CN111231730B - 一种充电桩充放电控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种充电桩充放电控制方法及系统，该方法包括：检测电动汽车的充电需求和电网的运行状态；当电网处于峰电期，若电动汽车没有充电需求，则储能电源将电能输出给电网；若电动汽车有充电需求，则储能电源将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电；当电网处于谷电期，若电动汽车没有充电需求，则电网将电能输出给储能电源，为储能电源充电；若电动汽车有充电需求，则电网将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电。本发明通过根据电网的峰电期和谷电期状态，来控制电网和储能电源的电能输出流向，避免了电网的负荷波动，提高了电网电能质量。

Description

一种充电桩充放电控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种充电桩充放电控制方法及系统，属于电力电子技术和储能技术领域。
背景技术
近年来，随着世界范围内对能源紧张与环境问题的日趋关注，电动汽车的发展成为热点，我国电动汽车产业的发展更是形势大好。发展电动汽车，必然离不开充电基础设施的建设。快速充电是解决电动汽车续航问题的方法，是未来大力发展的方向，但是快充负荷将影响电网的电能质量和安全稳定运行。
在有些地区，由于充电桩的投资与建设日益增多，但大部分充电桩长期处于空闲状态，导致充电桩存在分布广和利用率低的问题。而在一些区民区内，充电桩的数目却明显不能够满足较多电动汽车的充电需要，且由于普通的充电桩多为单向充电模式，这就要求在小区内增加充电桩的数量，不仅需要增加配电设备容量，会涉及复杂的工程改造问题，也会导致电网负荷谷差增大，影响电网的电能质量。因此，如何在保证电网电能质量不受充电负荷接入影响的情况下，合理使用充电桩，并提高充电桩的利用效率，已成为智能快速充电桩设计首先考虑的问题。
申请公布号为CN108146284A的中国发明专利申请文件公开了一种固定式电动汽车充电装置及其充电方法，通过交流/直流转换器将电网电源提供的交流电转换为直流电，一路通过直流/直流转换器后直接向用电设备供电，另一路通过储能电池中存储的电能向用电设备进行供电。但是，由于该固定式电动汽车充电装置及其充电方法无法根据电网的峰电期和谷电期状态控制储能电池的运行状态，造成电网的负荷波动、电网电能质量较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种充电桩充放电控制方法及系统，用于解决现有技术无法根据电网的峰电期和谷电期状态控制储能电池的运行状态，造成电网的负荷波动、电网电能质量较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种充电桩充放电控制方法，包括如下步骤：
检测电动汽车的充电需求和电网的运行状态；
当电网处于峰电期，若电动汽车没有充电需求，则储能电源将电能输出给电网；若电动汽车有充电需求，则储能电源将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电；
当电网处于谷电期，若电动汽车没有充电需求，则电网将电能输出给储能电源，为储能电源充电；若电动汽车有充电需求，则电网将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电。
基于上述的充电桩充放电控制方法，本发明还提供了一种充电桩充放电系统，包括双向AC/DC模块、开关切换模块、储能电源模块和用于连接电动汽车以为电动汽车充电的电动汽车充电模块；所述开关切换模块包括三个端口，分别为第一选择端、第二选择端和第三选择端；所述双向AC/DC模块的交流端用于连接电网，所述双向AC/DC模块的直流端连接第一选择端；所述储能电源模块连接第二选择端；所述电动汽车充电模块连接第三选择端；第一选择端、第二选择端和第三选择端中的至少两个选择端能够连通；所述储能电源模块包括储能电源。
本发明的有益效果是：当电网为峰电期时，若电动汽车有充电需求，则控制储能电源给电动汽车充电，否则控制储能电源给电网输电；当电网为谷电期时，若电动汽车有充电需求，则控制电网给电动汽车充电，否则控制电网给储能电源输电；通过根据电网的峰电期和谷电期状态，来控制电网和储能电源的电能输出流向，避免了电网的负荷波动，提高了电网电能质量。
作为系统的进一步改进，为了提高控制可靠性，所述开关切换模块包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关的一端、第二开关的一端和第三开关的一端相连，所述第一开关的另一端为所述第一选择端，所述第二开关的另一端为所述第二选择端，所述第三开关的另一端为所述第三选择端。
作为系统的进一步改进，为了实现电压变换，所述储能电源模块还包括第一DC/DC模块，所述第一DC/DC模块的一端连接所述储能电源，另一端连接所述第二选择端。
作为系统的进一步改进，为了实现直流电压变换，所述电动汽车充电模块包括第二DC/DC模块和用于连接电动汽车的充电接口，所述第二DC/DC模块的一端连接所述充电接口，另一端连接所述第三选择端。
作为系统的进一步改进，为了实现交直流转换，所述双向AC/DC模块为桥式电路。
作为系统的进一步改进，为了提高直流电压变换的可靠性，所述第二DC/DC模块为buck-boost变换电路。
作为系统的进一步改进，为了提高直流电压变换的可靠性，所述第一DC/DC模块为双向SEPIC变换电路。
作为系统的进一步改进，为了提高直流电压变换的可靠性，第二DC/DC模块为单向DC/DC模块。
附图说明
图1是本发明充电桩充放电系统的电路原理图；
图2是本发明充电桩充放电控制方法的流程图；
图3是本发明储能电源模块的控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
充电桩充放电系统实施例：
本实施例提供了一种充电桩充放电系统，该充电桩充放电系统在不改变配电网的同时，能够实现对电动汽车的快速充电。在充电桩空闲且谷电时期，可以从电网侧吸收电能并存储起来作为备用电源；在充电桩空闲且峰电时期，可以由存储起来的电能向电网提供电，有效减少了负荷波动。充电桩不会因接入电网而对电能质量产生影响，同时解决了充电桩闲置的问题，可对电网普通用户进行推广。
具体的，该充电桩充放电系统对应的电路原理图如图1所示，包括双向AC/DC模块、开关切换模块、储能电源模块和用于连接电动汽车以为电动汽车的动力电池BMS充电的电动汽车充电模块。其中，开关切换模块包括三个端口，分别为第一选择端、第二选择端和第三选择端。双向AC/DC模块的交流端用于连接电网的A、B、C三相电压，其直流端连接开关切换模块的第一选择端，储能电源模块连接第二选择端，电动汽车充电模块连接第三选择端。
其中，双向AC/DC模块可以实现将三相交流电整流为直流电，或者是将直流电逆变为三相交流电，可以采用现有技术中存在的任意结构。例如，在本实施例中，该双向AC/DC模块为图1中的三相桥式结构。
如图1所示，开关切换模块包括第一开关K3、第二开关K2和第三开关K1，第一开关K3的一端、第二开关K2的一端和第三开关K1的一端相连，第一开关K3的另一端为开关切换模块的第一选择端，用于连接双向AC/DC模块的直流端，第二开关K2的另一端为开关切换模块的第二选择端，用于连接储能电源模块，第三开关K1的另一端为开关切换模块的第三选择端，用于连接电动汽车充电模块。
该开关切换模块并不局限于图1中具体给出的结构，还可以有多重变形，只要能够实现以下功能即可：电网可以选择连通储能电源模块和电动汽车充电模块，储能电源模块可以选择连通电网和电动汽车充电模块。
储能电源模块包括第一DC/DC模块和储能电源(超导储能系统)，第一DC/DC模块的一端连接储能电源，另一端连接开关切换模块的第二选择端。其中，第一DC/DC模块为双向DC/DC模块，可以采用现有技术中的任意双向DC/DC模块。例如，在本实施例中，第一DC/DC模块为双向SEPIC变换电路。储能电源包括并联连接的储能线圈L4和储能电容C5，储能线圈L4和储能电容C5的并联点连接第一DC/DC模块。
如图1所示，在双向SEPIC变换电路中，开关管Q2、Q3在一个工作周期内轮流导通，处于互补状态。当电网对储能电源模块进行充电时，开关管Q3可靠关断，开关管Q2与二极管D3按设定的占空比切换导通；当储能电源模块向电动汽车或者电网进行放电时，开关管Q2可靠关断，开关管Q3与二极管D2按设定的占空比切换导通。储能电源的储能线圈L4通过储能电容C5吸收电网侧的电能，并通过储能电容C5向电网和电动汽车动力电池BMS释放电能。
电动汽车充电模块包括第二DC/DC模块和用于连接电动汽车的充电接口，第二DC/DC模块的一端连接充电接口，另一端连接开关切换模块的第三选择端。其中，第二DC/DC模块可以为单向DC/DC模块，也可以为双向DC/DC模块，可以采用现有技术中的任意单向DC/DC模块或双向DC/DC模块。例如，在本实施例中，第二DC/DC模块为单向buck-boost变换电路。
如图1所示，在单向buck-boost变换电路中，通过在直流输入端并联一个滤波电容C1，用来抑制开关管的电压尖峰并滤除高频干扰，当电网或储能电源模块对电动汽车的BMS进行充电时，开关管Q1与二极管D4，开关管Q4与D1按设定的占空比切换导通，实现向电动汽车的充电功能。
上述充电桩充放电系统中的各个模块相互配合，可以实现一种充电桩充放电控制方法，即在用电峰期时，由储能电源向电动汽车或者电网供电；在用电谷期时，由电网向电动汽车或者储能电源供电。由于该充电桩充放电控制方法会在下面的充电桩充放电控制方法实施例中进行详细描述，此处不再赘述。
充电桩充放电控制方法实施例：
基于上述的充电桩充放电系统，本实施例提供了一种充电桩充放电控制方法，结合图1中的充电桩充放电系统，该充电桩充放电控制方法的流程图如图2所示，包括如下步骤：
(1)检测电动汽车的充电需求和电网的运行状态。
当充电桩接收到电动汽车的充电请求时，说明电动汽车有充电需求，否则说明电动汽车没有充电需求。检测电网的运行状态是指检测电网处于峰电期还是处于谷电期，其中，峰电期是指用电高峰期，为一天中8:00-22:00共14小时，谷电期是指用电低谷期，为22:00-次日8:00。
(2)当电网处于峰电期，若电动汽车没有充电需求，则储能电源将电能输出给电网；若电动汽车有充电需求，则储能电源将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电；
当电网处于谷电期，若电动汽车没有充电需求，则电网将电能输出给储能电源，为储能电源充电；若电动汽车有充电需求，则电网将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电。
如图1所示，默认情况下，第一开关K3、第二开关K2和第三开关K1均断开。根据电网处于峰电期和谷电期的状态，对第一开关K3、第二开关K2和第三开关K1进行控制，此时分为两种情况：
当电网处于谷电期时，通过软件设置，双向AC/DC模块实现AC/DC的转换功能，将电网的三相交流电转换为直流电。此时，若充电桩的控制中心收到电动汽车的充电请求，即电动汽车有充电需求，则将第一开关K3和第三开关K1闭合，通过电动汽车充电模块向电动汽车充电；若充电桩的控制中心没有收到电动汽车的充电请求，即电动汽车没有充电需求，则将第一开关K3和第二开关K2闭合，通过第一DC/DC模块向储能电源充电。在电网处于谷电期的充电状态时，双向AC/DC模块处于高频整流状态，可以实现电网电能的高效利用。
当电网处于峰电期时，通过软件设置，关闭双向AC/DC模块。此时，若充电桩的控制中心收到电动汽车的充电请求，即电动汽车有充电需求，则将第三开关K1和第二开关K2闭合、第一开关K3断开，储能电源中存储的电能通过第一DC/DC模块和电动汽车充电模块向电动汽车充电；若充电桩的控制中心没有收到电动汽车的充电请求，即电动汽车没有充电需求，则将第二开关K2和第一开关K3闭合，通过软件设置，双向AC/DC模块实现DC/AC的转换功能，将储能电源的电能转换为交流电，供给电网。在电网处于峰电期的放电状态时，双向AC/DC模块处于逆变并网状态，实现电能回馈电网的功能。
图3给出了储能电源模块的控制框图，具体控制过程为：
Uref为储能电源的端电压给定值，USMES为实际测得的储能电源的端电压值，将电压给定值Uref与实际测得的值USMES进行比较，产生的误差送入到电压PI控制器中，得出储能电源的电流给定值Iref，将电流给定值Iref与实际测得的电流值ISMES进行比较，产生的误差送入电流PI控制器内，在经PWM脉宽调节电路产生开关脉冲，控制开关管Q2、Q3的开断。比较器为电压滞回比较器，当端电压给定值Uref大于电压滞回比较器的最大值时，比较器输出的逻辑值为1，开关脉冲控制开关管Q2的通断，储能电源进行充电；当端电压给定值Uref小于电压滞回比较器的最小值时，比较器输出的逻辑值为0，开关脉冲控制Q3开关管的通断，储能电源进行放电。
上述的该充电桩充放电控制方法通过区分电网的峰谷期，在用电高峰期，采用储能电源为电动汽车或电网供电；在用电谷期，采用电网为电动汽车或储能电源供电，有效抑制了负荷波动，提高了电网电能质量。
需要说明的是，上述的充电桩充放电控制方法并不局限于图1中具体给出的充电桩充放电系统，只要能够通过控制，来实现以下过程：当电网处于谷电期时，实现电网选择向电动汽车或者储能电源供电；当电网处于峰电期时，可以实现储能电源选择向电动汽车或者电网供电。
本发明在实现对电动汽车快速充电的情况下，既不用对电网进行改造，不会影响电网的安全稳定运行，也可以实现削峰填谷，提高电网侧的电能质量。既满足了电动汽车用户的充电需求，也减少了电网运营管理的难度，打破了传统直流充电桩对普通电网用户的安装使用限制，推广了直流充电桩的应用。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种充电桩充放电系统，其特征在于，包括双向AC/DC模块、开关切换模块、储能电源模块和用于连接电动汽车以为电动汽车充电的电动汽车充电模块；
所述开关切换模块包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关的一端、第二开关的一端和第三开关的一端相连；第一开关的另一端连接双向AC/DC模块的直流端，第二开关的另一端连接储能电源模块，第三开关的另一端连接电动汽车充电模块，使所述双向AC/DC模块、储能电源模块、电动汽车充电模块中至少有两个模块能够通过开关连通；
所述双向AC/DC模块的交流端用于连接电网，所述储能电源模块包括储能电源；
充电桩充放电系统对充电桩充放电的控制包括如下步骤：
1）检测电动汽车的充电需求和电网的运行状态；
2）当电网处于峰电期，若电动汽车没有充电需求，则储能电源将电能输出给电网；若电动汽车有充电需求，则储能电源将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电；
3）当电网处于谷电期，若电动汽车没有充电需求，则电网将电能输出给储能电源，为储能电源充电；若电动汽车有充电需求，则电网将电能输出给电动汽车，为电动汽车充电。
2.根据权利要求1所述的充电桩充放电系统，其特征在于，所述储能电源模块还包括第一DC/DC模块，所述第一DC/DC模块的一端连接所述储能电源，另一端连接所述第二开关。
3.根据权利要求1所述的充电桩充放电系统，其特征在于，所述电动汽车充电模块包括第二DC/DC模块和用于连接电动汽车的充电接口，所述第二DC/DC模块的一端连接所述充电接口，另一端连接所述第三开关。
4.根据权利要求1所述的充电桩充放电系统，其特征在于，所述双向AC/DC模块为桥式电路。
5.根据权利要求3所述的充电桩充放电系统，其特征在于，所述第二DC/DC模块为buck-boost变换电路。
6.根据权利要求2所述的充电桩充放电系统，其特征在于，所述第一DC/DC模块为双向SEPIC变换电路。
7.根据权利要求3所述的充电桩充放电系统，其特征在于，第二DC/DC模块为单向DC/DC模块。
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