用于换电站的控制设备和方法与流程

1.本发明涉及换电站领域，具体涉及用于换电站的控制设备、控制方法、充放电装置、换电站以及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.换电站作为一种新能源汽车的能源补给方式，能够有效缩短能源补给的时间，缓解车主出行时对于换电时间的顾虑。
3.随着全国电力能源的紧缺，多地电网实施了有序用电的管理措施，通过加强用电管理，改变用户用电方式，采取错峰、避峰、限电、拉闸等措施来应对电力供需矛盾。一方面，这使得换电站的电力供应可能存在随时被拉闸限制功率的情况，导致整个换电站突然断电，而无法正常提供换电服务。另一方面，也可以考虑利用换电站内的电池包向电网反向送电，从而帮助缓解电力供需的矛盾。
4.以上公开于本技术背景部分的信息仅仅旨在增加对本技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.根据本发明的一方面，提供了一种用于换电站的控制设备，包括：接收模块，其配置成接收指示第一信息和第二信息，其中，所述第一信息指示所述换电站状态，所述第二信息指示对于所述换电站的工作需求；以及控制模块，其配置成：响应于所述第一信息指示所述换电站处于并网状态并且所述第二信息指示对于所述换电站中的至少一个电池包的充电需求，而发出第一控制信号，其中，所述第一控制信号指示对所述换电站进行并网充电操作，以为所述至少一个电池包进行充电，以及响应于所述第一信息指示所述换电站处于离网状态并且所述第二信息指示关于所述换电站的换电需求，而发出第二控制信号，其中，所述第二控制信号指示对所述换电站进行离网放电操作，以供所述换电站完成所述换电需求。
6.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述控制模块进一步配置成响应于所述第一信息指示所述换电站处于所述离网状态并且所述第二信息指示所述换电站正在进行换电操作，而发出所述第二控制信号。
7.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述控制模块还配置成响应于所述第一信息指示所述换电站处于所述并网状态并且所述第二信息指示针对电网的送电需求，而发出第三控制信号，其中，所述第三控制信号指示对所述换电站进行并网放电操作，以为所述电网反向送电。
8.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述控制设备由不间断电源ups供电。
9.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述接收模
块还配置成接收第三信息，所述第三信息指示所述换电站中换电操作的进程。所述控制模块还配置成响应于所述第三信息指示所述换电操作已经完成，而发出第四控制信号，其中，所述第四控制信号指示对新换入的电池包进行充放电健康检测。
10.根据本发明的另一方面，提供了一种用于换电站的充放电装置。所述充放电装置连接到至少一个电池包、电网和所述换电站的站用电，所述充放电装置包括：前述控制设备；以及功率变换设备，其配置成：响应于接收到第一控制信号而将来自所述电网的交流电转换为直流电，以为所述至少一个电池包充电，以及响应于接收到第二控制信号而将来自所述至少一个电池包的直流电转换为交流电，以为所述换电站的换电操作供电。
11.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的充放电装置中，所述功率变换设备还配置成：响应于接收到第三控制信号而将来自所述至少一个电池包的直流电转换为交流电，以向所述电网反向送电。
12.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的充放电装置中，所述充放电装置还包括：n线开关，其配置成响应于所述第一控制信号或所述第三控制信号而断开，并且响应于所述第二控制信号而闭合。
13.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的充放电装置中，所述控制设备与所述功率变换设备之间通过控制器局域网络can进行通信。
14.根据本发明的再一方面，提供了一种换电站，包括：至少一个上述充放电装置；以及至少一个电池包。其中，所述至少一个电池包中的每个电池包连接至所述至少一个充放电装置中的一个充放电装置。
15.根据本发明的又一方面，提供了一种用于换电站的控制方法，包括：接收指示第一信息和第二信息，其中，所述第一信息指示所述换电站状态，所述第二信息指示对于所述换电站的工作需求；响应于所述第一信息指示所述换电站处于并网状态并且所述第二信息指示对于所述换电站中的至少一个电池包的充电需求，而发出第一控制信号，其中，所述第一控制信号指示对所述换电站进行并网充电操作，以为所述至少一个电池包进行充电，以及响应于所述第一信息指示所述换电站处于离网状态并且所述第二信息指示关于所述换电站的换电需求，而发出第二控制信号，其中，所述第二控制信号指示对所述换电站进行离网放电操作，以供所述换电站完成所述换电需求。
16.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，还包括：响应于所述第一信息指示所述换电站处于所述离网状态并且所述第二信息指示所述换电站正在进行换电操作，而发出所述第二控制信号。
17.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，还包括：响应于所述第一信息指示所述换电站处于所述并网状态并且所述第二信息指示针对电网的送电需求，而发出第三控制信号，其中，所述第三控制信号指示对所述换电站进行并网放电操作，以为所述电网反向送电。
18.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，还包括：接收第三信息，其中，所述第三信息指示所述换电站中换电操作的进程；以及响应于所述第三信息指示所述换电操作已经完成，而发出第四控制信号，其中，所述第四控制信号指示对新换入的电池包进行充放电健康检测。
19.根据本发明的又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程
序。所述计算机程序被处理器执行时实现上述控制方法。
附图说明
20.从结合附图的以下详细描述中，将会使本发明的上述和其他目的及有点更加完整清楚。
21.图1示出根据本发明的一个实施例的用于换电站的控制设备100的结构框图。
22.图2示出了根据本发明的一个实施例的换电站200的结构框图。
23.图3示出了根据本发明的一个实施例的用于换电站的控制方法300的流程图。
具体实施方式
24.现在将参照附图更加完全地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。但是，本发明可按照很多不同的形式实现，并且不应该被理解为限制于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开变得彻底和完整，并将本发明的构思完全传递给本领域技术人员。
25.在本发明的上下文中，术语“第一”、“第二”等适用于区别类似的对象，而不必用于描述对象在时间、空间、大小等方面的顺序。此外，除非另外特别指明，本文中的术语“包括”、“具备”以及类似表述意在表示不排他的包含。
26.在本发明的上下文中，术语“车辆”或者其他类似的术语意在表示使用动力电池至少部分提供驱动的纯电动汽车或混合动力汽车。其中，混合动力汽车是一种具有两个或更多个功率源的车辆，例如汽油动力和电动车辆。
27.在本发明的上下文中，术语“换电站”指可为纯电动汽车或混合动力汽车提供电池更换服务的场所。
28.在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的各个示例性实施例。
29.图1示出根据本发明的一个实施例的用于换电站的控制设备100的结构框图。在图1中，控制设备100包括接收模块110和控制模块120。
30.其中，接收模块110配置成接收指示第一信息和第二信息。其中，第一信息指示换电站状态，而第二信息指示对于换电站的工作需求。
31.在本发明的上下文中，“换电站状态”意在表示换电站与电网的连接状态，例如包括并网状态（即，与电网相连接），离网状态（即，与电网断开）等。
32.在本发明的上下文中，“换电站的工作需求”表示来自上层控制设备或外部的对于换电站的工作需求，例如包括需要换电站对站内的电池包进行充电的需求，需要站内的电池包提供站用电以维持换电操作的需求，以及需要站内的电池包对电网反向送电的需求等等。
33.控制模块120配置成响应于第一信息指示换电站处于并网状态，并且第二信息指示对于换电站中的至少一个电池包的充电需求，而发出第一控制信号。其中，第一控制信号指示对换电站进行并网充电操作，以为至少一个电池包进行充电。
34.其中，指示充电需求的第二信息例如可以来自于上层控制设备的指令、可以来自于用户输入，或者可以来自于换电站识别到站内具有电量不饱和的电池包等等，本发明对此不作限制。
35.控制模块120还配置成响应于第一信息指示换电站处于离网状态，并且第二信息指示关于换电站的换电需求，而发出第二控制信号。其中，第二控制信号指示对换电站进行离网放电操作，从而向换电站提供站用电，供换电站完成换电需求。
36.其中，指示换电需求的第二信息例如可以来自于上层控制设备的指令、可以来自于用户输入等等，本发明对此不作限制。
37.在一个实施例中，控制模块120还可配置成响应于第一信息指示换电站处于离网状态，并且第二信息指示换电站正在进行换电操作，而发出第二控制信号。如上所述，第二控制信号指示对换电站进行离网放电操作，以供换电站完成换电需求。由此，换电过程中如果电网侧的供电中断，仍然可以利用换电站中的电池包来提供站用电，从而保证进行中的换电操作能够顺利完成。
38.在一个实施例中，控制模块120还可配置成响应于第一信息指示换电站处于并网状态，并且第二信息指示针对电网的送电需求，而发出第三控制信号。其中，第三控制信号指示对换电站进行并网放电操作，以为电网反向送电。
39.作为示例，针对电网的送电需求可以来自于市电电网的调度指令，这可能发生在局部电网电力供应紧缺的情况下。
40.在一个实施例中，控制设备100由换电站的不间断电源（uninterruptible power supply，ups）供电，诸如，被动后备式ups电源、在线互动式ups电源、双变换式ups电源。这是为了保证在换电站突然断电的情况下保持正常工作。
41.例如，如果在换电操作进行到中途时，电网突然对换电站拉闸限电（此时，换电站将处于离网状态），那么由不间断电源ups供电的控制设备100能够响应于指示换电站处于离网状态的第一信息和指示换电操作正在进行的第二信息而发出第二控制信号，以指示对换电站进行离网放电操作，向换电站提供站用电，从而供换电站完成换电需求。在另一些实施例中，即使换电站处于并网状态，也可以由不间断电源ups给换电站的控制设备进行持续供电，以使得控制设备100的供电完全不受电网影响，这进一步保障了换电过程的连续性。
42.在一个实施例中，接收模块110还可配置成接收第三信息。其中，第三信息指示换电站中换电操作的进程。相应地，控制模块120还可配置成响应于第三信息指示换电操作已经完成，而发出第四控制信号。其中，第四控制信号指示对新换入的电池包进行充放电健康检测。对于通过检测的电池包可进行上述的充电操作，而对于未通过检测的电池包可以通知上层控制设备来进一步处理。
43.图2示出了根据本发明的一个实施例的换电站200的结构框图。其中，换电站200可包括充放电装置210和电池包220。充放电装置210可进而包括控制设备211、功率变换设备212、电池包电插头213、直流接触器214和n线开关215。其中，功率变换设备212可通过直流接触器214和电池包电插头213而连接至电池包220；功率变换设备212也可通过n线开关215连接至交流母线，进而连接至换电站200的站用电接口230和电网接口240。
44.控制设备211可以具有如前述的控制设备100的结构和功能：响应于接收到的信息（例如，第一信息、第二信息、第三信息等），而生成相应的控制信号（例如，第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号等）。
45.功率变换设备212可以配置成响应于接收到控制设备211生成的第一控制信号，而将经由电网接口240来自电网的交流电转换为直流电，从而经由直流接触器214和电池包电
插头213来为电池包220充电。
46.功率变换设备212还可以配置成响应于接收到控制设备211生成的第二控制信号而将经由直流接触器214和电池包电插头213来自电池包220的直流电转换为交流电，从而经由站用电接口230来为换电站的换电操作供电，从而维持换电操作的正常进行。
47.在一个实施例中，功率变换设备212还配置成响应于接收到控制设备211生成的第三控制信号，而将经由直流接触器214和电池包电插头213来自电池包220的直流电转换为交流电，从而经由站用电接口230来向电网反向送电。
48.在一个实施例中，控制设备211与功率变换设备212之间通过控制器局域网络can进行通信，从而在控制设备211和功率变换设备212之间进行信息交互，例如，将控制设备211生成的第一、第二或第三控制信号传递至功率变换设备212。
49.在一个实施例中，n线开关215配置成响应于第一控制信号或第三控制信号而断开，即，当充放电装置210处于并网状态下，断开n线开关215。此外，n线开关215还可配置成响应于第二控制信号而闭合，即，当充放电装置210处于离网状态下，闭合n线开关215。
50.在一个实施例中，功率变换设备212为双向ac/dc转换器，从而根据控制设备211的控制信号来将功率变换设备212两端的电能在交流与直流之间进行相互转换。
51.如图2所示，电池包插头213可以与控制设备211相连接（例如，经由控制器局域网络can），从而在二者之间进行信息交互。直流接触器214也可以与控制设备211相连接（例如，经由数字输入/数字输出di/do控制接口），以便于将控制信号从控制设备211发送至直流接触器214。
52.举例而言，响应于第二控制信号，需要将电池包220的直流电通过功率变换设备212转换为交流电，以经由站用电接口230为换电站200提供站用电。在此情况下，控制设备211分别向电池包插头213和直流接触器214发送信号，使得：先通过电池包电插头213接通电池包220，再启动功率变换设备212，当功率变换设备212与电池包电插头213之间的电压差小于预确定的阈值（例如10v）时，再接通直流接触器214。由此，通过控制设备211对功率变换设备212、电池包电插头213和直流接触器214的协调控制，避免了电路接通时由于两端压差过大而可能引起的安全问题。
53.在图2所示的实施例的换电站200中，仅示出了一个充放电装置210。但是本领域技术人员容易理解，本发明的构思不限于此，根据本发明的换电站也可以包括多个充放电装置。此外，在图2所示的实施例的充放电装置210仅连接至一个电池包220，但是本领域技术人员容易理解，本发明的构思不限于此，根据本发明的充放电装置210也可以连接至多个电池包。
54.图3示出了根据本发明的一个实施例的用于换电站的控制方法300的流程图。具体而言，控制方法300包括以下步骤。
55.在步骤s310，接收指示第一信息和第二信息。其中，第一信息指示换电站状态，而第二信息指示对于换电站的工作需求。
56.在步骤s320，响应于第一信息指示换电站处于并网状态，并且第二信息指示对于换电站中的至少一个电池包的充电需求，而发出第一控制信号。其中，第一控制信号指示对换电站进行并网充电操作，以为至少一个电池包进行充电。指示充电需求的第二信息例如可以来自于上层控制设备的指令、可以来自于用户输入，或者可以来自于换电站识别到站
内具有电量不饱和的电池包等等，本发明对此不作限制。
57.在一个实施例中，并网充电操作可以进一步包括空闲阶段、绝缘检测阶段、启动阶段、充电阶段和结束阶段。
58.在并网充电操作的空闲阶段，电池包电插头（例如，电池包电插头213）与电池包（例如，电池包220）连接，为电池包提供低电压（例如，12v的电压）供电，使得电池包通电，以便控制设备（例如，控制设备211）对其进行逻辑控制。控制设备通过控制器局域网络can通信接口以及电池包电插头与电池包建立通信。当控制设备接收到指示换电站处于并网状态的第一信息时，则将功率变换设备（例如，功率变换设备212）设置为整流模式；当充放电装置（例如，充放电装置210）达到预设的启动条件时，进入绝缘检测阶段。
59.在并网充电操作的绝缘检测阶段，检测线路的绝缘性能，以保证后续充电过程的安全性。绝缘检测通过后，先停用功率变换设备，再进入启动阶段。
60.在并网充电操作的启动阶段，先接通电池包，即，控制设备控制电池包内部高压继电器闭合。然后，控制设备接收到电池内部高压继电器闭合通信信息后，再对功率变换设备设置输出电压和电流，并启动功率变换设备。当功率变换设备电压与电池包之间的电压差小于预确定的阈值（例如，10v）时，控制设备通过do接口来控制直流接触器（例如，直流接触器214）闭合。然后，控制设备在通过di接口接收到指示直流接触器状态为闭合的信息时，发出控制信号以指令功率变换设备开始电流软起动。在输出电流达到电池请求电流时，进入充电中阶段。
61.在并网充电操作的充电阶段，控制设备根据电池包请求电压和请求电流实时调节功率变换设备的输出，直至达到预设的充电结束条件，进入结束阶段。
62.在并网充电操作的结束阶段，指令功率变换设备停机，停止对电池充电。然后，当功率变换设备的输出电流小于预确定的阈值（例如，10a）时断开直流接触器，断开电池高压接触器，将功率变换设备设置为整流模式。
63.在步骤s330，响应于第一信息指示换电站处于离网状态，并且第二信息指示关于换电站的换电需求，而发出第二控制信号。其中，第二控制信号指示对换电站进行离网放电操作，从而向换电站提供站用电，供换电站完成换电需求。指示换电需求的第二信息例如可以来自于上层控制设备的指令、可以来自于用户输入等等，本发明对此不作限制。
64.在一个实施例中，离网放电操作可进一步包括空闲阶段、启动阶段、放电阶段和结束阶段。
65.在离网放电操作的空闲阶段，整个充放电装置（例如，充放电装置210）断电，由备用电源（例如，不间断电源ups）为控制设备（例如，控制设备211）供电。控制设备指令功率变换设备（例如，功率变换设备212）设置为逆变模式，并控制闭合电池高压接触器和直流接触器（例如，直流接触器214），以使得电池包（例如，电池包220）存储的电能为功率变换设备供电。此时，充放电装置等待预定时间（例如，30秒）以让功率变换设备处于正常空闲状态；预定时间过后，控制设备检测到电池包无故障以及电网支路无故障时，控制充放电装置进入启动阶段；否则，若检测到电池包或电网支路有故障，则控制进入结束阶段。
66.在离网放电操作的启动阶段，控制设备设置功率变换设备的电压和电流，并且发出启动命令；启动成功后，控制设备接收到功率变换设备启动成功的反馈，并控制充放电装置进入放电阶段。
67.在离网放电操作的放电阶段，控制设备开始调节功率变换设备的电压和电流，对功率变换设备设置最小放电截止电压（例如，200v），并按照功率变换设备的最大输出电流设置输出电流；功率变换设备将电池包存储的直流电转换成交流电，通过交流母线为换电站提供站用电。当充放电装置达到预设的放电结束条件（例如，电池低电量）时，进入结束阶段。
68.在离网放电操作的结束阶段，控制设备设置功率变换设备停机以停止对电池进行的离网放电操作。当功率变换设备输出电流小于10a时，控制设备控制直流接触器断开，并控制电池的高压接触器断开，将功率变换设备设置为整流模式。
69.虽然图3中未示出，控制方法300还可以包括响应于第一信息指示换电站处于离网状态，并且第二信息指示换电站正在进行换电操作，而发出第二控制信号。如上所述，第二控制信号指示对换电站进行离网放电操作，以供换电站完成换电需求。由此，换电过程中如果电网侧的供电中断，仍然可以利用换电站中的电池包来提供站用电，从而保证进行中的换电操作能够顺利完成。
70.虽然图3中未示出，控制方法300还可以包括响应于第一信息指示换电站处于并网状态，并且第二信息指示针对电网的送电需求，而发出第三控制信号。其中，第三控制信号指示对换电站进行并网放电操作，以为电网反向送电。作为示例，针对电网的送电需求可以来自于市电电网的调度指令，这可能发生在局部电网电力供应紧缺的情况下。
71.在一个实施例中，并网放电操作可进一步包括空闲阶段、启动阶段、放电阶段和结束阶段。
72.在并网放电操作的空闲阶段，电池包电插头（例如，电池包电插头213）与电池包（例如，电池包220）连接，为电池包提供低电压（例如，12v）供电，使得电池包通电，以便控制设备（例如，控制设备211）对其进行逻辑控制。控制设备通过控制器局域网络can通信接口以及电池包电插头与电池包建立通信。当控制设备接收到信息指示换电站处于并网状态的第一信息时，将功率变换设备（例如，功率变换设备212）设置为逆变模式；当充放电装置（例如，充放电装置210）达到预设的启动条件时，进入启动阶段。
73.在并网放电操作的启动阶段，先通过控制设备控制电池包的高压接触器闭合，并控制直流接触器（例如，直流接触器214）闭合。然后，当控制设备接收到指示直流接触器闭合成功的信息后，设置功率变换设备的电压和电流，并发出启动命令。启动成功后，控制设备接收到功率变换设备启动成功的反馈后，进入放电阶段。
74.在并网放电操作的放电阶段，充放电装置处于放电中，控制设备开始调节功率变换设备的电压电流，并对功率变换设备设置最小放电截止电压（例如，200v），输出电流按照功率变换设备的最大输出电流设置。功率变换设备会跟随市电电网负载输出，将电池包存储的能量反馈到电网中。最后，当达到预设的放电结束条件时，进入结束阶段。
75.在并网放电操作的结束阶段，设置功率变换设备停机以停止对电池包进行放电操作。当功率变换设备输出电流小于预确定的而与之（例如，10a）时，控制设备控制直流接触器断开，并控制电池包的高压接触器断开，将功率变换设备设置为整流模式。
76.虽然图3中未示出，控制方法300还可以包括接收第三信息，以及响应于第三信息指示换电操作已经完成，而发出第四控制信号。其中，第三信息指示换电站中换电操作的进程，而第四控制信号指示对新换入的电池包进行充放电健康检测。对于通过检测的电池包
可进行上述的充电操作，而对于未通过检测的电池包可以通知上层控制设备来进一步处理。
77.应当理解的是，本发明附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或者在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或者在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
78.还应当理解的是，在一些备选实施例中，前述方法中所包括的功能/步骤可以不按流程图所示的次序来发生。例如，依次示出的两个功能/步骤可以基本同时执行或甚至逆序执行。这具体取决于所涉及的功能/步骤。
79.另外，本领域技术人员容易理解，本发明的上述一个或多个实施例提供的控制方法可通过计算机程序来实现，该计算机程序存储在计算机可读存储介质上。例如，当存有该计算机程序的计算机存储介质与计算机相连时，运行该计算机程序即可执行本发明的一个或多个实施例的控制方法。
80.综上所述，根据本发明的用于换电站的控制方案可以使得换电站兼具并网充放电功能和离网放电功能。换电站不仅可以在正常工况下，将电网提供的交流电转换为直流电，以为电池包进行充电；还可以在电网供电被切断的情况下，将电池包的直流电转换为交流电，以为换电站供应站用电，从而保障换电操作的电力供应，使得换电服务能够顺利完成。
81.此外，当电网出现电力供应紧缺情况时，换电站还可以将电池包中的直流电转换为交流电，从而为电网反向送电。
82.尽管以上只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当了解，本发明可以在不背离其主旨和范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子和实施方式应被视为示意性的而非限制性的，在不背离如所附权利要求书所定义的本发明精神级范围的情况下，本发明可能涵盖各种修改与替换。