CN111267663A - 一种基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，包括一级自动控制模块、交流充电模块和直流充电模块；本发明从用户实际需求出发，采用基于自动控制方案的储能与交流电网相结合技术，本发明通过自动控制系统选取通道，经整流模块、储能电池模块分别与用电终端连接从而增加了充电选择方式，在基本满足充电需求的前提下，使用储能电池缓解用电高峰时刻的电网负荷，以扩展传统充电站的通道选择、功率选择单一的问题。

Description

一种基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩
技术领域
本发明涉及一种基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，使系统内部实时信息传递作用于磁吸式开关动作模块，以选择充电桩的工作通道。
背景技术
近年来电动汽车大规模发展成为趋势，电动汽车用户增加，随之与之伴随的对充电桩充电方式充电速度要求的进一步的提升成为当前充电桩电路设计的主要的导向。传统单一直流或交流充电桩在面对大规模电动汽车负荷时体现出日渐明显的弊端：
1、充电方式单一，无法满足用户需求；
2、充电时间漫长，用户等待时间较长，并且在高峰时段会出现充电拥挤的情况；
3、在充电拥挤的情况下，较为容易产生区域电网过负荷，对电网产生脉冲与影响。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，通过自动控制系统选取通道，经整流模块、储能电池模块分别与用电终端连接从而增加了充电选择方式，并使用储能电池缓解用电高峰时刻的电网负荷，以扩展传统充电站的通道选择、功率选择单一的问题。
技术方案：
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，包括一级自动控制模块、交流充电模块和直流充电模块；
所述一级自动控制模块包括磁吸式开关I和PC端，磁吸式开关I经继电保护器与城市交流电网连接接入交流电能，磁吸式开关I的输出端分别通过通道A和通道B与交流充电模块和直流充电模块连接，PC端根据实时信息采集数据控制磁吸式开关I动作进行通道A和/或通道B的选择，实现交流电能分配：若选择通道A，则交流电能分配给交流充电模块，进行交流充电；若选择通道B，则交流电能分配给直流充电模块，进行直流充电；若同时选择A和通道B，则交流电能同时分配给交流充电模块和直流充电模块，进行交流充电的同时进行储能电池充电；
所述交流充电模块使用分配到的交流电能直接对电动汽车进行交流充电，包括交流功率监测模块和交流充电接口，交流功率监测模块实时采集电动汽车的交流充电功率，将采集信息反馈给PC端；交流电能经通道A输入到交流充电模块后，可以使用变压器进行压降，以适用不同的电压充电等级；定变压器优选采用单相单变的SC(环氧树脂浇注包封式)干式变压器；
所述直流充电模块包括整流模块、二级直流自动控制模块、储能电池和直流功率与电池监测模块；
所述整流模块对分配到的交流电能进行滤波和整流得到直流电能，并将直流电能输送给二级直流自动控制模块；
所述二级直流自动控制模块包括磁吸式开关II，磁吸式开关II的输出端分别通过通道C和通道D与直接充电模块和储能电池连接，PC端根据实时信息采集数据控制磁吸式开关II动作进行通道C和/或通道D的选择，实现直流电能分配：若选择通道C，则直接对电动汽车进行直流充电，进行直接直流充电；若选择通道D，则控制储能电池进行充放电；若同时选择C和通道D，则同时对电动汽车和储能电池进行充电，同时控制储能电池打开放电开关；
所述直流功率与电池监测模块实时采集电动汽车的直流充电功率，并实时采集储能电池的充放电功率和剩余容量，将采集信息反馈给PC端。
根据电力系统稳定运行要求，为防止充电站误动作产生的过电流对整个区域电网产生冲击，可以在一次自动控制模块前端设定继电保护器，以防止过电流，便于控制整个充电系统的电流通断。
根据储能电站自动控制系统适配要求，PC端可以基于单片机V9821芯片设计，获取路端电压电流，存储在ADC寄存器的模拟增益使得量程与采集信号匹配。
为减少整流系统之后的直流电源在传输中会受到外界的干扰，为了解决在整流系统后所受到的高次谐波对整个系统的影响，在通道D至直流充电接口之间的电路中，电能经功率放大器传输给储能电池，在储能电池放电过程中，直流电流经过DC/DC转换器、卡尔曼滤波器滤波后输出，以提高充电系统的稳定性，减少通道切换过程中带来的脉冲。
优选的，所述交流功率监测模块和直流功率与电池监测模块均为AWE1611D PLUS交直流功率分析仪，储能电池的剩余电量信息基于AH积分法获得。
优选的，所述储能电池输出的直流电能依次经DC/DC转换器和卡尔曼滤波器后接入直流充电接口。
优选的，所述整流模块为两级整流电路，包括一级PWM整流电路和二级桥式整流电路；优选的，整流模块的直流输出端口经滤波电容和保护电阻后传输给二级直流自动控制模块。
优选的，所述直接充电模块包括功率调整模块II，功率调整模块II包括比例放大芯片II、滑动变阻器Rf2和保护电阻Re2，保护电阻Re2的输入端接磁吸式开关II的输出端，保护电阻Re2的输出端接比例放大芯片II的负极，比例放大芯片II的正极接地，滑动变阻器Rf2并接在比例放大芯片II的负极和输出端之间；比例放大芯片II的输出端接直流充电接口；还包括功率调整模块I，功率调整模块I包括比例放大芯片I、电容C、滑动变阻器Rf1和保护电阻Re1，保护电阻Re1的输入端接磁吸式开关II的输出端，保护电阻Re1的输出端接比例放大芯片I的负极，比例放大芯片I的正极接地，电容C和滑动变阻器Rf1均并接在比例放大芯片I的负极和输出端之间；比例放大芯片I的输出端接储能电池的输入端。
具体的，在一级自动控制模块中，PC端根据实时信息采集数据进行如下控制：
(11)PC端根据实时信息采集数据确定电动汽车的充电方式：若充电方式为直流充电，则进入步骤(12)；若充电方式为交流充电，则进入步骤(17)；
(12)一级自动控制模块判断充电桩的直接直流充电端口是否满载：若满载，则进入步骤(13)；否则，进入步骤(14)；
(13)一级自动控制模块判断充电桩的储能电池剩余电量是否充足：若充足，则进入步骤(15)；否则，进入步骤(16)；
(14)一级自动控制模块向二级自动控制模块发布直接直流充电指令，对电动汽车进行直接直流充电，要求磁吸式开关I接通通道B，且磁吸式开关II接通通道C；
(15)一级自动控制模块向二级自动控制模块发布储能电池放电指令，要求磁吸式开关I接通通道B，且磁吸式开关II接通通道D；
(16)一级自动控制模块控制磁吸式开关I接通通道A，对电动汽车进行交流充电，降低充电功率；
(17)判断是否接受二级自动控制模块发布的反馈指令：若接收，则执行二级自动控制模块发布的反馈指令；否则，执行步骤(16)；
(18)判断储能电池电量是否充足：若充足，重复步骤(18)；否则，返回步骤(15)。
具体的，在二级自动控制模块中，PC端根据实时信息采集数据进行如下控制：
(21)二级自动控制模块判断是否接受到储能电池放电指令：若接收到，则进入步骤(2A)；否则，重复步骤(21)；
(22)二级自动控制模块判断是否接受到储能电池充电指令：若接收到，则进入步骤(26)；否则，重复步骤(22)；
(23)二级自动控制模块判断是否接受到直接直流充电指令：若接收到，则进入步骤(24)；否则，进入步骤(21)；
(24)判断通道A是否接通：若接通，则进入步骤(27)；否则，进入步骤(25)；
(25)判断通道C是否接通：若接通，则进入步骤(2C)；否则，进入步骤(28)；
(26)判断通道D是否接通：若接通，则进入步骤(2B)；否则，进入步骤(29)；
(27)断开通道A；
(28)断开通道C；
(29)接通通道D；
(2A)判断通道A是否接通：若接通，则进入步骤(2D)；否则，进入步骤(2C)；
(2B)断开储能电池放电通道开关，接通通道D，对储能电池充电；
(2C)对电动汽车进行直接直流充电，返回步骤(24)；
(2D)断开通道A，闭合储能电池放电通道开关，储能电池对电动汽车进行间接直流充电；
其中：步骤(21)、步骤(22)和步骤(23)为并行判断语句；步骤(23)的判断语句具有优先权，即直接直流充电指令发出后，立即接通直流直接充电通道，直接对电动汽车进行直流充电，此时储能电池不放电；当充电桩直流充电总负荷功率大于允许值时，停止对储能电池充电，当充电桩直流充电总负荷功率小于等于允许值时或充电桩切换为交流充电时开始对储能电池充电至电能充足。
有益效果：本发明提供的基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，相对于现有技术，具有如下优势：1、提高了充电桩内部交直流充电转换的灵活性；2、提高了电能利用率；3、在一定程度上缓解了传统单一形式充电桩所带来的过负荷现象，降低了由于过负荷引发事故的故障率；4、在极大程度上的增强了交直流一体化充电桩的自适应能力，满足了客户的充放电需求。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为一级自动控制系统的流程示意图；
图3为二级自动控制系统的流程示意图；
图4为磁吸式开关结构示意图；
图5为本发明的自动控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，包括一级自动控制模块、交流充电模块和直流充电模块。
根据电力系统稳定运行要求，为防止充电站误动作产生的过电流对整个区域电网产生冲击，可以在一次自动控制模块前端设定继电保护器，以防止过电流，便于控制整个充电系统的电流通断。
所述一级自动控制模块包括磁吸式开关I和PC端，磁吸式开关I经继电保护器与城市交流电网连接接入交流电能，磁吸式开关I的输出端分别通过通道A和通道B与交流充电模块和直流充电模块连接，PC端根据实时信息采集数据控制磁吸式开关I动作进行通道A和/或通道B的选择，实现交流电能分配：若选择通道A，则交流电能分配给交流充电模块，进行交流充电；若选择通道B，则交流电能分配给直流充电模块，进行直流充电；若同时选择A和通道B，则交流电能同时分配给交流充电模块和直流充电模块，进行交流充电的同时进行储能电池充电。
所述交流充电模块使用分配到的交流电能直接对电动汽车进行交流充电，包括交流功率监测模块和交流充电接口，交流功率监测模块实时采集电动汽车的交流充电功率，将采集信息反馈给PC端；交流电能经通道A输入到交流充电模块后，可以使用变压器进行压降，以适用不同的电压充电等级；定变压器优选采用单相单变的SC(环氧树脂浇注包封式)干式变压器。
所述直流充电模块包括整流模块、二级直流自动控制模块、储能电池和直流功率与电池监测模块。
所述整流模块对分配到的交流电能进行滤波和整流得到直流电能，并将直流电能输送给二级直流自动控制模块。
所述二级直流自动控制模块包括磁吸式开关II，磁吸式开关II的输出端分别通过通道C和通道D与直接充电模块和储能电池连接，PC端根据实时信息采集数据控制磁吸式开关II动作进行通道C和/或通道D的选择，实现直流电能分配：若选择通道C，则直接对电动汽车进行直流充电，进行直接直流充电；若选择通道D，则控制储能电池进行充放电；若同时选择C和通道D，则同时对电动汽车和储能电池进行充电，同时控制储能电池打开放电开关。
在直接充电模块和储能电池与通道C和通道D连接电路间设置功率放大模块，经整流模块之后，充电系统分为直流直供充电以及经储能电池之后的间接直流充电，经磁吸式开关选择通道之后，进入直流传输，传输过程中使用功率放大器可以对功率进行控制，同时进行电流电压的把控。
为减少整流系统之后的直流电源在传输中会受到外界的干扰，为了解决在整流系统后所受到的高次谐波对整个系统的影响，在通道D至直流充电接口之间的电路中，电能经功率放大器传输给储能电池，在储能电池放电过程中，直流电流经过DC/DC转换器、卡尔曼滤波器滤波后输出，以提高充电系统的稳定性，减少通道切换过程中带来的脉冲。
依据储能电池充放电工作原理，将储能电池容量等因素考虑在内，储能电池仅作为充放电调节方式。
所述直流功率与电池监测模块实时采集电动汽车的直流充电功率，并实时采集储能电池的充放电功率和剩余容量，将采集信息反馈给PC端。
本案中的磁吸式开关为双通道选择磁吸式开关(电路图中两个磁吸式开关为一组)，如图4所示，磁吸式开关主要通过MIS数字选择器实现通道选择，微电子端口PC通过中规模数字电路实现通道选择，根据PC端提供的实时信息进行通道选择。
根据自动控制原理，本充电桩采用自适应自动控制，自动控制系统分两级：
一级自动控制系统(一级自动控制模块)，即主自动控制系统，包括磁吸式开关I，PC端对交流功率监测模块、直流功率与电池监测模块反馈的信息进行综合调配，产生控制指令作用于磁吸式开关I，从而实现交直流通道选择：通道A为交流方向，通道B为直流方向。
二级自动控制系统(二级直流自动控制模块)，即直流自动控制系统，包括磁吸式开关II，PC端对直流功率与电池监测模块反馈的信息和一级自动控制系统发布的指令进行综合调配，产生控制指令作用于磁吸式开关II，从而实现直接直流充电与储能电池充电通道互换选择：通道C为储能电池充电方向，通道D为直流直接充电方向。
根据上述，如图5所示，通道A通道为交流充电通道，通过变压器升压扩容作用为用户提供较为长时间的充电时间。B通道导通后接整流模块，整流的电流有两路输出即C、D两通道。在C通道接通时，直流电为充电汽车直接充电；在D通道接通时，直流电为大型铅酸储能电池充电，根据需求，在储能电池充放电控制开关S闭合时，使用储能电池在允许的放电深度下进行放电为充电汽车提供大功率快速充电。经检测到容量不够时将打开开关S；在C、D通道同时接通时，储能电池只进行充电，使用直接放电通道C进行直流充电。考虑到功率需求，在过程中加入功率放大器根据适时要求调控充电功率，以满足用户充电需求。
在实际工作中，城市交流电网提供交流电能进入一级自动控制模块，一级自动控制模块根据实时接收信息作用于磁吸式开关I，从而实现A、B通道的选择。A通道方向交流电进入交流充电模块，经交流功率监测模块后输出给电动汽车进行交流充电。此时直流充电关闭，若储能电池电量不足，根据一级自动控制系统作用，B、D通道接通，C通道不通，储能电池放电通道打开，为储能电池进行直流充电。B通道方向交流电进入直流充电模块，交流电传输经整流模块，将交流电整流为直流电流输入二级自动控制模块。二级自动控制模块根据实时接收信息作用于磁吸式开关II，从而实现C、D通道的选择，从而选取直接充电与间接充电。电能流经二级自动控制模块后均输入功率调节模块，根据用户充电需求调节充电功率，实现直流变功率充电。C、D通道输出直流电流均经过直流功率与电池监测模块后输出，供电动汽车进行直流充电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，其特征在于：包括一级自动控制模块、交流充电模块和直流充电模块；
所述一级自动控制模块包括磁吸式开关I和PC端，磁吸式开关I经继电保护器与城市交流电网连接接入交流电能，磁吸式开关I的输出端分别通过通道A和通道B与交流充电模块和直流充电模块连接，PC端根据实时信息采集数据控制磁吸式开关I动作进行通道A和/或通道B的选择，实现交流电能分配：若选择通道A，则交流电能分配给交流充电模块；若选择通道B，则交流电能分配给直流充电模块；若同时选择A和通道B，则交流电能同时分配给交流充电模块和直流充电模块；
所述交流充电模块使用分配到的交流电能直接对电动汽车进行交流充电，包括交流功率监测模块和交流充电接口，交流功率监测模块实时采集电动汽车的交流充电功率，将采集信息反馈给PC端；
所述直流充电模块包括整流模块、二级直流自动控制模块、储能电池和直流功率与电池监测模块；
所述整流模块对分配到的交流电能进行滤波和整流得到直流电能，并将直流电能输送给二级直流自动控制模块；
所述二级直流自动控制模块包括磁吸式开关II，磁吸式开关II的输出端分别通过通道C和通道D与直接充电模块和储能电池连接，PC端根据实时信息采集数据控制磁吸式开关II动作进行通道C和/或通道D的选择，实现直流电能分配：若选择通道C，则直接对电动汽车进行直流充电；若选择通道D，则控制储能电池进行充放电；若同时选择C和通道D，则同时对电动汽车和储能电池进行充电，同时控制储能电池打开放电开关；
所述直流功率与电池监测模块实时采集电动汽车的直流充电功率，并实时采集储能电池的充放电功率和剩余容量，将采集信息反馈给PC端。
2.根据权利要求1所述的基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，其特征在于：所述交流功率监测模块和直流功率与电池监测模块均为AWE1611D PLUS交直流功率分析仪，储能电池的剩余电量信息基于AH积分法获得。
3.根据权利要求1所述的基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，其特征在于：所述储能电池输出的直流电能依次经DC/DC转换器和卡尔曼滤波器后接入直流充电接口。
4.根据权利要求1所述的基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，其特征在于：所述整流模块为两级整流电路，包括一级PWM整流电路和二级桥式整流电路。
5.根据权利要求1所述的基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，其特征在于：所述直接充电模块包括功率调整模块II，功率调整模块II包括比例放大芯片II、滑动变阻器Rf2和保护电阻Re2，保护电阻Re2的输入端接磁吸式开关II的输出端，保护电阻Re2的输出端接比例放大芯片II的负极，比例放大芯片II的正极接地，滑动变阻器Rf2并接在比例放大芯片II的负极和输出端之间；比例放大芯片II的输出端接直流充电接口；
还包括功率调整模块I，功率调整模块I包括比例放大芯片I、电容C、滑动变阻器Rf1和保护电阻Re1，保护电阻Re1的输入端接磁吸式开关II的输出端，保护电阻Re1的输出端接比例放大芯片I的负极，比例放大芯片I的正极接地，电容C和滑动变阻器Rf1均并接在比例放大芯片I的负极和输出端之间；比例放大芯片I的输出端接储能电池的输入端。
6.根据权利要求1所述的基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，其特征在于：在一级自动控制模块中，PC端根据实时信息采集数据进行如下控制：
(11)PC端根据实时信息采集数据确定电动汽车的充电方式：若充电方式为直流充电，则进入步骤(12)；若充电方式为交流充电，则进入步骤(17)；
(12)一级自动控制模块判断充电桩的直接直流充电端口是否满载：若满载，则进入步骤(13)；否则，进入步骤(14)；
(13)一级自动控制模块判断充电桩的储能电池剩余电量是否充足：若充足，则进入步骤(15)；否则，进入步骤(16)；
(14)一级自动控制模块向二级自动控制模块发布直接直流充电指令，对电动汽车进行直接直流充电，要求磁吸式开关I接通通道B，且磁吸式开关II接通通道C；
(15)一级自动控制模块向二级自动控制模块发布储能电池放电指令，要求磁吸式开关I接通通道B，且磁吸式开关II接通通道D；
(16)一级自动控制模块控制磁吸式开关I接通通道A，对电动汽车进行交流充电，降低充电功率；
(17)判断是否接受二级自动控制模块发布的反馈指令：若接收，则执行二级自动控制模块发布的反馈指令；否则，执行步骤(16)；
(18)判断储能电池电量是否充足：若充足，重复步骤(18)；否则，返回步骤(15)。
7.根据权利要求1所述的基于自动控制的交直流互配电动汽车储能充电桩，其特征在于：在二级自动控制模块中，PC端根据实时信息采集数据进行如下控制：
(21)二级自动控制模块判断是否接受到储能电池放电指令：若接收到，则进入步骤(2A)；否则，重复步骤(21)；
(22)二级自动控制模块判断是否接受到储能电池充电指令：若接收到，则进入步骤(26)；否则，重复步骤(22)；
(23)二级自动控制模块判断是否接受到直接直流充电指令：若接收到，则进入步骤(24)；否则，进入步骤(21)；
(24)判断通道A是否接通：若接通，则进入步骤(27)；否则，进入步骤(25)；
(25)判断通道C是否接通：若接通，则进入步骤(2C)；否则，进入步骤(28)；
(26)判断通道D是否接通：若接通，则进入步骤(2B)；否则，进入步骤(29)；
(27)断开通道A；
(28)断开通道C；
(29)接通通道D；
(2A)判断通道A是否接通：若接通，则进入步骤(2D)；否则，进入步骤(2C)；
(2B)断开储能电池放电通道开关，接通通道D，对储能电池充电；
(2C)对电动汽车进行直接直流充电，返回步骤(24)；
(2D)断开通道A，闭合储能电池放电通道开关，储能电池对电动汽车进行间接直流充电；
其中：步骤(21)、步骤(22)和步骤(23)为并行判断语句；步骤(23)的判断语句具有优先权，即直接直流充电指令发出后，立即接通直流直接充电通道，直接对电动汽车进行直流充电，此时储能电池不放电；当充电桩直流充电总负荷功率大于允许值时，停止对储能电池充电，当充电桩直流充电总负荷功率小于等于允许值时或充电桩切换为交流充电时开始对储能电池充电至电能充足。
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