CN111422084A - 一种分级母线式柔性充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分级母线式柔性充电系统，该系统包括：至少一条扩展母线和至少两个功率矩阵；每个功率矩阵包括至少一功率模块和至少两条矩阵母线，功率模块通过矩阵母线输出电流，至少两条矩阵母线中包括供电母线和借调母线，每条供电母线分别连接一充电枪，借调母线通过扩展输出可控开关连接扩展母线，扩展母线通过扩展输入可控开关连接功率矩阵的供电输入端，供电输入端与各把充电枪之间分别通过一可控开关进行连接。本发明提供的充电系统需要较少的可控开关，所以成本更低、组装效率更高、更加便于系统扩展；并且本系统将母线分为两级，分别是扩展母线和矩阵母线，母线进行分级管理，充电站组网配置更为灵活。

Description

一种分级母线式柔性充电系统
技术领域
本发明涉及充电技术领域，特别涉及一种分级母线式柔性充电系统。
背景技术
大功率充电是一重要趋势，然而充电功率个体需求差异较大，充电功率受温度、内部电量等因素影响，充电功率需求每次差异较大，单个充电模块独立运行会造成极大的浪费。现行矩阵式充电桩为提高充电模块的利用率，会应用较多的可控开关。如图1所示的传统矩阵式充电系统，会将全部的功率模块投切到系统内所有的充电枪。例如，有a把充电枪和b个功率模块，那么系统所需的可控开关数为a*b个，当系统大规模拓扑时将造成可控开关数量几何性增加，器件增多，导致成本极大提升，充电桩故障风险也随之加大。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种分级母线式柔性充电系统。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种分级母线式柔性充电系统，所述系统包括：至少一条扩展母线和至少两个功率矩阵；每个所述功率矩阵包括至少一功率模块和至少两条矩阵母线，所述功率模块通过所述矩阵母线输出电流，所述至少两条矩阵母线中包括供电母线和借调母线，每条所述供电母线分别连接一充电枪，所述借调母线通过扩展输出可控开关连接所述扩展母线，所述扩展母线通过扩展输入可控开关连接所述功率矩阵的供电输入端，所述供电输入端与各把充电枪之间分别通过一可控开关进行连接。
可选的，在任一所述功率矩阵中，任一所述功率模块与各条所述矩阵母线之间分别通过一可控开关进行连接。
可选的，所述借调母线与各条所述扩展母线之间分别通过一所述扩展输出可控开关进行连接；
相应的，每条所述扩展母线分别通过一所述扩展输入可控开关连接所述供电输入端。
可选的，所述扩展母线的数量与所述功率矩阵的数量相同；
相应的，第i条扩展母线通过一所述扩展输入可控开关连接第i个功率矩阵的供电输入端，针对所述第i个功率矩阵，所述借调母线与除所述第i条扩展母线之外其余的扩展母线之间分别通过一所述扩展输出可控开关进行连接，其中，i＝1、2、……、I，I为扩展母线的数量。
可选的，针对其中任一所述功率矩阵，通过控制其中可控开关的开合，控制该功率矩阵中的功率模块向目标充电枪供电，以实现功率矩阵独立运行。
可选的，当目标充电枪需要多个功率矩阵共同向其供电时，通过所述扩展母线实现功率矩阵之间的功率借调。
可选的，当一条扩展母线无法满足电流载流需求时，可通过控制所述扩展输出可控开关和所述扩展输入可控开关的开合，控制借调的各功率矩阵的输出电流流向至少两条不同的扩展母线。
本发明实施例提供的充电系统需要较少的可控开关，所以成本更低、组装效率更高、更加便于系统扩展；并且本系统将母线分为两级，分别是扩展母线和矩阵母线，母线进行分级管理，充电站组网配置更为灵活；同时功率模块的应用效率较高，能够适用充电功率需求差别较大的现状及未来。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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是一种传统矩阵式充电系统的电路示意图；
图2是本发明实施例提供的一种分级母线式柔性充电系统的电路示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种分级母线式柔性充电系统的电路示意图；
图4是本发明实施例提供的一种功率矩阵的电路示意图；
图5是本发明实施例提供的再一种分级母线式柔性充电系统的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参照图2，为本发明实施例提供的一种分级母线式柔性充电系统的电路示意图，该系统包括：至少一条扩展母线100和至少两个功率矩阵200。每个功率矩阵200包括至少一功率模块(图2未画出)和至少两条矩阵母线300。功率模块通过矩阵母线300输出电流，所述至少两条矩阵母线300中包括供电母线借和调母线，每条所述供电母线分别连接一充电枪，所述借调母线通过扩展输出可控开关连接所述扩展母线100，所述扩展母线100通过扩展输入可控开关连接所述功率矩阵200的供电输入端P，所述供电输入端P与各把充电枪之间分别通过一可控开关进行连接。本实施例中的可控开关，可以为继电器。
本实施例的充电系统的工作原理可以概括为：功率矩阵通过矩阵母线向直连的充电枪供电，同时还可以通过扩展母线向有需求的其他充电枪供电，从而实现功率借调。本实施例中的充电枪可以为与需充电装置，如电动汽车连接，为需充电装置的电池充电的装置。
为比较清楚的展示本实施例所提供的充电系统，以图3和图4为例进行说明。需要说明的是，图3所示的系统电路图为示例性说明，充电枪、扩展母线、功率矩阵和矩阵母线的数量可以根据需要自行设置，本发明实施例并不限定充电枪、扩展母线、功率矩阵和矩阵母线的具体数量。图3所示充电系统包括6把充电枪、3条扩展母线和3个功率矩阵，每个功率矩阵包括3条矩阵母线。6把充电枪分别是：充电枪11、充电枪12、充电枪21、充电枪22、充电枪31和充电枪32。3条扩展母线分别是：扩展母线L1、扩展母线L2和扩展母线L3。3个功率矩阵分别是：功率矩阵1、功率矩阵2和功率矩阵3。3条矩阵母线分别是矩阵母线0、矩阵母线1和矩阵母线2。其中，矩阵母线0为借调母线，矩阵母线1和矩阵母线2均为供电母线。功率矩阵1的矩阵母线1连接充电枪11，矩阵母线2连接充电枪12。功率矩阵2的矩阵母线1连接充电枪21，矩阵母线2连接充电枪22。功率矩阵3的矩阵母线1连接充电枪31，矩阵母线2连接充电枪32。
参照图4，任一功率模块与各条矩阵母线之间分别通过一可控开关进行连接，所述功率模块通过矩阵母线输出电流。例如，功率模块1通过可控开关K101连接矩阵母线0，功率模块1通过可控开关K111连接矩阵母线1，功率模块1通过可控开关K121连接矩阵母线2。针对系统中任一功率矩阵，其中任一功率模块与每条矩阵母线之间均通过一可控开关进行连接，从而通过控制可控开关的开合，控制功率模块向目标充电枪供电，以实现功率矩阵的独立运行。例如，参考图4所示的功率矩阵1，当需要为充电枪11供电时，可通过闭合可控开关K111、K112、……、K11n，使各功率模块与矩阵母线1联通，从而通过矩阵母线1将功率输出至充电枪11。每个功率柜可以配置一功率矩阵，也就是说，本发明实施例可以实现单独功率柜的独立运营，且不受其他功率柜的影响。
当某一目标充电枪需要较大功率输出时，即需要多个功率矩阵共同向其供电时，可以通过扩展母线实现功率矩阵(功率柜)间的功率借调。如图2所示，用于实现功率矩阵间的功率借调的电路结构为：功率矩阵200中的借调母线通过扩展输出可控开关连接所述扩展母线100，所述扩展母线100通过扩展输入可控开关连接供电输入端P。进一步的，每个功率矩阵200中的借调母线与各条扩展母线100之间可以分别通过一扩展输出可控开关进行连接，相应的，每条扩展母线100可以分别通过一扩展输入可控开关连接供电输入端P。以图3中的功率矩阵1进行举例说明，借调母线，即矩阵母线0通过扩展输出可控开关K111连接扩展母线1，矩阵母线0通过扩展输出可控开关K211连接扩展母线2，矩阵母线0通过扩展输出可控开关K311连接扩展母线3。相应的，扩展母线1通过扩展输入可控开关K110连接供电输入端P，扩展母线2通过扩展输入可控开关K210连接供电输入端P，扩展母线3通过扩展输入可控开关K310连接供电输入端P。
进一步的，每条所述扩展母线分别通过不同的所述扩展输入可控开关连接所述供电输入端P。例如，如图2所示，可选的，每条所述扩展母线分别通过不同的所述扩展输入可控开关连接所述供电输入端。也就是说，扩展输入可控开关无需与扩展母线一一对应，两条或三条扩展母线可以通过同一扩展输入可控开关连接供电输入端P。例如扩展母线1和扩展母线2通过同一扩展输入可控开关连接供电输入端P，同时扩展母线3通过另一扩展输入可控开关连接供电输入端P。
所述供电输入端P与各把充电枪之间分别通过可控开关进行连接。例如，如图2所示，供电输入端P通过可控开关K110连接充电枪11，供电输入端P通过可控开关K120连接充电枪12。
每个功率矩阵的借调母线通过扩展母线连接充电枪，从而实现向除与本功率矩阵直连的充电枪之外的充电枪供电。例如，若充电枪11需要较大功率输出时，可由功率矩阵2和功率矩阵3向其提供；通过闭合功率矩阵2和功率矩阵3中与矩阵母线0连接的可控开关，将功率模块与矩阵母线0联通；如选定扩展母线L1，功率矩阵2通过闭合的扩展输出可控开关K121，功率矩阵3通过闭合的扩展输出可控开关K131与扩展母线L1联通；闭合扩展输入可控开关K110和可控开关K110，使功率输出至充电枪11。
若充电功率需求比较大时，一条扩展母线无法满足电流载流需求时，可通过控制所述扩展输出可控开关和所述扩展输入可控开关的开合，控制借调的各功率矩阵的输出电流流向至少两条不同的扩展母线。例如选择扩展母线1和扩展母线2进行载流；可通过闭合的K121扩展输入可控开关使功率矩阵2与扩展母线1联通，可通过闭合的K231扩展输入可控开关使功率矩阵3与扩展母线2联通；闭合K110扩展输出可控开关、扩展输出可控开关K210和可控开关K110，使功率输出至充电枪11。
在另一种简化方案中，借调母线无需连接每一条扩展母线，相应的，供电输入端P也无需连接每一条扩展母线。在该简化方案中，扩展母线的数量与功率矩阵的数量相同。该简化方案能够使用更少的开关，具体方案为：第i条扩展母线通过一所述扩展输入可控开关连接第i个功率矩阵的供电输入端，针对所述第i个功率矩阵，所述借调母线与除所述第i条扩展母线之外其余的扩展母线之间分别通过一所述扩展输出可控开关进行连接，其中，i＝1、2、……、I，I为扩展母线的数量。
具体的，以图5所示的包括3条扩展母线和3个功率矩阵的充电系统为例进行举例说明。功率矩阵1的借调母线，即矩阵母线0通过扩展输出可控开关K211连接扩展母线2，矩阵母线0通过扩展输出可控开关K311连接扩展母线3，扩展母线1通过扩展输入可控开关K110连接功率矩阵1的供电输入端P。功率矩阵2的借调母线，即矩阵母线0通过扩展输出可控开关K121连接扩展母线1，矩阵母线0通过扩展输出可控开关K321连接扩展母线3，扩展母线2通过扩展输入可控开关K220连接功率矩阵2的供电输入端P。功率矩阵3的借调母线，即矩阵母线0通过扩展输出可控开关K131连接扩展母线1，矩阵母线0通过扩展输出可控开关K231连接扩展母线2，扩展母线3通过扩展输入可控开关K330连接功率矩阵3的供电输入端P。当充电枪11需要向功率矩阵2和功率矩阵3进行功率借调时，可通过闭合扩展输入可控开关K121、扩展输入可控开关K131、扩展输出可控开关K110和可控开关K11，使功率矩阵2和功率矩阵3输出功率至扩展母线1，再通过扩展母线1将功率输出至充电枪11。
本发明实施例提供的充电系统较传统矩阵式充电系统相比，所需的可控开关数量减少，以每个功率矩阵包括10个功率模块，6把充电枪为例，图3所示的充电系统包括114(3*(30+6+2))个可控开关；而传统矩阵式充电系统需要180(6*30)个可控开关，减少近36％的可控开关数量；而图5所示的简化的充电系统包括105(3*(30+3+2))个可控开关，所需的可控开关数量更少；如果按本发明实施例所示的拓扑结构扩展更大的系统，优势将更为明显。
本发明实施例提供的充电系统需要较少的可控开关，所以成本更低、组装效率更高、更加便于系统扩展；并且本系统将母线分为两级，分别是扩展母线和矩阵母线，母线进行分级管理，充电站组网配置更为灵活；同时功率模块的应用效率较高，能够适用充电功率需求差别较大的现状及未来。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种分级母线式柔性充电系统，其特征在于，所述系统包括：至少一条扩展母线和至少两个功率矩阵；每个所述功率矩阵包括至少一功率模块和至少两条矩阵母线，所述功率模块通过所述矩阵母线输出电流，所述至少两条矩阵母线中包括供电母线和借调母线，每条所述供电母线分别连接一充电枪，所述借调母线通过扩展输出可控开关连接所述扩展母线，所述扩展母线通过扩展输入可控开关连接所述功率矩阵的供电输入端，所述供电输入端与各把充电枪之间分别通过一可控开关进行连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在任一所述功率矩阵中，任一所述功率模块与各条所述矩阵母线之间分别通过一可控开关进行连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述借调母线与各条所述扩展母线之间分别通过一所述扩展输出可控开关进行连接；
相应的，每条所述扩展母线分别通过一所述扩展输入可控开关连接所述供电输入端。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩展母线的数量与所述功率矩阵的数量相同；
相应的，第i条扩展母线通过一所述扩展输入可控开关连接第i个功率矩阵的供电输入端，针对所述第i个功率矩阵，所述借调母线与除所述第i条扩展母线之外其余的扩展母线之间分别通过一所述扩展输出可控开关进行连接，其中，i＝1、2、……、I，I为扩展母线的数量。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对其中任一所述功率矩阵，通过控制其中可控开关的开合，控制该功率矩阵中的功率模块向目标充电枪供电，以实现功率矩阵独立运行。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当目标充电枪需要多个功率矩阵共同向其供电时，通过所述扩展母线实现功率矩阵之间的功率借调。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当一条扩展母线无法满足电流载流需求时，可通过控制所述扩展输出可控开关和所述扩展输入可控开关的开合，控制借调的各功率矩阵的输出电流流向至少两条不同的扩展母线。
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