CN112018793B - 一种基于轮循式储能的充电系统 - Google Patents

一种基于轮循式储能的充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于轮循式储能的充电系统，该系统包括能够轮流进行充放电的轮循充放电储能模块、连接于电网与所述轮循充放电储能模块之间的电能输入模块和将所述轮循充放电储能模块与充电需求方连接的电能输出模块，采用本发明的技术方案，由所述轮循充放电储能模块进行可控功的率充电动作和可控功率的放电动作实现电动汽车储能设备的电能补给，有效解决了传统充电装置中对电网建设要求高以及充电过程中对电网冲击过大的问题，相当程度上降低了电网的优化建设成本和故障概率，同时增强了充电过程中电路结构的稳定性和灵活性，有助于促进新能源汽车领域的优化和发展。

Description

一种基于轮循式储能的充电系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车储能技术领域，尤其涉及一种基于轮循式储能的充电系统。
背景技术
随着科技的快速发展，伴随着的环境问题日益严峻，国家越来越重视并倡导可持续发展，由于新能源车辆的绿色环保特性，在交通领域运载车辆中，新能源汽车相对于传统燃油车的比例逐渐升高，而新能源汽车中电动汽车无疑是新能源汽车领域的发展核心，地面充电系统也成为电动汽车能够正常运行的核心配件，用以满足电动汽车的充电需求。
传统的充电系统通过充电变流器以城市电网作为电源实现充电，具体采用变流器加DC/DC变换器的结构对来自电网的充电电压进行控制，实现对电动汽车充电，其通过变流使电网电压从交流变成直流，然后经过DC/DC变流器得到满足电池管理系统的充电要求的输出电压为电动汽车进行充电。由于电动汽车在匮电的情况下，需要大电流进行充电，需要变流器短时间输出较大功率的电能，且不可避免同一个时间段会有多辆汽车需要充电，在车辆接入充电时，充电系统中充电变流器运行的瞬时会对城市电网造成很大冲击，使用这种电路结构的充电系统对电网容量要求过高，使得电网建设成本增加，同时易出现电网跳闸等故障。此外，使用传统结构的充电系统在电网容量不足的地区难以建设，建设过程中消耗的成本过高，而随着电动汽车发展速度很快，桩车比过低的矛盾日益凸显，亟需提供一种科学、优化的充电系统。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于轮循式储能的充电系统，在一个实施例中，所述充电系统包括：
轮循充放电储能模块，其具有可循环多次使用的储能单元，用于根据所述储能单元的电能储存量进行轮流充放电；
电能输入模块，其连接于电网和所述轮循充放电储能模块之间，用于输出恒定功率的电能为所述轮循充放电储能模块充电；
电能输出模块，其连接于所述轮循充放电储能模块和充电需求方之间，用于对所述轮循充放电储能模块进行放电，为所述充电需求方供电。
优选地，所述轮循充放电储能模块，包括：
储能单元和与所述储能单元连接的管理控制单元；
所述储能单元，其由n个的储能子单元组成，n≥2，用于储存电能；
所述管理控制单元，其用于根据各储能子单元的电能储存量控制所述轮循充放电储能模块中的各储能子单元轮流充放电。
优选地，所述储能子单元为可移动和替换的能够满足高频数重复充放电要求的储能结构。
优选地，所述储能单元中设有匮电待充序列和满电待放序列；
所述匮电待充序列，其用于存放电能储存量小于等于预设匮电额度的储能子单元；
所述满电待放序列，其用于存放电能储存量大于预设匮电额度的储能子单元。
进一步地，所述管理控制单元通过如下操作控制所述轮循充放电储能模块中的各储能子单元轮流充放电：
确定所述储能单元内各储能子单元的电能储存量，并根据确定的电能储存量将各储能子单元分配至馈电待充序列和满电待放序列；
利用所述电能输入模块向馈电待充序列中选定的储能子单元进行充电，控制满电待放序列中选定的储能子单元向所述电能输出模块放电。
优选地，所述管理控制单元还用于：
将电能储存量小于等于预设匮电额度的储能子单元列入匮电待充序列中，将电能储存量大于所述预设匮电额度的储能子单元列入满电待放序列中。
进一步地，所述管理控制单元还用于：
由所述电能输入模块输出恒定功率的直流稳定电能为匮电待充序列中选定的储能子单元进行充电，直至所有储能子单元的电能储存量均达到额定容量。
进一步地，所述管理控制单元还用于：
根据充电需求方特性，从所述满电待放序列中选取储能子单元向所述电能输出模块放电，从而为所述充电需求方充电。
优选地，所述电能输入模块，包括：电网接口和AC/DC变流单元；
所述电网接口，其连接于电网的交流侧与所述AC/DC变流单元之间；
所述AC/DC变流单元，其采用PWM四象限整流方式或不控整流方式将来自电网的交流电转换为稳定电压的直流电，并将所述稳定电压的直流电传输至所述轮循充放电储能模块。
优选地，所述电能输出模块包括：DC/DC转换单元和输出接口；
所述DC/DC转换单元，其用于将来自所述轮循充放电储能模块的电能转换为适用于充电需求方的直流电；
所述输出接口一端与所述DC/DC转换单元连接，另一端连接充电需求方。
与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：
本发明提供的基于轮循式储能的充电系统，包括轮循充放电储能模块、连接于电网和所述轮循充放电储能模块之间的电能输入模块及连接于所述轮循充放电储能模块和充电需求方之间的电能输出模块，所述轮循充放电储能模块能够根据其储能单元的电能储存量进行轮流充放电，通过电能输入模块以可控功率方式接收来自电网的电能，由电能输出模块为充电需求方充电，有效地解决了现有技术中对电网容量要求过高、电网建设成本高以及充电过程中易对电网产生冲击和导致电网跳闸故障等问题，在高效、稳定地实现为电动汽车充电的基础上，很大程度上降低了电网的优化建设成本和故障概率，有助于电网的稳定运行和促进新能源汽车领域的优化和发展。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中传统充电系统的电路结构示意图；
图2是本发明一个实施例中基于轮循式储能的充电系统的电路结构示意图；
图3是本发明实施例中基于轮循式储能的充电系统中的轮循充放电储能模块的内部结构示意图；
图4是本发明实施例中基于轮循式储能的充电系统充放电过程的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在交通领域运载车辆的发展方向由传统的燃油车开始转向绿色环保的新能源汽车。而电动汽车无疑是新能源汽车领域的发展核心，充电系统是电动汽车能够正常运行的核心配件。
传统的充电系统通过充电变流器以城市电网作为电源，采用变流器加DC/DC变换器的结构对电网的充电电压进行控制实现对电动汽车充电，如图1所示，传统的充电系统直接通过AC/DC变流器使电网电压从交流变成直流，然后经过DC/DC变流器得到满足电池管理系统的充电要求的输出电压，进而为电动汽车进行充电，该技术方案虽然能够实现为电动汽车充电，但是存在以下问题：
(1)传统充电装置的电网输出功率是根据后端车辆负载决定的，充电过程中，匮电状态的电动汽车需要大电流进行充电，此时变流器的输出功率较大，使用这种电路结构的充电系统对电网容量要求过高，使得电网建设成本增加，且短时对电网造成很大的电力负荷，存在电网跳闸等事故风险。
(2)电动汽车的数量日益增加，不可避免同一个时间段会有多辆汽车需要充电，在多辆待充电汽车同时接入充电时，充电系统中充电变流器运行的瞬间会对电网造成很大冲击。
(3)现有的充电系统是以城市电网为电源，设置区域相对局限，在电网容量不足的地区难以建设，建设过程中消耗的成本过高。
为解决上述问题，本发明提供一种基于轮循式储能的充电系统，开基于轮循式储能的充电系统通过包括可移动储能子单元和管理控制单元的轮循充放电储能模块根据储能子单元的电能储存量进行轮流充放电，其充电过程中利用电能输入模块以功率可控的形式接收来自电网的电能，其放电过程中，利用电能输出模块将其储能子单元输出的电能进行电压转换并传输至待充电的对象，可以解决传统充电系统短时充电功率大，对电网造成冲击和易导致跳闸事故的缺陷。且本发明中的储能子单元可移动和替换，在无法搭建电网或难以搭建电网的需求区域，更换满足要求的标准储能子单元也能维持需求区域充电桩的持续运行，实现电动汽车高效充电。下面参考附图对本发明各个实施例进行说明。
实施例一
图2示出了本发明一个实施例中基于轮循式储能的充电系统的结构示意图，参照图2可知，该充电系统包括：
轮循充放电储能模块220，其具有可循环多次使用的储能单元，用于根据储能单元的电能储存量进行轮流充放电。
电能输入模块240，其连接于电网和轮循充放电储能模块220之间，用于输出恒定功率的电能为轮循充放电储能模块220充电。
电能输出模块260，其连接于轮循充放电储能模块220和充电需求方之间，用于对轮循充放电储能模块220进行放电，为充电需求方供电。
其中，充电需求方包括：匮电的供电设备和电动汽车的储能装置，例如电动汽车充电桩和待充电汽车的蓄电池。
本发明实施例中的轮循充放电储能模块220，包括：
储能单元2202和与储能单元连接的管理控制单元2204。
其中，本发明实施例的储能单元2202由n个储能子单元组成，n≥2，用于储存电能。管理控制单元2204，其用于根据各储能子单元的电能储存量控制轮循充放电储能模块中各储能子单元轮流充放电。
优选地，图3中所示的管理控制单元2204，其匮电待充序列中有i个储能子单元，分别为储能子单元a1，储能子单元a2，…，储能子单元ai；满电待放序列中有j个储能子单元，分别为储能子单元b1，储能子单元b2，…，储能子单元bj，i+j＝n。此外，本发明实施例的储能单元2202中，若因为某些特殊情况，储能子单元的数量小于额定数量，只要能够进行正常的轮流充放电，是不影响充电系统的正常作业的。
具体的，为了使充电系统的使用效果更佳，储能子单元为可移动和替换的能够满足高频数重复充放电要求的储能结构。储能单元中每个储能子单元两端设置有断路元件，可以是开关或常规断路器，便于储能子单元进行移动和替换，在进行移动之前，将储能子单元两端断路元件置于闭合状态，将储能子单元移动操作对整个充电系统的影响降到最低。
本发明实施例的储能子单元作为充电系统的中间电源，通过电能输出模块的DC/DC变换单元输出稳定的直流电为充电需求方供电，其采用可移动和替换的可满足瞬时大功率放电特殊介质，这样的技术结构在无法搭建电网或难以搭建电网的需求区域也可以通过更换满足要求的标准储能子单元为电动汽车高效充电，克服了设置区域的局限性，灵活性大大增加；同时，储能结构能够满足重复充放电需求，即可以根据储能子单元的实时储存电量轮循地进行充电放电并可以循环使用多次。
储能单元2202中的各储能子单元分别位于与其电能储存量对应的序列中，便于实现轮循式充放电，因此，本发明实施例的储能单元2202中设有匮电待充序列和满电待放序列。
其中，匮电待充序列，其用于存放电能储存量小于等于预设匮电额度的储能子单元。满电待放序列，其用于存放电能储存量大于预设匮电额度的储能子单元。
为了清楚地表明本发明实施例的充电系统为充电需求方供电的过程，下面结合充电系统的轮循充放电储能模块对工作流程进行说明。图4示出了本发明实施例基于轮循式储能的充电系统的充放电流程示意图，如图4所示，轮循充放电储能模块220通过如下操作控制轮循充放电储能模块中的各储能子单元轮流充放电。
步骤S410，确定储能单元2202内各储能子单元的电能储存量，并根据确定的电能储存量将各储能子单元分配至馈电待充序列和满电待放序列；
步骤S420，由管理控制单元2204控制轮循充放电储能模块220利用电能输入模块240向馈电待充序列中选定的储能子单元进行充电，控制满电待放序列中选定的储能子单元向电能输出模块260放电。其中，管理控制单元2204还用于控制轮循充放电储能模块220根据电能储存量对各储能子单元进行分配，具体包括：
将各储能子单元的电能储存量与预设匮电额度进行比较，将电能储存量小于等于预设匮电额度的储能子单元列入匮电待充序列中，将电能储存量大于预设匮电额度的储能子单元列入满电待放序列中。
进一步地，管理控制单元2204还用于：当匮电待充序列中存在储能子单元时，由电能输入模块240输出恒定功率的直流稳定电能对位于匮电待充序列中的储能子单元进行充电，直至所有储能子单元的电能储存量均达到额定容量。
该过程中，获取各个储能子单元的电能储存量，将各储能子单元的实时电能储存量与预设的匮电额度值进行比较，根据预设的时间间隔获取各储能子单元的当前电能储存量，将电能储存量小于等于预设匮电额度的储能子单元列入匮电待充序列中，将电能储存量大于预设匮电额度的储能子单元列入满电待放序列中；通过装置的电能输入模块对位于匮电待充序列中的储能子单元充电至所有储能子单元充满电，并将电量达到额定容量的储能子单元移出匮电待充序列，转移到满电待放序列中。
在充电需求方出现的时候，轮循充放电储能模块220进行放电动作，由位于满电待放序列中的储能子单元通过装置的电能输出模块对充电需求方供电，即有如下步骤：
管理控制单元2204还用于：若存在充电需求方，则根据充电需求方特性，从所述满电待放序列中选取储能子单元向所述电能输出模块260放电，从而为所述充电需求方充电。
基于上述技术方案，在管理控制单元的控制下，通过电能输入模块以电网为电源对位于匮电待充序列中的储能子单元进行充电，充电过程中电网按照设定的功率向储能子单元输出可控功率的电能，同时，根据充电需求方的情况，控制位于满电待放序列中的一个或多个储能子单元通过电能输出模块输出稳定的电能至充电需求方。
本发明实施例中采用上述技术方案，将常规的电网作为电源即可实现，有效解决了传统充电装置对电网容量要求高和对电网冲击大的缺陷，同时有效降低了电网建设的成本。
且本发明的技术方案中，管理控制单元根据储能子单元的电能储存量控制轮循充放电储能模块进行轮流充放电，在存在充电需求方时，可以由一个或多个储能子单元同时以大功率输出为电动汽车充电，能够很好地满足电动汽车的高速充电需求，提升充电执行的效率。
本发明实施例提供的基于轮循式储能的充电系统中，各个模块或单元结构可以根据实际需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
本发明实施例中充电系统的电能输入模块240，包括：电网接口和AC/DC变流单元。
电网接口，其连接于电网的交流侧与AC/DC变流单元之间。
AC/DC变流单元，其采用PWM四象限整流方式或不控整流方式将来自电网的交流电转换为稳定电压的直流电，并将稳定电压的直流电传输至轮循充放电储能模块220。需要说明的是，本发明的变流单元实现整流的方式不限于本发明指出的PWM四象限整流方式或不控整流方式，使用其他整流方式实现相似效果的技术方案也属于本发明的保护范围。
本发明实施例的电能输入模块设有AC/DC变流单元采用PWM四象限整流方式或不控整流方式对来自电网的电能进行整流，功率因数较高，损耗较小，进而将电网输出的交流电转换为电压稳定的直流电为轮循充放电储能模块的储能单元2202充电，一定程度上保证了充电系统电路结构的稳定性，同时为平衡电网建设的成本提供助力。
具体的，本发明实施例的电能输出模块260包括：DC/DC转换单元和输出接口。
DC/DC转换单元，其用于将来自轮循充放电储能模块220的电能转换为适用于充电需求方的直流电。
输出接口一端与DC/DC转换单元连接，另一端连接充电需求方。
本发明实施例的DC/DC转换单元可采用单重或者多重降压斩波电路错相控制并联的DC/DC转换器，使得输出直流电流纹波更小，电路稳定性更高，采用其他结构的DC/DC转换电路实现相似功能的技术手段也属于本发明的保护范围。
本发明的该实施例中，利用装置管理储能模块的管理控制单元控制储能单元进行轮循式充放电，将储能单元作为中间电源，其以恒定功率的形式接受来自电网的电能输入，以可控功率形式实现充电需求方的电能输出，在有效保护电网的前提下，对充电需求方进行高效充电，不仅提升了整个装置电路和电网的稳定性，而且降低了新能源汽车领域的电网建设成本和时间损耗，有助于推进新能源汽车行业的发展。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。
说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于轮循式储能的充电系统，所述系统应用于电动汽车充电领域，其特征在于，所述系统包括：
轮循充放电储能模块，其具有可循环多次使用的储能单元，用于根据所述储能单元的电能储存量进行轮流充放电；
电能输入模块，其连接于电网和所述轮循充放电储能模块之间，用于输出恒定功率的电能为所述轮循充放电储能模块充电；
电能输出模块，其连接于所述轮循充放电储能模块和充电需求方之间，用于对所述轮循充放电储能模块进行放电，为所述充电需求方供电；所述需求方不直接连接电网获电，通过电能输出模块利用所述轮循充放电储能模块获得电能；
所述轮循充放电储能模块，包括：
储能单元和与所述储能单元连接的管理控制单元；
所述储能单元，其由n个的储能子单元组成，n>=2，用于储存电能；
所述管理控制单元，其用于根据各储能子单元的电能储存量控制所述轮循充放电储能模块中的各储能子单元轮流充放电；
所述管理控制单元通过如下操作控制所述轮循充放电储能模块中的各储能子单元轮流充放电：
确定所述储能单元内各储能子单元的电能储存量，并根据确定的电能储存量将各储能子单元分配至匮电待充序列和满电待放序列；
利用所述电能输入模块向匮电待充序列中选定的储能子单元进行充电，控制满电待放序列中选定的储能子单元向所述电能输出模块放电；
所述管理控制单元还用于：由所述电能输入模块输出恒定功率的直流稳定电能为匮电待充序列中选定的储能子单元进行充电，直至所有储能子单元的电能储存量均达到额定容量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储能子单元为可移动和替换的能够满足高频数重复充放电要求的储能结构。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述储能单元中设有匮电待充序列和满电待放序列；
所述匮电待充序列，其用于存放电能储存量小于等于预设匮电额度的储能子单元；
所述满电待放序列，其用于存放电能储存量大于预设匮电额度的储能子单元。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管理控制单元还用于：
将电能储存量小于等于预设匮电额度的储能子单元列入匮电待充序列中，将电能储存量大于所述预设匮电额度的储能子单元列入满电待放序列中。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管理控制单元还用于：
根据充电需求方特性，从所述满电待放序列中选取储能子单元向所述电能输出模块放电，从而为所述充电需求方充电。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电能输入模块，包括：电网接口和AC/DC变流单元；
所述电网接口，其连接于电网的交流侧与所述AC/DC变流单元之间；
所述AC/DC变流单元，其采用PWM四象限整流方式或不控整流方式将来自电网的交流电转换为稳定电压的直流电，并将所述稳定电压的直流电传输至所述轮循充放电储能模块。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电能输出模块包括：DC/DC转换单元和输出接口；
所述DC/DC转换单元，其用于将来自所述轮循充放电储能模块的电能转换为适用于充电需求方的直流电；
所述输出接口一端与所述DC/DC转换单元连接，另一端连接充电需求方。
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