一种具有功率动态分配功能的电动车快速充电系统的制作方法

1.本公开是电动车充电技术领域，尤其是涉及一种集成有储能系统装置且兼具功率动态分配功能的电动车快速充电系统。


背景技术：

2.电动车正变得越来越普及，但是面临充电速度慢、充电设施投资大等问题，这些问题成为制约电动车行业发展的共性难题。
3.首先是充电速度慢的问题。电动车充电站设置的直流充电装置，通常情况下直流充电装置的充电功率一旦设置完成就不能调整了；但是，随着电动车更新换代，电动车装载的电池额定能量越来越大，所需求的充电功率也越来越大，这就带来了尽管电动车的续航里程在增加，但是所需求的充电时间也在增加，带给用户的感觉就是充电越来越慢。
4.其次是充电设置投资大的问题。为了满足电动车快速充电的需求，电动车充电站内的直流充电装置通常按较大功率来设置，这一方面导致单台大功率直流充电装置的投资较大，另外一方面实际充电时多辆电动车同时进行满功率充电这一工况较少，所以全部布置大功率的直流充电装置是不经济的做法；同时多台大功率直流充电装置所要求配电网容量需求也较高；并且，实际的电动车充电站内电动车辆充电负荷具有间隙性，配电网按照最大装机容量布置时明显有资源利用率低的问题，浪费投资。
5.因此，如何兼顾电动车充电系统的投资成本和电动汽车的充电速度，提出一种既满足经济性要求又满足用户体验需求的快速充电充电系统，就显得非常必要。


技术实现要素：

6.本公开要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种具有功率动态分配功能的电动车快速充电系统，实现根据需求调配各直流充电装置到各充电终端，实现充电功率的动态调节。
7.本公开通过以下方案实现。
8.一种具有功率动态分配功能的电动车快速充电系统，包括整流装置、储能系统装置、 直流充电装置、充电终端、直流母线、母线排、选通开关装置、充电协调控制器和能量管理 装置。
9.所述充电终端的数量为两个或两个以上，所述选通开关装置的数量、直流充电装置 的数量与充电终端的数量相同。
10.所述充电终端的输入端与选通开关装置的输出端连接，充电终端的输出端是与电动车连接的充电端口。
11.所述直流充电装置的输入端、整流装置的输出端以及储能系统装置的输出端并接在直 流母线上，整流装置的输入端与市电连接。
12.所述能量管理装置分别与直流充电装置、储能系统装置、整流装置、充电协调控制 器进行通信信号连接。
13.所述充电协调控制器分别与充电终端、选通开关装置进行通信信号连接，充电协调 控制器控制选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作来实现电动车快速充电系统的功率动 态分配功能。
14.所述能量管理装置接收储能系统装置的信息和整流装置的信息，计算得到电动车快 速充电系统可用的最大充电功率p_max并将该信息发送给充电协调控制器。
15.所述充电协调控制器根据选通开关装置的信息、预设的充电服务策略和电动车快速 充电系统可用的最大充电功率p_max信息，确定当前充电终端目标充电功率p_ev_target，并且满足p_ev_target≤p_max；充电协调控制器接收充电终端发出的充电功率请求p_ev_req， 得到该充电终端的实际充电功率p_ev_use，其中p_ev_use 取p_ev_req 和p_ev_target 两者中 的最小值即p_ev_use=min（p_ev_req，p_ev_target）。
16.所述选通开关装置中的每一个选通开关装置包括n个开关（n为大于等于3的自然 数），所述的母线排中母线的数量是（n-2）个；所述的n个开关中，第1开关k1的一端与 母线排中第1母线l1连接，第2开关k2的一端与母线排中第2母线l2连接，第3开关 k3的一端与母线排中第3母线l3连接，第（n-2）开关k(n-2)的一端与母线排中第（n-2） 母线l（n-2）连接，第（n-1）开关k(n-1)的一端与直流充电装置的输出端连接，第n开 关kn的一端与充电终端的输入端连接，第1开关、第2开关、第3开关、第（n-2）开关、 第（n-1）开关、第n开关的另外一端并接。
17.所述每一个选通开关装置包括n个开关，数量n=int（p_terminal_max/p_charger） 1，其中p_terminal_max 是充电终端的最大允许充电功率，p_charger 是单个直流充电装置 的额定功率，int 表示取整数。
18.所述直流充电装置的二次供电采用从直流母线取电方式，内置直流转直流辅助电源 模块；所述储能系统装置二次供电采用两路电源，一路采用直流转直流辅助电源模块直接从 直流母线取电输入，输出连接至储能系统装置二次供电接口，另外一路采用蓄电池电源，蓄 电池电源输出回路连接至储能系统装置二次供电接口；所述能源管理装置、选通开关装置、充电协调控制器的二次供电采用直流母线取电方式，设置直流转直流辅助电源，辅助电源输 入端与直流母线连接，输出端与能量管理装置、选通开关装置、充电协调控制器二次供电接 口连接。
19.所述整流装置包括交流配电模块、若干个ac/dc 模块，所述交流配电模块的输入端 连接市电，所述交流配电模块的输出端与所述ac/dc 模块的输入端连接，所述ac/dc 模块的输出端与直流母线连接；所述储能系统装置包括储能电池簇、电池管理系统（bms），储能电池簇与直流母线连接。
20.所述电动车快速充电系统的充电顺序包括。
21.step_1，能量管理装置接收储能系统装置的信息和整流装置的信息，计算得到电动车 快速充电系统可用的最大充电功率p_max并将该信息发送给充电协调控制器。
22.step_2，充电终端的输出端与电动车充电端口连接后，充电协调控制器根据选通开关 装置的信息、预设的充电服务策略和电动车快速充电系统可用的最大充电功率p_max信息， 确定当前充电终端目标充电功率p_ev_target，并且满足p_ev_target≤p_max；充电协调控制 器接收充电终端发出的充电功率请求p_ev_req，得到该充电终端的实际充电功率p_ev_use， 其中p_ev_use取p_ev_ req和p_ev_ target两者中的最小值即p_ev_use=min
（p_ev_ req， p_ev_ target）。
23.step_3，充电协调控制器控制选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作，选通开关 装置正确执行后，充电协调控制器请求能量管理装置控制对应直流充电装置启动运行。
24.step_4，充电协调控制器将充电功率通知充电终端，开始充电。充电过程中，如果某 个充电终端所对应的电动车充满电，则能量管理装置首先控制所有给该充电终端提供电能的 直流充电装置停止运行，接着充电协调控制器控制相应的选通开关装置执行各个开关断开操 作。然后，从step_1到step_4进行循环，将空闲出来的直流充电装置重新启动运行给其它 充电终端的电动车充电。
25.所述电动车快速充电系统在市电断电的情况下，可以由储能系统装置提供电能给电 动车进行充电，实现应急充电功能。
26.与现有技术相比，本公开的一种具有动态功率分配功能的电动车快速充电系统，具 有以下的优点和有益的实施效果。
27.（1）有利于快速充电和提升客户体验。由于本公开可以实现调配任意直流充电装置 到任意充电终端，充电协调控制器通过控制选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作来实 现电动车快速充电系统的功率动态分配功能，因此充电终端可以实现共享多组直流充电装置达成最大充电功率给电动车充电。同时，也可以根据预设的充电服务策略（例如不同的客户 服务等级对应不同的充电速度、不同的客户服务需求），灵活调度和分配各充电终端的充电 功率。
28.（2）有利于降低成本提高利用率。本公开不需要设置大功率的直流充电装置，也不 需要配置大的配网容量，因而可以大幅度降低充电系统的投资成本；而且，本公开的大功率 快速充电是通过共享多个直流充电装置达成的，因而一定程度上减少了直流充电装置的功率 冗余，有利于提高充电设施的利用率。
29.（3）具备黑启动和应急充电的功能。本公开配置有储能系统装置，以及直流充电装 置、储能系统装置、能源管理装置、选通开关装置的二次供电方式，使得本公开的快速充电 系统具有黑启动的功能，并且可以满足电动车应急充电的需求。
附图说明
30.图1是本公开的一种实施例的电动车快速充电系统一次电气结构连接示意图。
31.图2是本公开的一种实施例的电动车快速充电系统通信连接示意图。
32.图3是本公开的一种实施例的电动车快速充电系统选通开关装置与母线排的连接示意图。
33.图4是本公开的一种实施例的电动车快速充电系统二次供电示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本公开的具体实施方式作进一步详细说明。
[0035] 根据本公开的一种实施例，提供一种具有动态功率分配功能的电动车快速充电系统， 如图1和图2所示，该电动车快速充电系统包括整流装置、储能系统装置、直流充电装
置、 充电终端、直流母线、母线排、选通开关装置、充电协调控制器和能量管理装置。
[0036] 在本实施例中设置有6个充电终端、6个选通开关装置、6个直流充电装置，合计6个充电位，可以满足同时6台电动车充电的需求。每1个充电位对应1个充电终端、1个选 通开关装置、1个充电终端，即第1充电位对应第1直流充电装置、第1选通开关装置、第1 充电终端，第2充电位对应第2直流充电装置、第2选通开关装置、第2充电终端，第3充电位对应第3直流充电装置、第3选通开关装置、第3充电终端，第4路充电位对应第4直流充电装置、第4选通开关装置、第4充电终端，第5充电位对应第5直流充电装置、第5选通开关装置、第5充电终端，第6充电位对应第6直流充电装置、第6选通开关装置、 第6充电终端。
[0037]
本实施例的每个充电终端的最大允许充电功率p_terminal_max是480kw，每个直流充电装置的额定功率p_charger是120kw；整流装置的输入是ac 380v，输出是直流 590v~820v，总计充电功率为240kw；储能系统装置额定能量为430kwh，工作电压范围 590v~820v，储能系统装置的最大放电功率为660kw。
[0038] 各充电位的充电终端的输入端与选通开关装置的输出端连接（例如第1充电终端的 输入端与第1选通开关装置的输出端连接），充电终端的输出端是与电动车连接的充电端口。
[0039] 直流充电装置的输入端、整流装置的输出端以及储能系统装置的输出端并接在直流 母线上，整流装置的输入端与市电连接。
[0040] 能量管理装置分别与直流充电装置、储能系统装置、整流装置、充电协调控制器进 行通信信号连接。本实施例能量管理装置与直流充电装置、储能系统装置、整流装置通过 can bus通信信号连接；能量管理装置与充电协调控制器通过rs-485通信信号连接。
[0041] 充电协调控制器分别与充电终端、选通开关装置进行通信信号连接，充电协调控制 器通过控制选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作来实现电动车快速充电系统的功率动 态分配功能。本实施例充电协调控制器与充电终端之间通过can bus通信信号连接；充电 协调控制器与选通开关装置之间通过rs-485通信信号连接。
[0042] 能量管理装置接收储能系统装置的信息和整流装置的信息，计算得到电动车快速充 电系统可用的最大充电功率p_max并将该信息发送给充电协调控制器。本实施例理论上的 最大充电功率p_max是900kw（整流装置充电功率 储能系统装置最大放电功率 =240kw 660kw=900kw）。
[0043] 充电协调控制器根据选通开关装置的信息、预设的充电服务策略和电动车快速充电 系统可用的最大充电功率p_max信息，确定当前充电终端目标充电功率p_ev_target，并且满 足p_ev_target≤p_max；充电协调控制器接收充电终端发出的充电功率请求p_ev_req，得到 该充电终端的实际充电功率p_ev_use，其中p_ev_use取p_ev_req和p_ev_target两者中的最 小值即p_ev_use=min（p_ev_req，p_ev_target）。
[0044]
由图3可知，本实施例的每个选通开关装置设置有5个开关，每一个选通开关装置 中开关的数量n=int（p_terminal_max/p_charger） 1=int（480/120） 1=5，母线排中母线的 数量是3根（母线排母线的数量=每个选通开关装置中开关的数量-2=5-2=3）。每个选通开关 装置中5个开关的连接方式为：第1开关k1的一端与母线排中第1母线l1连接，第2开 关k2的一端与母线排中第2母线l2连接，第3开关k3的一端与母线排中第3母线l3连 接，第4开关k4的一端与直流充电装置的输出端连接，第5开关k5的一端与充电终端的 输入端连接，第1开
关、第2开关、第3开关、第4开关、第5开关的另外一端并接。
[0045]
图4是本实施例的电动车快速充电系统二次供电示意图，直流充电装置的二次供电 采用从直流母线取电方式，内置直流转直流辅助电源模块；储能系统装置二次供电采用两路电 源，一路采用直流转直流辅助电源模块直接从直流母线取电输入，输出连接至储能系统装置二次供电接口，另外一路采用蓄电池电源，蓄电池电源输出回路连接至储能系统装置二次供电接口，本实施例储能系统装置二次供电电压为dc 24v；所述能源管理装置、选通开关装置、充电协调控制器的二次供电采用直流母线取电方式，设置直流转直流辅助电源，辅助电 源输入端与直流母线连接，输出端与能量管理装置、选通开关装置二次供电接口连接，本实施例述能源管理装置二次供电电压为dc 12v，本实施例选通开关装置、充电协调控制器的 二次供电电压为dc 24v。
[0046]
在市电断电的情况下，本实施例电动车快速充电系统具有黑启动的功能。市电断电 情况下，首先储能系统装置的二次供电切换为蓄电池提供，储能系统装置与直流母线连通并 维持dc 590v~820v电压；其次，直流充电装置、能源管理装置、选通开关装置、充电协调 控制器的二次供电采用从直流母线取电方式，整个电动车快速充电系统仍然可以利用储能系 统装置的电能给电动车进行应急充电。
[0047]
本实施例假设第1充电终端、第5充电终端、第6充电终端依次有第1电动车、第 2电动车、第3电动车接入；第1电动车、第 2电动车、第3电动车发出充电请求，充电协调控制器接收第1充电终端、第5充电终端、第6充电终端发出的充电功率请求p_ev_req 均为500kw，第1电动车首先接入第1充电终端，而且第1充电终端接入的电动车为vip 级别（享有优先充电服务）。所有选通开关装置的全部开关在充电终端与电动车连接前均保持断开状态。充电过程如下。
[0048]
step_1，能量管理装置接收储能系统装置的信息和整流装置的信息，计算得到当前电动车快速充电系统可用的最大充电功率p_max为800kw并将该信息发送给充电协调控制器。
[0049]
step_2，第1充电终端的输出端与第1电动车充电端口连接后，充电协调控制器根据 所有选通开关装置的信息、预设的充电服务策略和电动车快速充电系统可用的最大充电功率 p_max（数据是800kw）信息，确定当前第1充电终端目标充电功率p_ev_target（数据是 480kw），并且满足p_ev_target≤p_max。充电协调控制器接收第1充电终端发出的充电功 率请求p_ev_req（数据是500kw），得到第1充电终端的实际充电功率p_ev_use（数据是 480kw），其中p_ev_use 取p_ev_ req和p_ev_ target两者中的最小值即p_ev_use=min （p_ev_ req，p_ev_ target）。
[0050]
step_3，充电协调控制器控制第1选通开关装置、第2选通开关装置、第3选通开关 装置、第4选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作，其中第1选通开关装置的全部5个开关闭合，第2选通开关装置的第1开关k1 闭合、第4开关k4闭合，第3选通开关装置的第2开关k2闭合、第4开关k4闭合，第4选通开关装置的第3开关k3闭合、第4开 关k4闭合，第2选通开关装置、第3选通开关装置、第4选通开关装置的其它开关断开； 第5选通开关装置的全部5个开关断开，第6选通开关装置的全部5个开关断开；选通开关 装置正确执行后，充电协调控制器请求能量管理装置控制第1直流充电装置、第2直流充电 装置、第3直流充电装置、第4直流充电装置启动运行。电动车快速充电系统开始对第1电 动车以480kw功率进行快速充
电。
[0051]
step_4，第5充电终端的输出端与第2电动车充电端口连接后，充电协调控制器根据 所有选通开关装置的信息、预设的充电服务策略和电动车快速充电系统可用的最大充电功率 p_max（数据是320kw）信息，确定当前第5充电终端目标充电功率p_ev_target（数据是 120kw），并且满足p_ev_target≤p_max。充电协调控制器接收第5充电终端发出的充电功 率请求p_ev_req（数据是500kw），得到第5充电终端的实际充电功率p_ev_use（数据是 120kw），其中p_ev_use 取p_ev_ req和p_ev_ target两者中的最小值即p_ev_use=min （p_ev_ req，p_ev_ target）。
[0052]
step_5，充电协调控制器控制第5选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作，其中 第5选通开关装置的第4开关k4闭合、第5开关k5闭合，第5选通开关装置的其它开关断开，第6选通开关装置的全部5个开关断。选通开关装置正确执行后，充电协调控制器 请求能量管理装置控制第5直流充电装置启动运行。电动车快速充电系统开始对第2电动车 以120kw功率进行充电。
[0053]
step_6，第6充电终端的输出端与第3电动车充电端口连接后，充电协调控制器根据 所有选通开关装置的信息、预设的充电服务策略和电动车快速充电系统可用的最大充电功率 p_max（数据是200kw）信息，确定当前第6充电终端目标充电功率p_ev_target（数据是 120kw），并且满足p_ev_target≤p_max。充电协调控制器接收第5充电终端发出的充电功 率请求p_ev_req（数据是500kw），得到第6充电终端的实际充电功率p_ev_use（数据是 120kw），其中p_ev_use取p_ev_ req和p_ev_ target两者中的最小值即p_ev_use=min （p_ev_ req，p_ev_ target）。
[0054]
step_7，充电协调控制器控制第6选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作，其中 第6选通开关装置的的第4开关k4闭合、第5开关k5闭合，第6选通开关装置的其它开 关断开。选通开关装置正确执行后，充电协调控制器请求能量管理装置控制第6直流充电装 置启动运行。电动车快速充电系统开始对第3电动车以120kw功率进行充电。
[0055]
step_8，在第1电动车先于第2电动车和第3电动车充满电的情况下，首先能量管理装置控制第1直流充电装置、第2直流充电装置、第3直流充电装置、第4直流充电装置停止运行；然后，充电协调控制器控制第5选通开关装置的剩余开关即第1开关k1、第2开关k2、第3 开关k3全部闭合，充电协调控制器控制第1选通开关装置的第4开关k4闭合、第1开关 k1闭合、第2开关k2断开、第3开关k3断开、第5开关k5断开，充电协调控制器控制第2选通开关装置的第4开关k4闭合、第2开关k2闭合、第1开关k1断开、第3开关k3断开、第5开关k5断开，充电协调控制器控制第3选通开关装置的第4开关k4闭合、 第3开关k3闭合、第1开关k1断开、第2开关k2断开、第5开关k5断开；选通开关装置正确执行后，充电协调控制器请求能量管理装置控制第1直流充电装置、第2直流充电装置、第3直流充电装置启动运行。此时，电动车快速充电系统第5充电终端由最开始的120kw充电功率切换至480kw充电功率对第2电动车进行快速充电。
[0056]
与现有技术相比，本公开的一种具有动态功率分配功能的电动车快速充电系统，具 有以下的优点和有益的实施效果。
[0057]
（1）有利于快速充电提升客户体验。由于本公开可以实现调配任意直流充电装置到 任意充电终端，充电协调控制器控制选通开关装置执行各个开关闭合与断开操作来实
现电动 车快速充电系统的功率动态分配功能，因此充电终端可以实现共享多组直流充电装置达成最 大充电功率给电动车充电。同时，也可以根据预设的充电服务策略（例如不同的客户服务等 级对应不同的充电速度、不同的客户服务需求），灵活调度和分配各充电终端的充电功率。
[0058]
（2）有利于降低成本提高利用率。本公开不需要设置大功率的直流充电装置，也不 需要配置大的配网容量，因而可以大幅度降低充电系统的投资成本；而且，本公开的大功率 快速充电是通过共享多组直流充电装置达成的，因而一定程度上减少了直流充电装置的功率 冗余，有利于提高充电设施的利用率。
[0059]
（3）具备黑启动和应急充电的功能。本公开配置有储能系统装置，以及直流充电装 置、储能系统装置、能源管理装置、选通开关装置、充电协调控制器的二次供电方式，使得 本公开的快速充电系统具有黑启动的功能，并且可以满足电动车应急充电的需求。