一种电动汽车能源站的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电动汽车能源站。


背景技术：

2.当前的电动汽车能源站，主要有充电站和换电站；一般的，出于电网峰谷差价考虑，或者换电站有动力电池的滞留充电需求，都会导致系统内需要挂接多个电池单元；常见的挂接方案是，各个电池单元及其储能变流器构成的储能系统，与充电桩以相对独立的形式，分别挂接于交流母线上。
3.由于储能系统内的电池单元到交流母线之间，需要通过储能变流器，而储能变流器内部至少设置有dcac变换电路，该dcac变换电路与各个电池单元之间还可能会设置有多个dcdc变换电路；并且，交流母线到充电桩的充电枪之间，也需要通过相应的功率变换器，该功率变换器内至少设置有相应的acdc变换电路，该acdc变换电路与各个充电枪之间也可能会设置有多个dcdc变换电路；所以，能量从电池单元到充电枪之间需要经过多级变换(如图1中所示)，造成较大的能量损耗，降低了系统收益。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种电动汽车能源站，以降低电池单元为充电枪供电时的能量损耗。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.本发明第一方面提供了一种电动汽车能源站，包括：至少两个电池单元、第一级变换单元、第二级变换单元及至少一个充电枪；其中：
7.各所述电池单元与第一直流汇流母线直接或间接相连；
8.所述第一级变换单元的第一侧，连接所述第一直流汇流母线；
9.所述第一级变换单元的第二侧通过第二汇流母线连接所述第二级变换单元的第一侧；
10.所述第二级变换单元的第二侧，分别与对应的所述电池单元相连；
11.所述充电枪通过所述第二汇流母线，接收所述第一级变换单元的输出电能和/或所述第二级变换单元的输出电能。
12.可选的，所述第二级变换单元的第二侧，分别串联接入对应所述电池单元的功率传输回路中，以与对应所述电池单元构成一个串联支路；
13.各所述串联支路的两端并联连接于所述第一直流汇流母线。
14.可选的，各所述电池单元依次串联连接，串联连接后的两端与所述第一直流汇流母线相连；
15.所述第二级变换单元的第二侧，分别与对应的所述电池单元并联连接。
16.可选的，所述第二级变换单元还用于实现各所述电池单元的运行参数之间的均衡。
17.可选的，所述第一级变换单元包括：至少一个第一变换器；
18.所述第一变换器的个数大于1时，各所述第一变换器的第一侧和第二侧分别并联连接；
19.所述第二级变换单元包括：至少一个第二变换器；
20.各所述第二变换器的第一侧并联连接至所述第二汇流母线，各所述第二变换器的第二侧分别与对应的所述电池单元相连；
21.所述第一变换器和所述第二变换器均为隔离型变换器。
22.可选的，所述第一变换器和所述第二变换器均为单向变换器，则：
23.所述第二级变换单元实现对于各所述电池单元的均衡功能时，通过所述第二汇流母线向所述充电枪供电。
24.可选的，所述第二变换器为单向变换器，而所述第一变换器为双向变换器，则：
25.所述第二级变换单元实现对于各所述电池单元的均衡功能时，通过所述第二汇流母线向所述充电枪供电，或者，通过所述第二汇流母线及所述第一级变换单元向所述第一直流汇流母线供电。
26.可选的，所述第二变换器为双向变换器，而所述第一变换器为单向变换器，则：
27.所述第二级变换单元实现对于各所述电池单元的均衡功能时，向所述第二汇流母线上产生的电能为零，或者，通过所述第二汇流母线向所述充电枪供电。
28.可选的，所述第一变换器和所述第二变换器均为双向变换器，则：
29.所述第二级变换单元实现对于各所述电池单元的均衡功能时，向所述第二汇流母线上产生的电能为零，或者，通过所述第二汇流母线向所述充电枪供电，又或者，通过所述第二汇流母线及所述第一级变换单元向所述第一直流汇流母线供电。
30.可选的，所述第二变换器与所述电池单元一一对应相连。
31.可选的，所述第二汇流母线为直流母线，所述第一变换器为dcdc变换器，所述第二变换器为dcdc变换器；
32.或者，
33.所述第二汇流母线为交流母线，所述第一变换器为dcac变换器，所述第二变换器为dcac变换器。
34.可选的，所述第二级变换单元的第二侧分别串联接入对应所述电池单元的功率传输回路中时，所述第二变换器的第二侧正负极之间，还连接有一个电控开关。
35.可选的，还包括：储能变流器，和/或，光伏发电系统；其中：
36.所述储能变流器的交流侧用于连接电网；
37.所述储能变流器的电池侧及所述光伏发电系统的输出端，均与所述第一直流汇流母线相连。
38.可选的，所述光伏发电系统包括：至少一个光伏单元及其dcdc变换模块；
39.各所述光伏单元分别通过其所述dcdc变换模块连接所述第一直流汇流母线。
40.本发明提供的电动汽车能源站，其内部各电池单元与第一直流汇流母线直接或间接相连，以通过该第一直流汇流母线实现其与外界之间的电能交换；另外，该第一直流汇流母线还通过第一级变换单元与第二汇流母线相连，并且，各电池单元也分别通过第二级变换单元与第二汇流母线相连，进而使得挂接于该第二汇流母线上的充电枪，可以通过第一
级变换单元接收第一直流汇流母线上的电能，也可以通过第二级变换单元接收相应电池单元的电能；也即，本实施例为充电枪提供了两种充电路径。而且，充电枪接收电池单元的电能时，仅需要经过该第二级变换单元这一级变换即可，减少了能量损耗，避免了系统收益的降低。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
42.图1为现有技术提供的电动汽车能源站的结构示意图；
43.图2为本发明实施例提供的电动汽车能源站的结构示意图；
44.图3为本发明实施例提供的电动汽车能源站的另一结构示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.在本技术中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
47.本发明提供一种电动汽车能源站，以降低电池单元为充电枪供电时的能量损耗。
48.该电动汽车能源站，具体可以是充电站，也可以是换电站，还可以是两者的结合；此处不做限定，均在本技术的保护范围内。如图2或图3所示，其具体包括：至少两个电池单元、第一级变换单元101、第二级变换单元102及至少一个充电枪；其中：
49.实际应用中，该电池单元可以是电池簇(如图2中所示的1#电池模组、2#电池模组、
…
、n#电池模组)，也可以是电池包(如图3中所示的1#电池模块、2#电池模块、
…
、n#电池模块)，还可以是指换电站中滞留的动力电池，视其具体应用环境而定即可，此处并不做具体限定。
50.各电池单元与第一直流汇流母线(如图中所示的直流汇流母线1)直接或间接相连；其与第一直流汇流母线的连接方式也不做限定，只要通过该第一直流汇流母线能够实现对于各个电池单元的充放电即可，均在本技术的保护范围内。
51.另外，该第一直流汇流母线，可以通过储能变流器(如图中所示的pcs)来直接或通过变压器间接连接电网，还可以进一步结合光伏系统，也即通过相应的dcdc变换模块来连接光伏单元，比如通过优化器来连接光伏组件，或者通过dcdc变换器来连接光伏组串；视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
52.第一级变换单元101的第一侧，连接第一直流汇流母线；第一级变换单元101的第二侧通过第二汇流母线(如图中所示的直流汇流母线2)连接第二级变换单元102的第一侧；第二级变换单元102的第二侧，分别与对应的电池单元相连；而且，充电枪也挂接于该第二汇流母线，以从该第二汇流母线上取电后为其所连接的电动汽车充电。
53.在充电枪为其所接电动汽车进行充电的过程中，其具体可以是通过第二汇流母线接收第一级变换单元101的输出电能，或者，也可以是通过第二汇流母线接收第二级变换单元102的输出电能，又或者，还可以是通过第二汇流母线同时接收第一级变换单元101和第二级变换单元102的输出电能；视其具体的应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
54.比如，用电高峰期、电网电价高，或者光伏系统输出功率不足，此时若大部分电池单元的soc(state of charge，电池荷电状态，也称剩余电量)大于预设值，则可以利用电池单元通过第二级变换单元102向第二汇流母线放电，进而为充电枪提供电能。
55.而光伏系统输出功率较高时，可以由该第一级变换单元101来接收第一直流汇流母线上光伏系统的供电，然后通过第二汇流母线放电，为充电枪通过电动汽车所需的充电电能；或者，光伏系统输出功率和电池单元soc均不足时，可以由该第一级变换单元101来接收第一直流汇流母线上pcs的供电，再通过第二汇流母线放电，为充电枪通过电动汽车所需的充电电能。同时，通过第一级变换单元101向第二汇流母线放电的过程中，还可以视其具体情况来选择是否需要为各个电池单元充电。
56.实际应用中，为了避免由第二级变换单元102和第一级变换单元101实现的这两种充电路径下电能源头之间的相互影响，优选将第一级变换单元101和第二级变换单元102均设置为隔离型变换单元。
57.本实施例提供的电动汽车能源站，其内部各电池单元与第一直流汇流母线直接或间接相连，以通过该第一直流汇流母线实现其与外界之间的电能交换；另外，该第一直流汇流母线还通过第一级变换单元101与第二汇流母线相连，并且，各电池单元也分别通过第二级变换单元102与第二汇流母线相连，进而使得挂接于该第二汇流母线上的充电枪，可以通过第一级变换单元101接收第一直流汇流母线上的电能，也可以通过第二级变换单元102接收相应电池单元的电能；也即，本实施例为充电枪提供了两种充电路径。而且，充电枪接收电池单元的电能时，仅需要经过该第二级变换单元102这一级变换即可，减少了能量损耗，避免了系统收益的降低。
58.值得说明的是，在光伏、储能与充电桩融合的系统中，现有技术中也存在共用直流母线的方案，其具体是通过储能变流器来搭建直流母线，各个电池单元分别通过相应的双向dcdc变换器挂接到直流母线上，其他直流设备诸如光伏逆变器、直流充电桩也可直接挂接到直流母线上。虽然建立有直流母线，但电池单元、充电桩均需要配置有相应的电力电子变换器来连接直流母线。
59.而本实施例通过构建两个汇流母线，使各个电池单元并不需要额外的电力电子变换器来实现其与第一直流汇流母线之间的连接，节约了结构成本和能量损耗；同时通过第二汇流母线为充电枪提供了两个充电路径。并且，实际应用中汇流母线的数量也并不仅限于两个，可以根据系统中设备的数量及电池单元的容量等来进行扩展，只要能够实现上述功能即可，均在本技术的保护范围内。
60.另外，现有技术中还存在另一种共直流母线方案，是通过充电桩与电池单元复用
dcdc变换器来降低系统成本，但该方案中的这些dcdc变换器只能分时复用，不能同时运行。
61.而本实施例提供的该电动汽车能源站，其各个电池单元可以通过第一直流汇流母线实现对于自身的充放电，而其充电枪可以通过第二汇流母线来实现对于所接电动汽车的充电，两者的工作可以同时进行，互不影响。
62.在上一实施例的基础之上，需要说明的是，对于各个电池单元与第一直流汇流母线之间的连接方式，具体可以是并联(如图2所示)，比如该电池单元是电池簇时，各电池簇可以通过并联于第一直流汇流母线，来构成一个电池系统；另外，各个电池单元也可以依次串联于第一直流汇流母线的正负极之间(如图3所示)，比如电池单元是电池包时，各个电池包可以通过串联于第一直流汇流母线的正负极之间，来构成一个电池簇。当然，多个电池簇也可以串联应用，多个电池包也可以并联应用，此处仅为一些实例，视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
63.对于图2所示的情况，具体的，其第二级变换单元102的第二侧，分别串联接入对应电池单元的功率传输回路中，以与对应电池单元构成一个串联支路；然后各串联支路的两端并联连接于第一直流汇流母线。
64.对于图3所示的情况，具体的，其各电池单元依次串联连接，串联连接后的两端与第一直流汇流母线相连；第二级变换单元102的第二侧，分别与对应的电池单元并联连接。
65.无论哪种情况下，该电动汽车能源站中，其第一级变换单元101均可以包括：至少一个第一变换器(图中均以一个为例进行展示)；当第一变换器的个数大于1时，各第一变换器的第一侧和第二侧分别并联连接。并且，其第二级变换单元102中可以包括：至少一个第二变换器；各第二变换器的第一侧并联连接至第二汇流母线，各第二变换器的第二侧分别与对应的电池单元相连。第一变换器和第二变换器均为隔离型变换器。
66.实际应用中，第二变换器与电池单元的数量可以相同也可以不同，优选第二变换器与电池单元一一对应相连；或者，多个电池单元也可以共用一个第二变换器，比如运行情况接近的电池单元可以共用同一第二变换器，而一些特殊电池单元，比如新增的电池簇或电池包，又或者换电站的老旧动力电池，可以独立配置一个相应的第二变换器；此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
67.对于图2所示的情况，各第二变换器的第二侧可以分别连接于对应电池单元的正极母线、负极母线或电池单元任意两个串联结构之间，比如电池簇中任意相邻两个电池包之间，或者电池包中任意两个电芯之间；图2中以各第二变换器的第二侧分别连接于对应电池单元的负极母线为例进行展示，但并不仅限于此。
68.另外，实际应用中，各电池单元与其相应第二变换器的连接关系也可以不相同，并不仅限于图2中所示的情况。
69.再者，对于图2所示的情况，各个第二变换器的第二侧正负极之间，还可以分别连接有一个相应的电控开关(如图2中所示的k1、k2、
…
、kn)，若某一个或某几个电池单元需要进行均衡或为充电枪供电，则其对应电控开关将会受控切换为断开状态；而其他无需进行均衡且无需为充电枪供电的电池单元，其对应电控开关保持闭合状态，以避免第二变换器运行带来的损耗。具体的，当电控开关闭合时，相应第二变换器被旁路，该串联支路的电压即为该电池单元的电压。而电控开关断开时，该串联支路的电压为相应电池单元的电压与该第二变换器第二侧输出的电压之和。
70.对于图3中所示的情况，各第二变换器的第二侧分别与各电池单元并联连接即可。
71.另外，实际应用中，该第二汇流母线可以为直流母线(如图2和图3中所示的直流汇流母线2)，也可以为交流母线(未进行图示)。
72.当该第二汇流母线为直流母线时，第一变换器为dcdc变换器(如图2和图3中所示的m#dc/dc)，第二变换器为dcdc变换器(如图2和图3中所示的1#dc/dc、2#dc/dc、
…
、n#dc/dc)。
73.当该第二汇流母线为交流母线时，第一变换器为dcac变换器，第二变换器为dcac变换器。
74.在上述实施例的基础之上，优选的，本实施例提供的该电动汽车能源站，其第二级变换单元102还可以用于实现各电池单元的运行参数之间的均衡，比如soc、电压、soh(state of health，电池健康度)或者平均温度之间的均衡。
75.该均衡过程，具体可以是在第二级变换单元102为充电枪提供充电电能的过程中实现，也可以是在第一级变换单元101为充电枪提供充电电能的过程中实现，还可以是在第二级变换单元102和第一级变换单元101同时为充电枪提供充电电能的过程中实现；均在本技术的保护范围内。
76.也即，本实施例提供的该电动汽车能源站，在光储融合基础上，构建第二汇流母线，用于电池系统的均衡控制，在不新增硬件成本基础上，引出充电桩接口，即用于电动汽车充电；进而能够在充电枪为电动汽车充电的同时，实现对于多支路电池单元之间运行参数的均衡。
77.而现有技术中，无论共交流母线方案，还是共直流母线方案，其多支路的电池单元均衡性均无法借助充电枪的工作来得到同步控制，不利于电池系统的潜力发挥。
78.另外，实际应用中，该均衡过程并不仅限于在充电枪工作时来同步实现，其也可以在充电枪不工作的时间实现，甚至可以是系统待机的时间来实现；比如在系统静置期间执行，即在系统运行之前提前实现各个电池单元间的均衡，保障各电池单元在接入pcs整体运行之前先达到状态同步。视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
79.本均衡方案适用于换电站与充电站，在新旧电池模块接入充电过程中，可通过本均衡方案，使各电池模块同步满充；适于家庭用光、储、充结合场景，灵活切换能量流，使充电、发电、储电达到经济模型最佳。
80.在上述实施例的基础之上，该电动汽车能源站中，不论采用图2所示的拓扑结构还是图3所示的拓扑结构，其第一变换器和第二变换器的主要工作均是为了实现为充电枪的供电，并且均优选兼具对于各个电池单元的均衡功能。
81.所以实际应用中，第一变换器和第二变换器的设置可以有多种选择，具体的：
82.(1)第一变换器和第二变换器均为单向变换器，则：
83.第二级变换单元102实现对于各电池单元的均衡功能时，只能将soc较高的电池单元多传输一些电能至第二汇流母线，并且由于第一级变换单元101也只能向第二汇流母线供电，所以第二汇流母线上的电能只能向充电枪供电。也即，第二级变换单元102只能借助自身为充电枪供电的时机，来实现对于各电池单元的均衡功能。
84.(2)第二变换器为单向变换器，而第一变换器为双向变换器，则：
85.第二级变换单元102实现对于各电池单元的均衡功能时，只能将soc较高的电池单
元多传输一些电能至第二汇流母线，但其传输至第二汇流母线上的电能，可以为充电枪供电，也可以通过第一级变换单元101向第一直流汇流母线供电；所以第二级变换单元102可在任意时刻，比如充电枪工作或不工作或者系统待机时，实现对于各电池单元的均衡功能。
86.(3)第二变换器为双向变换器，而第一变换器为单向变换器，则：
87.第二级变换单元102实现对于各电池单元的均衡功能时，可以将soc较高的电池单元多传输一些电能至第二汇流母线，也可以从第二汇流母线上取电后为soc较低的电池单元充电。
88.通过合理的设置，可以使第二级变换单元102向第二汇流母线上产生的总电能为零；进而使第二级变换单元102可在充电枪不工作或者系统待机时，或者充电枪接收第一级变换单元101的供电时，实现对于各电池单元的均衡功能。
89.或者，也可以通过另外合理的设置，使第二级变换单元102通过第二汇流母线向充电枪供电；进而使第二级变换单元102可在充电枪接收第二级变换单元102的供电而工作时，实现对于各电池单元的均衡功能。
90.也即，该情况下第二级变换单元102可在任意时刻实现对于各电池单元的均衡功能。
91.(4)第一变换器和第二变换器均为双向变换器，则：
92.第二级变换单元102实现对于各电池单元的均衡功能时，可以将soc较高的电池单元多传输一些电能至第二汇流母线，也可以从第二汇流母线上取电后为soc较低的电池单元充电。
93.通过合理的设置，可以使其向第二汇流母线上产生的电能为零，或者，存在剩余电能以通过第二汇流母线向充电枪供电，又或者，存在剩余电能以通过第二汇流母线及第一级变换单元101向第一直流汇流母线供电。
94.也即，该情况下第二级变换单元102也可在任意时刻实现对于各电池单元的均衡功能。
95.值得说明的是，由于电池单元的soc与电压成正比关系，所以实际应用中并不仅限于依据soc来进行均衡控制，也可以电压来代替soc实现上述均衡过程；或者，还可以用soh或者平均温度等，此处不再进行赘述，只要是为了满足各个电池单元之间相应指标的均衡要求即可，均在本技术的保护范围内。
96.实际应用中，可以视系统具体需要来设定第一变换器和第二变换器，此处不做限定，均在本技术的保护范围内。
97.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
98.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元
及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
99.对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。