍的总最大放电功率P；其中，γ为能量缓存的功率冗余系数；

步骤S140：根据E、V和P，结合非线性优化算法求解各个MOSFET开关管的最优开关状态，实现各个可移动储能装置连接拓扑的动态改变。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S110中，所述总电量E满足：

其中，SOC_i为第i个可移动储能装置的电池荷电状态，C_i为第i个可移动储能装置的电池容量，U为当前充电桩中所有可移动储能装置的集合。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述α的取值范围为1.2-1.5。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S120中，所述总电压V满足：

其中，V_i为第i个可移动储能装置的开路电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述β的取值范围为2-3。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S130中，所述总最大放电功率P满足：

其中，P_i为第i个可移动储能装置的最大放电功率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述γ的取值范围为2-5。

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