CN110758166A - 一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统 - Google Patents

一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，包括：电网，所述电网为220V交流配电网；双向控制电路，所述双向控制电路分别与电网以及充电电池连接，用于电网和充电电池之间的充电或放电；人机交互设备，所述人机交互设备分别与电网以及双向控制电路连接，当电动汽车充电时，还包括与人际交互设备连接的电动汽车的充电电池，所述人机交互设备用于采集充电电池和电网的信息，并通过控制双向控制电路，实现于电网和充电电池之间的充电或放电；充电桩，所述双向控制电路、人机交互设备均设置于所述充电桩内；所述人机交互设备包括输入设备、输出设备或者输入输出设备之一。

Description

一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统
技术领域
本发明涉及储能装置技术领域，具体涉及一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统。
背景技术
新能源理念日渐深入人心和国家政策对电动汽车的扶持使得电动汽车的销量逐年增长，电动汽车逐渐取代传统汽车成为汽车行业的主流。但是电动汽车用量的增加带来了众多问题：
一、大量电动汽车同一时间接入电网充电会冲击小区的配电变压器，导致变压器负担增加，尤其是用电高峰期，其会严重影响小区配电变压器，使其寿命变短；
二、电动汽车电池寿命短的问题一直得不到解决，严重影响着电动汽车的使用体验；
三、现有的电池修复方式为电阻耗能放电，造成能源的大量浪费；
四、现有充电桩只能对电动汽车充电，无法将电动汽车的电能回馈至电网。
在未来，随着电动汽车用量的继续增加，带来的上述问题更是不得不考虑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种对于某一个充电桩或者小区内，电动汽车充电时的充放电进行协调管理，并对电池进行修复的双向管理系统，其解决了大量电动汽车同一时间并入小区电网充电给小区变压器带来负担的问题，同时有效利用了电池修复时的放电。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，包括：
电网，所述电网为220V交流配电网；
双向控制电路，所述双向控制电路分别与电网以及充电电池连接，用于电网和充电电池之间的充电或放电；
人机交互设备，所述人机交互设备分别与电网以及双向控制电路连接，当电动汽车充电时，还包括与人际交互设备连接的电动汽车的充电电池，所述人机交互设备用于采集充电电池和电网的信息，并通过控制双向控制电路，实现于电网和充电电池之间的充电或放电；
充电桩，所述双向控制电路、人机交互设备均设置于所述充电桩内，且所述双向控制电路设置于人机交互设备的上方；
所述人机交互设备包括输入设备、输出设备或者输入输出设备之一。
第一，本发明中，通过人机交互设备选择，方便使用，与单纯的电池桩对电池充电相比，功能更多，且单独的人机交互设备，可以单独设置，也可以与其它设备匹配，其安装不局限于电动汽车的充电桩，其可以安装或者设置于其它位置，以实现位置空间的节省。
第二，本发明中，通过人机交互设备，实现充电方式的控制选择，一方面，其可以采集充电电池和电网的信息，以便于用户随时观察，随时监控；另一方面，用户可以根据采集到的信息，自动或者手动控制不同的充电方式，使用更加方便。
第三，本发明中，电网和充电电池之间，不仅是充电还有放电，进而在充电电池修复放电时，其放出的电能会反馈至电网，得到利用，避免资源的浪费。
作为本发明的进一步改进，所述电网和充电电池之间的充电或放电包括电网对电池的充电以及电网对电池的在线修复，所述电网对电池的在线修复具体为电网对电池浅充电以及浅放电，并在浅放电时将放出的电量回馈至电网。
本技术方案中，修复电池时，通过在线修复，能够及时观察电池状况，及早发现问题，延长电池使用寿命；本技术方案中，“浅充浅放”意思是别把电充的太满和别把电用的太干净，一般来说保持电池在20%~80%左右的电。充电和放电不百分百的达到电池的最大容量,即充电不充满,放电不放完。
本技术方案中，所述的浅充是指电量小于50%，即要充电，目的是使蓄电池电量不过低，减少电池损伤。浅放是指电量多于80%，就要放电，目的是防止电池过充。
作为本发明的进一步改进，所述电网对电池的充电包括电网对电池的在线充电以及电网对电池的离线充电。
本技术方案中，通过在线充电和离线充电两种充电方式，满足了不同需求，当着急充电时，比如充电电池电量明显过低时，则和普通充电方式一样，直接离线充电，无需考虑或者借鉴用电高峰期等，适用于急需充电的用户；当用户不着急时，则采用在线充电模式，此时，需要根据小区电网连接的充电用户数量等，决定是否充电。
作为本发明的进一步改进，所述在线充电具体为：人机交互设备采集充电电池信息以及电网信息，根据电网在充电区域内用电峰谷时间以及用电负荷状态，调整充电电池充电时间。
通过用电峰谷时间以及用电负荷状态，调整充电时间，能够有效错开高峰，保护配电变压器。
作为本发明的进一步改进，所述双向控制电路包括双向DC-DC电路，所述双向DC-DC电路包括BUCK工作模式和BOOST工作模式。
本技术方案中，通过两种工作模式，实现降压和升压两种模式，以便于配合电网与充电电池之间的充放电。
作为本发明的进一步改进，所述双向DC-DC电路包括第一开关管以及第二开关管，所述人机交互设备通过控制第一开关管以及第二开关管的导通顺序，使其实现BUCK工作模式或BOOST工作模式。
具体地，两个开关管并联设置，且第一开关管靠近电网设置；当第一开关管早于第二开关管导通时，则属于BUCK工作模式，当第二开关管早于第一开关管导通时，则属于BOOST工作模式。
作为本发明的进一步改进，所述双向控制电路还包括双向PWM变流器，所述双向PWM变流器包括整流模式和逆变模式。
本技术方案中，当需要充电时，则PWM变流器将电网的直流电转换为交流电，以实现整流模式充电；当充电电池修复时，则PWM变流器将充电电池放出的交流电转换为直流电，以实现逆变模式放电反馈至电网。
作为本发明的进一步改进，所述双向PWM变流器包括第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述人机交互设备通过控制第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的导通顺序，使其实现整流模式或逆变模式。
本技术方案中，在逆变模式下，第三开关管和第四开关管为一个桥臂，第五开关管和第六开关管为一个桥臂，通过第三开关管与第四开关管导通，第五开关管与第六开关管关闭；第三开关管与第四开关管关闭，第五开关管与第六开关管导通，实现交流电逆变为直流电。
在整流模式下，第三开关管和第四开关管为一个桥臂，第五开关管和第六开关管为一个桥臂，通过第三开关管与第四开关管关闭，第五开关管与第六开关管导通；第三开关管与第四开关管导通，第五开关管与第六开关管关闭，实现直流电整流为交流电。
作为本发明的进一步改进，所述人机交互设备包括控制器、人机接口以及无线通信，所述控制器通过无线通信与充电电池、电网以及双向控制电路连通，所述人机接口用于用户与控制器之间的交互。
当然，无线通信还可以采用wifi进行替代，而人机接口则可以通过连接键盘、鼠标等，使其与电脑或者其它设备进行连接，进而实现交互。
作为本发明的进一步改进，所述控制器还连接有第一采集设备，所述第一采集设备用于采集电网的用电负荷。
本技术方案中，电动汽车的电压电流采集模块通过直接采集用电负荷并反馈至人机交互设备，实现信息的及时采集。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明提供的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统的主要原理图；
图2为本发明提供的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统的电路原理图；
图3为为本发明提供的双向DC-DC的拓扑图；
图4为本发明提高的双向PWM变流器的拓扑图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例1
参照附图1所示，本实施例中，一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，包括：
电网，所述电网为220V交流配电网；
双向控制电路，所述双向控制电路分别与电网以及双向控制电路连接，当电动汽车充电时，还包括与人际交互设备连接的电动汽车的充电电池，所述人机交互设备用于采集充电电池和电网的信息，并通过控制双向控制电路，实现于电网和充电电池之间的充电或放电；
充电桩，所述双向控制电路、人机交互设备均设置于所述充电桩内，且所述双向控制电路设置于人机交互设备的上方；
所述人机交互设备包括输入设备、输出设备或者输入输出设备之一。
本发明中，通过将双向控制电路以及人机交互设备设置于充电桩内，相比于单独采用人机交互设备，节省资源，同时，本领域技术人员可以根据需求，对人机交互设备进行选择，比如输入、输出以及输入输出的选择。
本发明中，将双向控制电路设置于人机交互设备的上方，便于不同身高人，能够通过人机交互设备进行选择，具体地，人机交互设备的操作界面与地面的距离为1-1.2m。如果低于1m，则容易在发生暴雨情况时，雨水对人机交设备有影响，而高于1.2m，导致整个充电桩高度变高，占用空间。
以及充电电池连接，用于电网和充电电池之间的充电或放电；
人机交互设备，所述人机交互设备分别与电网、双向控制电路以及充电电池连接，所述人机交互设备用于采集充电电池和电网的信息，并通过控制双向控制电路，实现于电网和充电电池之间的充电或放电。
第一，本发明中，通过人机交互设备选择，方便使用，与单纯的电池桩对电池充电相比，功能更多，且单独的人机交互设备，可以单独设置，也可以与其它设备匹配，其安装不局限于电动汽车的充电桩，其可以安装或者设置于其它位置，以实现位置空间的节省。
第二，本发明中，通过人机交互设备，实现充电方式的控制选择，一方面，其可以采集充电电池和电网的信息，以便于用户随时观察，随时监控；另一方面，用户可以根据采集到的信息，自动或者手动控制不同的充电方式，使用更加方便。
第三，本发明中，电网和充电电池之间，不仅是充电还有放电，进而在充电电池修复放电时，其放出的电能会反馈至电网，得到利用，避免资源的浪费。
实施例2
本实施例中，重点介绍使用中的各种状态。
具体地，包括充电和放电。
第一，放电：即电池修复时放电，并将其反馈至电网
电网和充电电池之间的充电或放电包括电网对电池的充电以及电网对电池的在线修复，所述电网对电池的在线修复具体为电网对电池浅充电以及浅放电，并在浅放电时将放出的电量回馈至电网。
本技术方案中，修复电池时，通过在线修复，能够及时观察电池状况，及早发现问题，延长电池使用寿命；本技术方案中，“浅充浅放”意思是别把电冲的太满和别把电用的太干净，一般来说保持电池在20%~80%左右的电。充电和放电不百分百的达到电池的最大容量,即充电不充满,放电不放完。
本技术方案中所述的浅充是指电量小于50%，即要充电，目的是使蓄电池电量不过低，减少电池损伤。浅放是指电量多于80%，就要放电，目的是防止电池过充。
现有技术中，电池修复方式主要是电阻耗能放电，使得电能被浪费；本实施例中，则能够将充电电池在进行修复时放电进行反馈，使其重新回到电网中被利用，减少了能耗。
第二、充电：即电网对充电电池充电。
所述电网对电池的充电包括电网对电池的在线充电以及电网对电池的离线充电。
本技术方案中，通过在线充电和离线充电两种充电方式，满足了不同需求，当着急充电时，比如充电电池电量明显过低时，则和普通充电方式一样，直接离线充电，无需考虑或者借鉴用电高峰期等，适用于急需充电的用户；当用户不着急时，则采用在线充电模式，此时，需要根据小区电网连接的充电用户数量等，决定是否充电。
所述在线充电具体为：人机交互设备采集充电电池信息以及电网信息，根据电网在充电区域内用电峰谷时间以及用电负荷状态，调整充电电池充电时间。
通过用电峰谷时间以及用电负荷状态，调整充电时间，能够有效错开高峰，保护配电变压器。
实施例3
本实施例中，主要介绍双向控制电路。
参照附图1和2可知，所述双向控制电路包括双向DC-DC电路，所述双向DC-DC电路包括BUCK工作模式和BOOST工作模式。
本技术方案中，通过两种工作模式，实现降压和升压两种模式，以便于配合电网与充电电池之间的充放电。
参照附图3可知，所述双向DC-DC电路包括第一开关管以及第二开关管，所述人机交互设备通过控制第一开关管以及第二开关管的导通顺序，使其实现BUCK工作模式或BOOST工作模式。
具体地，两个开关管并联设置，且第一开关管靠近电网设置；当第一开关管早于第二开关管导通时，则属于BUCK工作模式，当第二开关管早于第一开关管导通时，则属于BOOST工作模式。
参照附图1和2可知，所述双向控制电路还包括双向PWM变流器，所述双向PWM变流器包括整流模式和逆变模式。
本技术方案中，当需要充电时，则PWM变流器将电网的直流电转换为交流电，以实现整流模式充电；当充电电池修复时，则PWM变流器将充电电池放出的交流电转换为直流电，以实现逆变模式放电反馈至电网。
参照附图4可知，所述双向PWM变流器包括第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述人机交互设备通过控制第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的导通顺序，使其实现整流模式或逆变模式。
在逆变模式下，第三开关管和第四开关管为一个桥臂，第五开关管和第六开关管为一个桥臂，通过第三开关管与第四开关管导通，第五开关管与第六开关管关闭；第三开关管与第四开关管关闭，第五开关管与第六开关管导通，实现交流电逆变为直流电。
在整流模式下，第三开关管和第四开关管为一个桥臂，第五开关管和第六开关管为一个桥臂，通过第三开关管与第四开关管关闭，第五开关管与第六开关管导通；第三开关管与第四开关管导通，第五开关管与第六开关管关闭，实现直流电整流为交流电。
第三开关管和第四开关管不能同时导通，第五开关管和第六开关管不能同时导通，会发生短路。
参照附图1-2所示，本实施例中，双向控制电路主要包括双向DCDC和双向PWM变流器，双向DCDC和双向PWM变流器相串联，双向DCDC实现电压的升降，双向PWM实现变流，来实现电动汽车的充放电。
通信部分为wifi通信；充电电池带有电池管理系统，其用于采集电动汽车电池电量状态，并记录充放电记录，具体地，双向管理系统通过通信模块与电动汽车进行通信，来获取电动汽车电池电量状态，并保存充放电记录。
人机交互设备包括控制器和交互界面，具体地，控制器为DSP。通过交互界面，用户可以根据自身需求选择具有双向管理系统的充电桩的工作模式。工作模式包括在线充电模式，在线修复模式及离线模式。
本实施例中，工作模式如下：
在线充电模式：
电动汽车与双向管理系统进行wifi通信，将电动汽车电池电量信息和历史充放电记录发送给双向管理系统。通信成功后，通过人机交互，在交互界面上选择在线充电模式，双向管理系统根据当地的峰谷时间和小区电网的负荷情况自动分配电动汽车的充电时间，错开用电高峰期。在充电阶段，双向管理系统控制双向DCDC工作在BUCK模式，PWM变流器工作在整流模式，来对蓄电池恒流充电。
通过控制器DSP对蓄电池电压和充电电流进行采集，可以观测到电池电量信息和充电状态。
通过在线充电模式，可以根据小区用电峰谷时间和小区负荷状态自动协调充放电实现错峰充电，不仅节约了能源也减轻了小区变压器的负担，使区域电网能加稳定。
在线修复模式
电动汽车与双向管理系统进行wifi通信，将电动汽车电池电量信息和历史充放电记录发送给双向管理系统。通信成功后，通过人机交互，在交互界面上选择在线修复模式，双向管理系统结合电动汽车历史充电记录，对电池进行浅充浅放，对电池进行修复。
在充电阶段，双向管理系统控制双向DCDC工作在BUCK模式，PWM变流器工作在整流模式。在放电阶段，双向管理系统控制双向DCDC工作在BOOST模式，PWM变流器工作在逆变模式。修复过程中放出的电能通过双向的DCDC的升压和双向PWM整流器的逆变将电能回馈至电网中，提升能源的利用率。
通过控制器DSP对蓄电池充放电和电流的采集，可以监测电池的电量状态和充放电状态。
离线模式
电动汽车与双向管理系统进行wifi通信，通信成功后，通过人机交互，在交互界面上选择离线模式，电动汽车充电时间和方式不受双向管理系统的控制，电动汽车接入充电桩后，立刻进行充电。
具体使用时，电动汽车与双向管理系统的通信为wifi通信，来获取电动汽车电量状态和历史充电记录等信息。控制器通过wifi通信接收电动汽车电池的历史充电记录和电池电量状态信息，用户在人机交互界面上选择工作模式。若选择在线充电模式，双向管理系统根据当地的峰谷时间和负荷状态自动分配电动汽车充电时间，进行错峰充电，减轻小区变压器负担。若选择在线修复模式，双向管理系统会根据电池历史充电记录进行浅充浅放，修复电池，提升电池使用寿命。若选择离线充电模式，电动汽车充电时间不受双向管理系统控制，电动汽车接入充电桩后立即充电。
实施例4
参照附图1和2可知，本实施例中，人机交互设备还包括控制器、人机接口以及通信接口，所述控制器通过通信接口与充电电池、电网以及双向控制电路连通，所述人机接口用于用户与控制器之间的交互。
具体地，通过通信接口获取电动汽车电池电量信息、充电状态，采用普通接口即可。当然，通信接口还可以采用wifi进行替代，而人机接口则可以通过连接键盘、鼠标等，使其与电脑或者其它设备进行连接，进而实现交互。
进一步地，所述控制器还连接有第一采集设备，所述第一采集设备用于采集电网的用电负荷。
本技术方案中，第一采集设备通过大数据分析区域电网峰谷时间，根据区域电网的峰谷时间来决定电动汽车错峰充电时间，其主要是电流采集器或者电网常规负荷采集装置，其通过直接采集用电负荷并反馈至人机交互设备，实现信息的及时采集。
具体地，电动汽车充电能源管理系统通过检测变电站、配电站、变压器等电力负荷参数，与历史负荷曲线对比，根据日负荷曲线，规划合理的充电开始时间及充电负荷大小，以达到错峰充电的目的；而变电站、配电站、变压器等电力负荷参数通过大数据获取，比如国家电网的联网系统数据库等。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，包括：
电网，所述电网为220V交流配电网；
双向控制电路，所述双向控制电路分别与电网以及充电电池连接，用于电网和充电电池之间的充电或放电；
人机交互设备，所述人机交互设备分别与电网以及双向控制电路连接，当电动汽车充电时，还包括与人际交互设备连接的电动汽车的充电电池，所述人机交互设备用于采集充电电池和电网的信息，并通过控制双向控制电路，实现于电网和充电电池之间的充电或放电；
充电桩，所述双向控制电路、人机交互设备均设置于所述充电桩内，且所述双向控制电路设置于人机交互设备的上方；
所述人机交互设备包括输入设备、输出设备或者输入输出设备之一。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述电网和充电电池之间的充电或放电包括电网对电池的充电以及电网对电池的在线修复，所述电网对电池的在线修复具体为电网对电池浅充电以及浅放电，并在浅放电时将放出的电量回馈至电网。
3.根据权利要求2所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述电网对电池的充电包括电网对电池的在线充电以及电网对电池的离线充电。
4.根据权利要求3所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述在线充电具体为：人机交互设备采集充电电池信息以及电网信息，根据电网在充电区域内用电峰谷时间以及用电负荷状态，调整充电电池充电时间。
5.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述双向控制电路包括双向DC-DC电路，所述双向DC-DC电路包括BUCK工作模式和BOOST工作模式。
6.根据权利要求5所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述双向DC-DC电路包括第一开关管以及第二开关管，所述人机交互设备通过控制第一开关管以及第二开关管的导通顺序，使其实现BUCK工作模式或BOOST工作模式。
7.根据权利要求5所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述双向控制电路还包括双向PWM变流器，所述双向PWM变流器包括整流模式和逆变模式。
8.根据权利要求7所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述双向PWM变流器包括第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述人机交互设备通过控制第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的导通顺序，使其实现整流模式或逆变模式。
9.根据权利要求1-8之一所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述人机交互设备还包括控制器、人机接口以及通信接口，所述控制器通过通信接口与充电电池、电网以及双向控制电路连通，所述人机接口用于用户与控制器之间的交互。
10.根据权利要求9所述的一种用于电动汽车充电桩的双向管理系统，其特征在于，所述控制器还连接有第一采集设备，所述第一采集设备用于采集电网的用电负荷。
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