一种交直流输入储能充电系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电动汽车充电技术及化学电池储技术领域，尤其涉及一种交直流输入储能充电系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着各大城市对环保的不断重视，工程车辆也在逐步电动化。工程车工作地点多在荒野工地、乡村工地、郊区工地、城市工地等，工程车对充电时间及补电地点都有较高的需求。现有充电设备多建设在城市中心，距离施工现场较远，电动工程车续航比起传统燃油车辆仍有较大差距，频繁远距离的充电将会在往返路程上消耗较多的时间与电量，从而导致电动工程车的工作效率大大降低，阻碍了工程车的普及应用。


技术实现要素：

3.基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种交直流输入储能充电系统及其控制方法，可以实现各种工作模式的灵活切换，解决了工程车的充电时间长、补电地点远的问题，同时，该系统还可以跟随施工现场的转移灵活移动，适应不同环境中工程车辆充电需求。
4.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种交直流输入储能充电系统，包括交流电源、主控制器和交直流输入储能充电装置；其中，
5.所述交直流输入储能充电装置包括交流输入端、直流输入端、直流输出端、储能单元、切换单元和交直流双输入单元；
6.所述交直流输入储能充电装置为多个，多个所述交直流输入储能充电装置的交流输入端均连接于所述交流电源；
7.所述主控制器与各个所述储能单元、切换单元和交直流双输入单元通讯连接，以对所述储能单元、切换单元和交直流双输入单元进行控制。
8.进一步的，所述交直流双输入单元包括交流输入接口、直流输入接口和直流输出接口；所述交直流双输入单元对所输入的交流电源或直流电源进行功率变换。
9.进一步的，所述切换单元包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关；
10.所述第一开关设置于所述交流输入端和所述交流输入接口之间；
11.所述第四开关设置于所述直流输出端和所述直流输出接口之间；
12.所述第五开关设置于所述储能单元和所述直流输出接口之间。
13.进一步的，所述切换单元还包括隔直二极管；
14.所述第三开关、第二开关和隔直二极管依次连接于所述直流输入端和所述直流输入接口之间；
15.所述第三开关和第二开关之间的连接点连接至所述储能单元。
16.进一步的，所述第一开关与第三开关互锁设置。
17.根据本发明的第二个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的交直流输入储能充电系统的控制方法，包括：
18.控制所述储能单元、切换单元和交直流双输入单元，使得所述交直流输入储能充电系统中各交直流输入储能充电装置工作于交流充电模式、储能电池充电模式、储能电池交流补电模式、和/或储能电池直流电模式。
19.进一步的，所述交流充电模式包括：
20.控制所述第一开关和第四开关闭合，所述第二开关、第三开关和第五开关断开；
21.控制所述交直流双输入单元进行ac/dc转换，转换后的直流电能通过所述第四开关从所述直流输出端输出。
22.进一步的，所述储能电池充电模式包括：
23.控制所述第二开关和第四开关闭合，所述第一开关、第三开关和第五开关断开；
24.控制所述交直流双输入单元进行dc/dc转换，转换后的直流电能通过所述第四开关从所述直流输出端输出。
25.进一步的，所述储能电池交流补电模式包括：
26.控制所述第一开关和第五开关闭合，所述第二开关、第三开关和第四开关断开；
27.控制所述交直流双输入单元进行ac/dc转换，转换后的直流电能通过所述第一开关和第五开关为所述储能单元充电。
28.进一步的，所述储能电池直流电模式包括：
29.控制所述第三开关闭合，所述第一开关、第二开关、第五开关和第四开关断开；
30.从所述直流输入端输入的直流电源通过所述第三开关为所述储能单元充电。
31.综上所述，本发明提供了一种交直流输入储能充电系统及其控制方法，该系统包括多个交直流输入储能充电装置，每个交直流输入储能充电装置包括交流输入端、直流输入端、直流输出端、储能单元、切换单元和交直流双输入单元，通过交流输入端输入的交流电源或直流输入端输入的直流电源对系统中的储能单元进行补电，通过交直流双输入单元中的ac/dc或dc/dc变换后对电动工程车进行快速补电，系统主控制器监测切换单元中各开关的状态，并控制各开关的通断，实现各种工作模式的切换，系统主控制器与交直流双输入单元和储能单元通过通讯连接，控制交直流双输入单元的启停及储能单元的充放电。本发明所提供的技术方案解决了工程车的充电时间长、补电地点远的问题，同时，该补电设备可以跟随施工现场的转移灵活移动，具有很高的灵活性。
附图说明
32.图1是本发明交直流输入储能充电系统的构成框图；
33.图2是本发明交直流输入储能充电装置的构成框图；
34.图3是交流充电模式下的能量流动示意图；
35.图4是储能电池充电模式下的能量流动示意图；
36.图5是储能电池交流补电模式下的能量流动示意图；
37.图6是储能电池直流电模式下的能量流动示意图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
39.下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种交直流输入储能充电系统，该交直流输入储能充电系统的构成框图如图1所示，该系统包括交流电源、主控制器和交直流输入储能充电装置。
40.所述交直流输入储能充电装置包括交流输入端、直流输入端、直流输出端、储能单元、切换单元和交直流双输入单元，该交直流输入储能充电装置的构成框图如图2所示，所述交直流输入储能充电装置为多个，多个所述交直流输入储能充电装置的交流输入端均连接于所述交流电源；所述主控制器与各个所述储能单元、切换单元和交直流双输入单元通讯连接，以对所述储能单元、切换单元和交直流双输入单元进行控制。所述主控制器用于控制交直流双输入单元和储能单元的启停和功率控制，所述主控制器还用于采集所述切换单元的各开关状态，并对所述切换单元的各开关通断进行控制。
41.所述交直流双输入单元包括交流输入接口、直流输入接口和直流输出接口；所述交直流双输入单元对所输入的交流电源或直流电源进行功率变换。该交直流双输入单元包含ac/dc变换单元和dc/dc变换单元，并且可以通过并联的方式，实现大功率变换。该交直流双输入单元可以接收所述主控制器的控制指令，以实现不同的功率变换。该交直流双输入单元可以从所述交流输入接口接收交流电源，也可以从所述直流输入接口接收直流电源，但两路电源输入接口不能同时接入。
42.所述储能单元可以包括动力电池及电池管理系统，可以通过交流输入端输入的交流电源或者直流输入端输入的直流电源对所述动力电池进行充电；动力电池也可以作为直流电源输出直流电至所述直流输出端。该储能单元可以接收主控制器的控制指令启动或停止工作。
43.所述切换单元例如可以包括第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4和第五开关k5，所述第一开关k1设置于所述交流输入端和所述交流输入接口之间；所述第四开关k4设置于所述直流输出端和所述直流输出接口之间；所述第五开关k5设置于所述储能单元和所述直流输出接口之间。所述切换单元还可以包括隔直二极管d1；所述第三开关k3、第二开关k2和隔直二极管d1依次连接于所述直流输入端和所述直流输入接口之间；所述第三开关k3和第二开关k2之间的连接点连接至所述储能单元。所述第一开关k1与第三开关k3互锁设置。主控制器通过采集第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4和第五开关k5的状态并控制其通断，控制和监测交直流双输入单元及储能单元的启停及充放电模式。各所述开关可以为半导体器件或者接触器开关等常用开关器件。本实施例中，第一开关k1为交流接触器，第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4和第五开关k5为直流接触器。
44.根据本发明的第二个实施例，提供了一种如本发明第一个实施例所述的交直流输入储能充电系统的控制方法，包括：控制所述储能单元、切换单元和交直流双输入单元，使得所述交直流输入储能充电系统中各交直流输入储能充电装置工作于交流充电模式、储能电池充电模式、储能电池交流补电模式、和/或储能电池直流电模式。
45.以下举例对上述各工作模式进行进一步说明。本发明实施例提供的交直流输入储能充电系统，例如应用于工程车充电的场景时，为储能单元中的电池补电时可采用交直流两种输入方式，为电动工程车充电时可采用交流输入或储能电池输入两种方式。系统运行工况可分为以下四种：交流输入为工程车充电(即交流充电模式)、储能电池为工程车充电(即储能电池充电模式)、交流输入为储能电池补电(即储能电池交流补电模式)、直流输入为储能电池补电(即储能电池直流电模式)。各充电模式下的系统能量路径如表1所示。
46.表1
47.工况能量路径交流输入为工程车充电交流电源
→
k1
→
充电机
→
k4
→
工程车储能电池为工程车充电储能电池
→
k2
→
充电机
→
k4
→
工程车交流输入为储能电池补电交流电源
→
k1
→
充电机
→
k5
→
储能电池直流输入为储能电池补电直流电源
→
k3
→
储能电池
48.在交直流输入储能充电系统内部为4条相互独立的电气支路，4个支路可分别工作在不同工况下。单支路内部交流与直流输入不可同时使用，第一开关k1与第三开关k3互锁。
49.模式一：交流输入为工程车充电(交流充电模式)
50.控制所述第一开关k1和第四开关k4闭合，所述第二开关k2、第三开关k3和第五开关k5断开；控制所述交直流双输入单元进行ac/dc转换，转换后的直流电能通过所述第四开关从所述直流输出端输出。图3中示出了交流充电模式下的能量流动示意图，如图3所示，当工程车运营现场具备交流电源接入的情况下，优先采用交流电源通过ac/dc变换给工程车进行补电。系统主控制器控制第一开关k1和第四开关k4闭合，系统主控制器的通讯端口通过控制交直流双输入单元，将交流电能转换为可控的直流电能，经过第四开关k4输出直流电能为电动工程车进行充电。在此工作模式下，如果交流电源的功率容量小于工程车辆需求功率，不足的功率由储能单元经k5进行补充。
51.模式二：储能电池为工程车充电(即储能电池充电模式)
52.控制所述第二开关k2和第四开关k4闭合，所述第一开关k1、第三开关k3和第五开关k5断开；控制所述交直流双输入单元进行dc/dc转换，转换后的直流电能通过所述第四开关k4从所述直流输出端输出。图4中示出了储能电池充电模式下的能量流动示意图，如图4所示，当工程车运营现场不具备交流电源或者交流电源容量较小的情况下，需采用系统中储能单元经dc/dc变换给工程车进行补电。系统主控制器控制第二开关k2和第四开关k4闭合，系统主控制器的通讯端口通过控制交直流双输入单元，将储能单元电能转换为可控的直流电能，经过第四开关k4输出直流电能为电动工程车进行充电。
53.模式三：交流输入为储能电池补电(即储能电池交流补电模式)
54.控制所述第一开关k1和第五开关k5闭合，所述第二开关k2、第三开关k3和第四开关k4断开；控制所述交直流双输入单元进行ac/dc转换，转换后的直流电能通过所述第一开关k1和第五开关k5为所述储能单元充电。图5中示出了储能电池交流补电模式下的能量流动示意图，如图5所示，当工程车运行现场无交流电源，交直流双输入储能充电系统可以移动至有交流电源点的区域，采用交流电源给系统中储能单元经ac/dc变换给该系统进行补电。系统主控制器控制第一开关k1和第五开关k5闭合，系统主控制器的通讯端口通过控制交直流双输入单元，将交流电能转换为可控的直流电能，经过第一开关k1和第五开关k5输
出直流电能为储能单元进行充电。
55.模式四：直流输入为储能电池补电(即储能电池直流电模式)
56.控制所述第三开关k3闭合，所述第一开关k1、第二开关k2、第四开关k4和第五开关k5断开；从所述直流输入端输入的直流电源通过所述第三开关k3为所述储能单元充电。图6中示出了储能电池直流电模式下的能量流动示意图，如图6所示，当工程车运行现场无交流电源，交直流双输入储能充电系统可以移动至直流充电设备的区域，采用直流输入给系统中储能单元进行补电。系统主控制器控制第三开关k3闭合，将直流电能经过第三开关k3输出直流电能为储能单元进行充电。
57.综上所述，本发明涉及一种交直流输入储能充电系统及其控制方法，该系统包括多个交直流输入储能充电装置，每个交直流输入储能充电装置包括交流输入端、直流输入端、直流输出端、储能单元、切换单元和交直流双输入单元，通过交流输出端输入的交流电源或直流输入端输入的直流电源对系统中的储能单元进行补电，通过交直流双输入单元中的ac/dc或dc/dc变换后对电动工程车进行快速补电，系统主控制器监测切换单元中各开关的状态，并控制各开关的通断，实现各种工作模式的切换，系统主控制器与交直流双输入单元和储能单元通过通讯连接，控制交直流双输入单元的启停及储能单元的充放电。本发明所提供的技术方案解决了工程车的充电时间长、补电地点远的问题，同时，该补电设备可以跟随施工现场的转移灵活移动，具有很高的灵活性。
58.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。