CN113428028A - 多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站 - Google Patents

多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站,属于电动汽车充电站领域。本发明具有多个交流电源输入端口，每个交流电源接入一个工频变压器，每个变压器的副边可以有一个或者多个绕组，每个绕组接入一个变流器，每个变流器的直流侧生成一个直流母线电压，多个直流母线的电压可以相同也可以不同。当多个变流器的直流母线电压相同时，多个直流母线可以并联也可以级联；当多个变流器的直流母线电压不同时多个直流母线只进行级联。本发明可以实现多个交流电源端口同时取能或端口之间进行能量交换，当某个交流电源或其对应变流器异常故障无法工作时，剩余的交流端口仍可以继续工作，提高了充电站配电灵活性和冗余度。

Description

多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站
技术领域
本发明属于电动汽车充电站领域，具体涉及一种多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站。
背景技术
近年来，随着相关支持政策的出台，电动汽车数量越来越多。同时人们不断追求更短的充电时间，电动汽车的充电功率越来越大，以直流快充为代表的快充技术向更高电压和更高电流发展。在大型公共充电站中，当多个直流快充充电桩同时工作时，如何满足充电所需的冲击功率是需要解决的关键问题。
现有的电动汽车充电站多采用交流配电的方式，通过单台配电降压变压器将中压(10kV、35kV或其他等级电压)电压降压为低压400V后，再经过配电柜后连接若干电动汽车直流充电桩，在每个直流充电桩内部有AC/DC和DC/DC变流器控制充电的电压和电流。但是，现有充电站的这种交流配电方式，存在以下不足：第一，充电桩的功率仅来源配电变压器，受制于单个配电变压器的容量，充电站内充电桩的数量和容量难以提升；第二，多个配电变压器的低压侧不能合环运行，多个配电变功率无法进行有效互济，导致难以增大配电容量，充电桩升级扩容困难；第三，当交流电源及配电变压器出现异常故障时，相应的全部直流充电桩都无法继续工作；第四，充电过程产生谐波和无功污染，需要增加电能质量补偿装置；第五，增加储能、光伏时需要通过多级电能变换才能接入系统，电能变换次数多损耗大，同时储能、光伏与充电桩协同控制不方便；第六，充电过程是从电网流入车辆的单向过程，不能实现车辆向电网的能量反馈；第七，大功率充电时400V电缆电流大、线损高，电缆的线径粗、成本高。
针对以上问题，申请号为201910544884.X，发明名称为《基于固态变压器的充电站系统》的专利申请文件公开了如下技术方案：通过一个和多个基于电力电子固态变压器一端连接配电网交流电源，另一端产生一个或多个直流母线，直流母线通过多个隔离或非隔离的DC/DC接入充电汽车、光伏或储能系统。在申请号为202010365049.2，发明名称为《一种10kV中压直挂式电动汽车充电站系统》的专利申请中，通过采用了与上述发明专利申请类似的技术路线，通过电力电力变压器或固态变压器拓扑级联的技术方案实现10kV中压交流到低压直流的转换，再经由DC/DC变流器对充电汽车进行充电。以上两种公开的已知技术都采用直流母线代替传统的交流母线给充电桩供电，主张通过高频或中频的电力电子变压器(或固态变压器)来替代工频变压器实现隔离和降压，进而实现中压交流到低压直流的变换。然而该电力电子变压器需要大量的电力电子开关器件以及多级的能量变换，其导致其成本高、可靠性低、效率低。
此外，在申请号为201780082368.9，发明名称为《电动车辆的DC快速充电站》的专利申请中，其采用的方案有利用一个多绕组工频变压器实现降压和隔离，变压器的多个副边绕组分别连接多个NPC拓扑的AC/DC整流器得到多个直流母线，再通过DC/DC变流器耦合到各个电动汽车。但该发明存在多个直流母线之间相互隔离，不能实现功率支援，当交流电源或某路AC/DC整流器出现问题，其相应母线所连接的所有充电桩都无法工作，供电和冗余度和零活动不高。且系统只有一个交流输入电源，最大配电功率受制于交流配电变压器的容量，不便于扩容。
发明内容
为解决上述问题，提供一种多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，用于通过多个交流电源对电动汽车供电，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于，包括：复数个直流母线；至少两个降压变流单元，分别与多个所述交流电源一一对应连接；以及多个充电桩，每个所述充电单元均连接在相对应的两个所述直流母线并且用于对所述电动汽车进行充电，其中，所述直流母线设置成至少2个，多个所述直流母线间相互耦合连接，该耦合连接的方式为电压相同的直流母线并联连接或者级联连接，电压不同的直流母线级联连接，所述降压变流单元具有工频变压器和AC/DC变流器，所述AC/DC变流器的交流侧通过所述工频变压器连接在对应的所述交流电源上，所述AC/DC变流器的直流侧连接在与其电压相同的直流母线上。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，所述工频变压器具有原边绕组和副边绕组，所述原边绕组和所述副边绕组均为三相绕组，所述副边绕组的数量至少为一个，所述AC/DC变流器的数量与所述副边绕组的数量相同，并且所述副边绕组与所述AC/DC变流器一一对应连接。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，所述变流器具有两个直流侧输出端并且两个直流侧输出端的电压相同或不同。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，多个所述降压变流单元的所述副边绕组的数量相同或不同。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，所述交流电源的电压为380V-35KV，多个所述交流电源的电压相同或不同。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，所述AC/DC变流器为四象限工作能力的PWM变流器、二极管整流器或晶闸管整流器的任意一种。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，所述充电桩具有充电桩变流器，所述充电桩变流器一端接入相应电压的所述直流母线，另一端接入到所述电动汽车。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，所述充电桩变流器为DC/AC变流器或DC/DC变流器。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，分布式电源，通过变流器接入到相应电压的所述直流母线上，所述分布式电源为风电或者光伏。
本发明提供的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，还可以具有这样的特征，其中，储能装置，通过变流器接入到相应电压的所述直流母线上，所述储能装置为电池、超级电容或氢燃料电池。
发明作用与效果
根据本发明的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，与现有技术只有一个交流电源端口和对应的AC/DC变流器不同，本发明至少有两个交流电源端口及其对应的AC/DC变流器，多个交流电源的电压可以相同也可以不同，使得本发明可以实现多个交流电源端口同时取能或端口之间进行能量交换，当某个交流电源或其对应AC/DC变流器异常故障无法工作时，剩余的交流端口仍可以继续工作，提高了充电站配电灵活性和冗余度。本发明可以有两条或者多条直流母线，多条直流母线之间相互耦合，可以提供一个或者多个直流母线电压，本发明可以满足不同汽车充电变流器对电压的不同需求，提高了供电的灵活性。本发明可以在已有配电线路上直接增加交流电源容量，便于充电站的扩容，新增的交流电源通过相应变压器及AC/DC变流器接入到原有直流母线，便于满足充电桩容量增大和数量增加的需求。本发明多个交流电源端口采用多个相同副边绕组数量的工频变压器或采用多个副边绕组数量不同的工频变压器进行隔离，多绕组的工频变压器比电力电子变压器的可靠性和效率高，成本更低。
附图说明
图1是本发明实施例一中三个交流电源四直流母线充电站示意图；
图2是本发明实施例二中四个交流电源三直流母线充电站示意图；
图3是本发明实施例三中三个交流电源四直流母线带光伏与储能的充电站示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例一>
本实施例提供一种三个交流电源四根直流母线的电动汽车充电站100。
图1是本发明实施例一中三个交流电源四直流母线充电站示意图。
如图1所示，本实施例的充电站100包括四个直流母线组10、三个降压变流单元20、三个充电桩组30以及三个交流电源组40。
四个直流母线组10分别为直流母线11、直流母线12、直流母线13以及直流母线14。
三个降压变流单元组20分别为降压变流单元21、降压变流单元22以及降压变流单元23。降压变流单元21具有工频变压器211、AC/DC变流器212、AC/DC变流器213以及AC/DC变流器214。降压变流单元22具有工频变压器221、AC/DC变流器222、AC/DC变流器223以及AC/DC变流器224。降压变流单元23具有工频变压器231、AC/DC变流器232、AC/DC变流器233以及AC/DC变流器234。
三个充电桩组30具有DC/AC充电桩变流器31、DC/DC充电桩变流器32以及DC/DC充电桩变流器33。
三个10kv的交流电源组40分别为交流电源41、交流电源42以及交流电源43。交流电源41、交流电源42以及交流电源43分别连接工频变压器211、工频变压器221以及工频变压器231的原边三相绕组。
工频变压器211、工频变压器221以及工频变压器231的副边均有三个三相绕组，每个三相副边绕组连接一个AC/DC变流器，具体连接关系如下：工频变压器211的副边三绕组分别连接AC/DC变流器212、AC/DC变流器213以及AC/DC变流器214；工频变压器221的副边三绕组分别连接AC/DC变流器222、AC/DC变流器223以及AC/DC变流器224；工频变压器231的副边三绕组分别连接AC/DC变流器232、AC/DC变流器233以及AC/DC变流器234。
上述每个工频变压器对应副边绕组连接的三个AC/DC变流器的直流侧级联，多个变压器得到的直流母线相互并联，形成直流母线11、直流母线12、直流母线13以及直流母线14四根共用直流母线。四根共用直流母线组10具有相同或不同的电压，四个所述直流母线间相互耦合连接，该耦合连接的方式为电压相同的直流母线并联连接或者级联连接，电压不同的直流母线级联连接。AC/DC变流器的直流侧连接在与其电压相同的直流母线上。
四根直流母线组10可以提供六种不同的直流电压供负荷或其他电源接入：直流母线11与直流母线12之间电压为V1；直流母线12以及直流母线13之间电压为V2；直流母线13以及直流母线14之间电压为V3；直流母线11以及直流母线13之间电压为V4；直流母线11以及直流母线14之间电压为V5；直流母线12以及直流母线14之间电压为V6。
对电压、功率需求不同的电动汽车，通过不同的充电桩变流器接入到不同电压的直流母线上。当对交流220V充电的电动车a进行充电时，通过DC/AC充电桩变流器31一侧的两个端口分别接入到直流母线11与直流母线12上，DC/AC充电桩变流器31另一侧的端口接到电动车a的交流充电口；当对直流400V充电的电动车b进行充电时，通过DC/DC充电变流器32一侧的两个端口分别接入直流母线11以及直流母线13上，另一侧的端口接入到电动车b的400V直流充电接口；对于直流800V充电的电动车c，通过DC/DC充电变流器33一侧的两个端口接入到直流母线11以及直流母线14上，另一侧的端口接入到电动车c的800V直流充电接口。
<实施例二>
本实施例提供一种四个交流电源三直流母线充电站200，本实施例与实施例一的结构基本相同，不同之处在于：
本实施例新增一个10kV交流电源44’以及相应的降压变流单元24，其中，该降压变流单元24’具有副边双绕组工频变压器241’以及与工频变压器241’的副边双绕组分别连接的AC/DC变流器242’和AC/DC变流器243’。
本实施例的直流母线的数量变为3个，分别为直流母线11’、直流母线12’以及直流母线13’。工频变压器211’的副边有四个三相绕组，工频变压器221’以及工频变压器231’的副边有一个三相绕组，交流电源42’以及交流电源43’的电压变为400V的交流电源。
图2是本发明实施例二中四个交流电源三直流母线充电站示意图。
如图2所示，交流电源和变压器的形式比实施例一更加丰富，其中交流电源41’和交流电源44’是10kV电源，而交流电源42’和交流电源43’是400V电源。
工频变压器211’为副边四绕组变压器，分别连接AC/DC变流器212’、AC/DC变流器213’、AC/DC变流器214’以及AC/DC变流器215’。工频变压器221’和工频变压器231’为副边单绕组变压器，分别连接AC/DC变流器222’和AC/DC变流器232’。工频变压器241’为副边两绕组变压器，分别连接的AC/DC变流器242’和AC/DC变流器243’。
各个变流器直流侧的连接形式也有并联和级联两种，其中变流器212’、变流器214’、变流器222’和变流器242’的直流侧相互并联，得到直流母线11’和直流母线12’；变流器213’、变流器215’、变流器232’以及变流器243’的直流侧相互并联，得到直流母线12’和直流母线13’；两组变流器的直流侧再级联，得到直流母线11’、直流母线12’以及直流母线13’三个直流母线，不同的直流母线之间可以得到三个电压。与案例一相同，不同的充电变流器可以选择接入到相应的直流母线及电动车。
<实施例三>
本实施例提供一种三个交流电源四直流母线带光伏与储能的充电站300，本实施例与实施例一的结构相同，与实施例一的区别在于：
本实施例新增了分布式电源50和储能装置60。分布式电源50为光伏电池板51，其通过DC/DC光伏变流器52接入到相应电压的直流母线上。储能装置60具有储能电池61，通过DC/DC储能变流器62接入到相应电压的直流母线上。
工频变压器221”的副边变为单绕组形式，工频变压器231”的副边变为双绕组形式。
图3是本发明实施例三中三个交流电源四直流母线带光伏与储能的充电站示意图。
如图3所示，交流电源41”、交流电源42”以及交流电源43”的电压依次为35kv、10kv、400v，交流电源41”、交流电源42”以及交流电源43”分别连接三个变压器的原边三相绕组，工频变压器211”为副边三绕组变压器，工频变压器221”为副边单绕组变压器，工频变压器231”为副边双绕组变压器。每个三相副边绕组接一个AC/DC变流器。具体连接方式为：工频变压器211”的副边三绕组分别连接AC/DC变流器212”、AC/DC变流器213”以及AC/DC变流器214”；工频变压器221”接AC/DC变流器222”；工频变压器231”接AC/DC变流器232”以及AC/DC变流器233”。
工频变压器211”对应副边绕组的三个AC/DC变流器的直流侧级联，形成直流母线11”、直流母线12”、直流母线13”以及直流母线14”四根共用直流母线。工频变压器221”对应AC/DC变流器222”的直流侧与直流母线11”和直流母线12”并联；工频变压器231”对应AC/DC变流器232”以及AC/DC变流器233”的直流侧分别与直流母线11”、直流母线12”、直流母线13”以及直流母线14”并联。四根直流母线可以提供六种不同的直流电压供负荷或其他电源接入：直流母线11”以及直流母线12”之间电压为V1；直流母线12”以及直流母线13”之间电压为V2；直流母线13”以及直流母线14”之间电压为V3；直流母线11”以及直流母线13”之间电压为V4；直流母线11”以及直流母线14”之间电压为V5；直流母线12”以及直流母线14”之间电压为V6。
光伏电池板51可以通过DC/DC光伏变流器52接入直流母线11”以及直流母线12”；储能电池61可以通过DC/DC储能变流器62接入直流母线11”以及直流母线12”。
与实施例一相同，对电压、功率需求不同的电动汽车，通过不同的充电桩变流器接入到不同电压的直流母线上。
实施例作用与效果
实施例三采用了3个交流电源端口及其对应的AC/DC变流器，3个交流电源的电压可以相同也可以不同。因此，本发明可以实现3个交流电源端口同时取能或端口之间进行能量交换，当某个交流电源或其对应AC/DC变流器异常故障无法工作时，剩余的交流端口仍可以继续工作，提高了充电站配电灵活性和冗余度。
另外，实施例三有4条直流母线，4条直流母线之间相互耦合，可以提供6个直流母线电压，可以满足不同汽车充电变流器对电压的不同需求，提高了供电的灵活性。
另外，实施例三可以在已有配电线路上直接增加交流电源容量，便于充电站的扩容，新增的交流电源通过相应变压器及AC/DC变流器接入到原有直流母线，便于满足充电桩容量增大和数量增加的需求。
另外，实施例一中的多个交流电源端口采用多个相同副边绕组数量的变压器，实施例二和实施例三采用多个副边绕组数量不同的变压器进行隔离；多绕组变压器比电力电子变压器的可靠性和效率高，成本更低。
另外，实施例三中连接同一直流母线的多个交流电源及其AC/DC变流器、储能、分布式电源和充电负荷之间可以根据电源和负荷情况在直流母线上进行能量交换，优化能量供给。因此,本实施例三具有能量优化路由的功能，便于光伏、储能、充电桩和交流电源之间更加灵活的能量优化交换。该实施例三中连接不同直流母线的分布式电源、储能和充电桩可以通过多绕组变压器的不同绕组及其AC/DC变流器进行能量交换，光伏和储能系统经过单级变换即可接入到相应的直流母线上，能量转换效率高。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

Claims (10)

1.一种多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，用于通过多个交流电源对电动汽车供电，其特征在于，包括：
复数个直流母线；
至少两个降压变流单元，分别与多个所述交流电源一一对应连接；以及
多个充电桩，每个所述充电桩均连接在相对应的两个所述直流母线上，用于对所述电动汽车进行充电，
其中，所述直流母线设置成至少2个，多个所述直流母线间相互耦合连接，该耦合连接的方式为电压相同的直流母线并联连接或者级联连接，电压不同的直流母线级联连接，
所述降压变流单元具有工频变压器和AC/DC变流器，所述AC/DC变流器的交流侧通过所述工频变压器连接在对应的所述交流电源上，所述AC/DC变流器的直流侧连接在与其电压相同的直流母线上。
2.根据权利要求1所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于：
其中，所述工频变压器具有原边绕组和副边绕组，
所述原边绕组和所述副边绕组均为三相绕组，
所述副边绕组的数量至少为一个，
所述AC/DC变流器的数量与所述副边绕组的数量相同，并且所述副边绕组与所述AC/DC变流器一一对应连接。
3.根据权利要求2所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于：
其中，所述AC/DC变流器具有两个直流侧输出端并且两个所述直流侧输出端的电压相同或不同。
4.根据权利要求2所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于：
其中，多个所述降压变流单元的所述副边绕组的数量相同或不同。
5.根据权利要求1所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于：
其中，所述交流电源的电压为380V-35KV，多个所述交流电源的电压相同或不同。
6.根据权利要求1所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于：
其中，所述AC/DC变流器为四象限工作能力的PWM变流器、二极管整流器以及晶闸管整流器的任意一种。
7.根据权利要求1所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于：
其中，所述充电桩具有充电桩变流器，
所述充电桩变流器一端接入相应电压的所述直流母线，另一端接入到所述电动汽车。
8.根据权利要求7所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于：
其中，所述充电桩变流器为DC/AC变流器或DC/DC变流器。
9.根据权利要求1所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于，还包括：
分布式电源，通过变流器接入到相应电压的所述直流母线上，
所述分布式电源为风电或者光伏。
10.根据权利要求1所述的多交流电源端口多直流母线的电动汽车充电站，其特征在于，还包括：
储能装置，通过变流器接入到相应电压的所述直流母线上，
所述储能装置为电池、超级电容或氢燃料电池。
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WO2023098016A1 (zh) * 2021-12-03 2023-06-08 上海安世博能源科技有限公司 一种供电系统及供电方法
WO2024074054A1 (zh) * 2022-10-08 2024-04-11 华为数字能源技术有限公司 一种充电装置及充电系统

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