V2G双向充放电桩及其充放电控制方法、装置和系统与流程

本技术涉及电动车辆充电，具体涉及一种v2g双向充放电桩及其充放电控制方法、装置和系统。

背景技术：

1、随着各类新能源车辆（普通汽车、矿用车辆、工程车辆等）保有量的持续攀升，充电桩作为关键配套设施，其需求日益迫切。然而，传统充电桩功能单一，仅提供基础充电服务，难以满足现代充电网络对智能化、大功率化和双向能量交互的要求。据此，大功率直流快充和v2g（vehicle-to-grid，车辆到电网，或称车网互动）技术被应用于充电桩，且其在行业内具有两大核心发展方向：一方面，电动车辆电池容量不断提升，对充电功率和速度提出了更高要求；另一方面，v2g技术使电动车辆可以作为分布式储能单元参与电网调峰调频，实现车网双向能量互动。

2、基于大功率直流快充和v2g技术的v2g双向充放电桩的核心任务包括将电网的交流电变成电动车辆能直接使用的直流电，并控制充电过程。其中，主要是由多个功率模块负责将交流电转换为直流电，并调节电压/电流。

3、但是，在大功率充电场景下，多功率模块并联运行时存在零序环流问题。具体地，零序环流是由多个并联的功率模块的输出电压不对称（包含零序分量）引起的，例如功率模块a输出310v，模块b输出309v，由于电压差异，它们之间会产生一个额外的循环电流。这个电流即被称为零序环流，其不经过充电枪，只在模块间流动，导致模块发热、效率下降。

4、零序环流是v2g双向充放电桩的关键技术瓶颈之一，其严重影响v2g双向充放电桩的性能和充电效率。并且，不同于普通电网中涉及的零序环流，v2g双向充放电桩涉及的零序环流因存在双向功率流而极易发生相位和幅值的改变，给零序环流抑制控制带来更大挑战。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的是提供一种v2g双向充放电桩及其充放电控制方法、装置和系统，用以至少部分地解决上述技术问题。

2、为了实现上述目的，本技术第一方面提供一种基于v2g双向充放电桩的充放电控制方法，该v2g双向充放电桩被配置有相并联的多个功率模块以及执行功率控制的主控模块，其中所述多个功率模块至少包括采用三相维也纳pfc拓扑的ac/dc双向变换器和采用dab-isop拓扑的dc/dc双向变换器。所述充放电控制方法由所述主控模块执行，且包括：在充电模式下，控制所述功率模块将来自电网的交流电转变为直流电以向车辆的电池充电，并在充电过程中进行零序环流补偿，其中所述零序环流补偿包括：基于多个ac/dc双向变换器并联形成的零序环流通路的总零序环流值与目标环流值的环流误差，调节分配给所述零序环流通路中的各个ac/dc双向变换器的补偿电压，以抵消各个ac/dc双向变换器之间产生零序环流的电压差，其中所述零序环流通路的所述总零序环流值是该零序环流通路中的各个ac/dc双向变换器的实测零序电流之和；以及在放电模式下，控制所述功率模块将来自车辆的电池直流电逆变为交流电馈入电网。

3、通过上述技术方案，本技术实施例通过引入基于总零序环流值与目标环流值的环流误差来调节补偿电压，能够主动抵消各ac/dc双向变换器之间产生零序环流的电压差，有效抑制三相维也纳pfc拓扑因中点接n线而形成的零序环流，改善并联模块均流特性，降低环流损耗与发热，同时支持v2g双向充放电模式的平滑切换。

4、在本技术实施例中，所述调节分配给所述零序环流通路中的各个ac/dc双向变换器的补偿电压包括：将所述环流误差输入至预设线性控制器，以输出用于抵消所述电压差的总补偿电压值；以及根据各个ac/dc双向变换器的实时工况，向各个ac/dc双向变换器分配所述总补偿电压值以得到相应的补偿电压，该补偿电压被映射为相应ac/dc双向变换器的占空比修正量以调整用于驱动该ac/dc双向变换器的开关管的pwm信号。

5、通过该优选的技术方案，本技术实施例通过预设线性控制器（如pr或pi控制器）计算总补偿电压值，并根据各ac/dc双向变换器的实时工况分配补偿电压，再将补偿电压映射为占空比修正量以调整pwm信号，实现了对零序环流的精细化、动态补偿，提高了补偿的适应性和工程可实现性。

6、在本技术实施例中，所述方法还包括在所述充电过程中进行均流控制。其中，所述均流控制包括：基于各个功率模块的实时输出电流与所有功率模块的平均输出电流的电流误差，修正相应功率模块的输出电流。

7、通过该优选的技术方案，本技术实施例通过基于各功率模块实时输出电流与平均输出电流的误差来修正模块输出电流，实现了多模块并联时的均流控制，避免了部分模块过载而其他模块轻载的问题，提升了系统功率利用率、可靠性和大功率充电场景下的稳定性。

8、在本技术实施例中，所述方法还包括：在所述充电过程中，根据车辆的电池电压进行涓流充电、恒流充电和恒压充电的切换。所述切换包括：当电池电压小于设定的低压阈值时，执行所述涓流充电；当所述电池电压大于或等于所述低压阈值且小于设定的恒压阈值时，执行所述恒流充电；以及在所述电池电压等于或大于所述恒压阈值时，执行所述恒压充电，且所述电池电压大于所述恒压阈值的时间超过预设安全时间或者两者的电压差值超过预设安全容差范围，则停止充电。其中，在从所述恒流充电切换至所述恒压充电的过程中，将恒流充电阶段的最终电流值作为恒压充电阶段的起始参考电流。

9、通过该优选的技术方案，本技术实施例根据电池电压自动切换涓流充电、恒流充电和恒压充电三个阶段，并在恒流转恒压切换时将最终电流值作为恒压阶段的起始参考电流，实现了三段式充电的平滑过渡，避免了切换瞬间的电流/电压跳变，有利于延长电池寿命并提升充电安全性。

10、本技术第二方面提供一种控制装置，包括：存储器，被配置成存储指令；以及处理器，被配置成从所述存储器调用所述指令以及在执行所述指令时能够实现上述任意的充放电控制方法。

11、通过该技术方案，本技术实施例提供了一种存储有指令的存储器与处理器的控制装置，能够执行上述的充放电控制方法，为实现零序环流补偿、均流控制、三段式充电及v2g双向控制提供了可编程、可集成的硬件平台基础。

12、在本技术实施例中，所述控制装置是能够运行freertos实时操作系统的stm32f103rct6微控制器。

13、通过该优选的技术方案，本技术实施例采用能够运行freertos实时操作系统的stm32f103rct6微控制器作为控制装置，利用抢占式任务调度架构实现多任务并行处理，确保保护逻辑响应时间≤10ms，并借助其丰富的外设接口（can、rs485、spi、adc等）满足充电桩与车辆bms、功率模块、电能表、显示屏等的高实时性通信与控制需求。

14、本技术第三方面提供一种v2g双向充放电桩，包括：相并联的多个功率模块，且所述多个功率模块包括采用dab-isop拓扑的dc/dc双向变换器和采用三相维也纳pfc拓扑的ac/dc双向变换器，且所述dc/dc双向变换器和所述ac/dc双向变换器采用碳化硅mosfet功率器件；以及用于执行功率控制的主控模块，且所述主控模块被配置为集成上述任意的控制装置。

15、通过该技术方案，本技术实施例通过采用三相维也纳pfc拓扑的ac/dc双向变换器与采用dab-isop拓扑的dc/dc双向变换器相级联，并配合碳化硅mosfet功率器件，实现了高效率（ac/dc充电模式≥95.5%）、高功率密度、宽电压范围（支持200-1000vdc）的双向充放电功能；并联功率模块设计提供了冗余容错和灵活扩容能力，主控模块集成控制装置使零序环流补偿与均流控制得以工程化实现。

16、在本技术实施例中，所述v2g双向充放电桩还包括：通信模块，被配置具有多个接口电路以及无线通信单元，所述多个接口电路包括can接口电路、rs485接口电路、以太网接口电路和显示接口电路；人机交互模块，被配置为实现人机交互；电能计量模块，被配置为针对所述v2g双向充放电桩进行电能检测并向所述主控模块提供电能检测结果；以及安全保护模块，被配置具有过流保护单元、过压/欠压保护单元、过温保护单元、绝缘监测单元、反接保护单元、防孤岛保护单元和/或急停开关。

17、通过该优选的技术方案，本技术实施例通过集成通信模块（can、rs485、以太网、无线）、人机交互模块、电能计量模块及多重安全保护模块（过流、过压/欠压、过温、绝缘监测、反接保护、防孤岛保护、急停开关），构建了完整的v2g双向充放电桩功能体系，实现了与车辆bms、电网ems、云平台的互联互通，并提供了多层级、软硬件协同的安全保障。

18、本技术第四方面提供一种基于v2g双向充放电桩的控制系统，包括：上述任意的v2g双向充放电桩；以及与所述v2g双向充放电桩通信的云平台、车辆bms以及电网ems。其中，所述v2g双向充放电桩与车辆bms之间的通信协议栈包括gb/t 27930协议、iso 15118-20 v2g协议和j1939协议栈，且所述v2g双向充放电桩与云平台之间通过ocpp 2.0.1协议进行双向通信。

19、通过该技术方案，本技术实施例构建了包含v2g双向充放电桩、云平台、车辆bms及电网ems的完整控制系统，并采用gb/t 27930、iso 15118-20 v2g协议、j1939协议栈与车辆bms通信，采用ocpp 2.0.1协议与云平台通信，实现了全栈通信协议兼容，确保充电桩与不同品牌车型、不同运营商平台之间的互联互通，为v2g调度、远程监控、协议扩展提供了标准化支撑。

20、在本技术实施例中，所述车辆是矿用车辆。

21、通过该优选的技术方案，本技术实施例将上述的控制系统应用于矿用车辆，能够实现多项矿区专属功能，使矿用车辆从“能耗设备”转变为“移动储能单元”，支撑矿区微电网的削峰填谷、频率调节等，显著改善矿山用电经济性、供电可靠性与矿机出勤效率。

22、本技术实施例的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。