專利名稱：高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力配電系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
截止2011年底，南方電網(wǎng)公司已在廣州、深圳、珠海、中山、南寧、柳州、桂林、昆明、海口、肇慶共建成15座充換電站、2953個(gè)充電樁，累計(jì)充換電次數(shù)約4. 9萬次，充換電電量約244萬千瓦時(shí)。目前,廣州賽馬場(chǎng)、科學(xué)城電動(dòng)汽車換電站體驗(yàn)中心項(xiàng)目正在如期建設(shè)中，為電動(dòng)汽車的推廣使用起到良好的示范、引導(dǎo)、服務(wù)作用；而國家電網(wǎng)公司共建成了 111座電動(dòng)汽車充換電站，8930臺(tái)充電機(jī)，7245臺(tái)交流充電樁，覆蓋國網(wǎng)范圍內(nèi)26個(gè)省市。2008年北京奧運(yùn)會(huì)電動(dòng)汽車采用電池更換方式進(jìn)行電能補(bǔ)給，共采用2臺(tái)快速換電機(jī)器人，30組備用電池，能滿足50-100輛電動(dòng)公交車的換電需求。2010年上海世博會(huì)，共運(yùn)營120輛純電動(dòng)公交車，配套換電站具有8臺(tái)快速換電機(jī)器人，112組備用電池；2012年3月15日，位于北京朝陽區(qū)高安屯循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園的高安屯電動(dòng)汽車充換電站正式投運(yùn)，該站是國際上規(guī)模最大、服務(wù)能力最強(qiáng)的電動(dòng)汽車充換電站，標(biāo)志著國家電網(wǎng)公司智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)取得重大成果。其中，電動(dòng)汽車充電設(shè)施的性能成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)順利推進(jìn)的要素之一，它不僅決定了電動(dòng)汽車蓄電池的穩(wěn)定性、充電次數(shù)、壽命長(zhǎng)短，還直接影響到用戶的駕車體驗(yàn)。然而，目前運(yùn)營的電動(dòng)汽車直流充電機(jī)是由電力電子變換電路等組成，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生及功率因數(shù)較低，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，需要投入無功補(bǔ)償裝置和濾波裝置以配合使用，從而加大了占地面積，并增加了額外的資金投入。此外，已經(jīng)充滿電的電動(dòng)汽車電池包放電，通過放電電阻負(fù)載進(jìn)行放電，不能有效利用電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，以減少電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波電流含量和無功功率，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，此外，還能實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，即可運(yùn)行在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)側(cè)輸送能量，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，向負(fù)載輸送能量，使系統(tǒng)接近單位功率因數(shù)運(yùn)行，提高電力資源的利用效率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用以下技術(shù)方案高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，主要由動(dòng)力電池包柜、空調(diào)負(fù)載、充電機(jī)柜、充放電監(jiān)控系統(tǒng)、后臺(tái)主站、漏電斷路器等組成，動(dòng)力電池包柜包括電池管理系統(tǒng)(BMS)及高壓器件單元、電動(dòng)汽車電池包、直流充電接口，充電機(jī)柜包括充電監(jiān)控單元、直流充電機(jī)、交流輸入及保護(hù)單元、電能計(jì)量裝置、逆變器；動(dòng)力電池包柜通過線纜連接充放電監(jiān)控系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱BMS)通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接入PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池實(shí)時(shí)監(jiān)控，充電監(jiān)控單元通過以太網(wǎng)接入后臺(tái)主站系統(tǒng)和主站建立通信信道；充電機(jī)柜的逆變器連接漏電斷路器再連接空調(diào)負(fù)載，用于對(duì)已經(jīng)充滿電的電動(dòng)汽車電池包放電并給空調(diào)負(fù)載供電；充電機(jī)柜從三相四線電網(wǎng)取電，直流充電機(jī)將交流電變換為直流電，為電動(dòng)汽車電池包充電；充電機(jī)柜的面板主要包括工作狀態(tài)指示單元、觸摸屏、插卡槽、急停按鈕、充電主控板、輔助電源等；直流充電機(jī)采用基于電壓型PWM整流器的電動(dòng)汽車充電機(jī)，包括三相逆變器和高頻DC/DC變換器；三相逆變器為一般電壓型逆變器，由3個(gè)開關(guān)臂共6個(gè)功率開關(guān)組成，其交流側(cè)通過三相電感并網(wǎng)，直流側(cè)通過電容連接下一級(jí)電路；高頻DC/DC變換器由單相全橋逆變器、高頻耦合變壓器和低壓全波整流器構(gòu)成，單相全橋逆變器為電壓型逆變器，由2個(gè)橋臂共4個(gè)功率開關(guān)管組成；PWM整流器的控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和無差拍控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；此外，系統(tǒng)增加逆變器環(huán)節(jié)使系統(tǒng)能根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況(即高峰、低谷等時(shí)段)與電池包連接進(jìn)行充電，或者與空調(diào)負(fù)載連接進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)(即可運(yùn)行在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)側(cè)輸送能量，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，向負(fù)載輸送能量，使系統(tǒng)接近單位功率因數(shù)運(yùn)行，提高電力資源的利用效率)。通信信道通過485通信總線將直流充電機(jī)模塊的輸出電壓和電流、模塊保護(hù)和告警信息上傳給充電監(jiān)控單元；直流充電機(jī)也通過485通信總線接受并執(zhí)行充電監(jiān)控單元下發(fā)的控制命令。充電機(jī)柜與電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)(BMS)信息交互的監(jiān)控終端使用CAN與電動(dòng)汽車電池柜連接進(jìn)行通信，監(jiān)控電池箱工作狀態(tài)以保證充電安全，獲取動(dòng)力電池充電參數(shù)；獲取電池充電需求參數(shù)，并實(shí)時(shí)調(diào)整充電參數(shù)；獲取充電過程中充電電池狀態(tài)；獲取蓄電池單體的工作狀態(tài)信息；接收BMS終端充電請(qǐng)求；獲取BMS統(tǒng)計(jì)的充電信息；監(jiān)控動(dòng)力電池包整包的充電電壓、充電電流等數(shù)據(jù)，監(jiān)控單體電池的最高電壓、最低電壓、最高溫度，監(jiān)控充電SOC等。針對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波、功率因數(shù)較低、電能利用率低等問題，發(fā)明人設(shè)計(jì)了本發(fā)明高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的直流充電機(jī)采用基于電壓型PWM整流器的電動(dòng)汽車充電機(jī)，PWM整流器的控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和無差拍控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。因此，該系統(tǒng)能根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況(即高峰、低谷等時(shí)段)與電池包連接進(jìn)行充電，或者與空調(diào)負(fù)載連接進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，即可運(yùn)行在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)側(cè)輸送能量，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，向負(fù)載輸送能量，使系統(tǒng)接近單位功率因數(shù)運(yùn)行，提高電力資源的利用效率。此外，應(yīng)用本發(fā)明還可減少電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波電流含量和無功功率，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中充電機(jī)模塊的工作原理圖。圖3是本發(fā)明高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中整流模塊的輸出特性圖，圖中曲線與I軸交點(diǎn)表不輸出短路。圖4是電壓型整流器的單相等效電氣模型圖。圖5是PWM整流器無差拍控制結(jié)構(gòu)圖。圖6是基于電壓型逆變器的電動(dòng)汽車充電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式圖1顯示了本發(fā)明高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，主要由動(dòng)力電池包柜、空調(diào)負(fù)載、充電機(jī)柜、充放電監(jiān)控系統(tǒng)、后臺(tái)主站、漏電斷路器等組成，動(dòng)カ電池包柜包括電池管理系統(tǒng)(BMS)及高壓器件單元、電動(dòng)汽車電池包、直流充電接ロ，充電機(jī)柜包括充電監(jiān)控單元、直流充電機(jī)、交流輸入及保護(hù)單元、電能計(jì)量裝置、逆變器；動(dòng)カ電池包柜通過線纜連接充放電監(jiān)控系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)(BMS)通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接入PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池實(shí)時(shí)監(jiān)控，充電監(jiān)控單元通過以太網(wǎng)接入后臺(tái)主站系統(tǒng)和主站建立通信信道；充電機(jī)柜的逆變器連接漏電斷路器再連接空調(diào)負(fù)載，用于對(duì)已經(jīng)充滿電的電動(dòng)汽車電池包放電并給空調(diào)負(fù)載供電；充電機(jī)柜從三相四線電網(wǎng)取電，直流充電機(jī)將交流電變換為直流電，直流充電機(jī)再連接電動(dòng)汽車電池包為電動(dòng)汽車電池包充電；充電機(jī)柜的面板主要包括工作狀態(tài)指示単元、觸摸屏、插卡槽、急停按鈕、充電主控板、輔助電源等；直流充電機(jī)采用基于電壓型PWM整流器的電動(dòng)汽車充電機(jī)。通信信道通過485通信總線將直流充電機(jī)模塊輸出電壓和電流、模塊保護(hù)和告警信息上傳給充電監(jiān)控単元，直流充電機(jī)也通過485通信總線接受并執(zhí)行充電監(jiān)控單元下發(fā)的控制命令。該充電系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程通信通道，可與充放電管理主站進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)充電機(jī)、動(dòng)カ電池包的充放電狀態(tài)；能支持多種蓄電池組類型充電，蓄電池組的類型包括鎳鉻、鎳氫、鉛酸、鋰離子電池；具有恒壓、恒流、浮充、涓流智能充電功能；系統(tǒng)監(jiān)控単元能控制充電機(jī)自動(dòng)進(jìn)行恒流限壓充電一恒壓充電一涓流充電一停止充電運(yùn)行狀態(tài)；具有多種保護(hù)方式，包括輸入過壓/欠壓、輸出過壓、過電流、過溫、過載、短路保護(hù)等；具備根據(jù)需要設(shè)置充電電壓/電流進(jìn)行充電的功能，保證蓄電池不過充、不欠充；放電電流應(yīng)恒流可調(diào)，輸入輸出具有自動(dòng)保護(hù)功能；具有自動(dòng)和手動(dòng)充電模式，自動(dòng)充電模式依據(jù)蓄電池的狀態(tài)及負(fù)載特性動(dòng)態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，執(zhí)行分階段智能充電；手動(dòng)充電模式是由操作人員設(shè)置充電方式、充電電壓、充電電流等參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)操作，完成充電過程。整個(gè)操作過程具有明確的操作指示信息；具有顯示輸出功能。顯示輸出的參數(shù)包括充電電壓、充電電流、充電功率、充電時(shí)間、充電電能量和計(jì)費(fèi)信息；在手動(dòng)充電模式中顯示人工輸入信息；在出現(xiàn)故障時(shí)有相應(yīng)的提示信息；能顯示監(jiān)控單元輸出的其他相關(guān)信息；能方便的輸入權(quán)限密碼；能保留不少于5萬條交易數(shù)據(jù)的記錄空間；具有對(duì)時(shí)功能，滿足PPS (秒脈沖)、PPM (分脈沖)對(duì)時(shí)要求，且對(duì)時(shí)誤差小于Ims ;具有穩(wěn)壓和穩(wěn)流功能，即當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載特性技術(shù)協(xié)議中規(guī)定的變化范圍內(nèi)變動(dòng)吋，正常運(yùn)行的穩(wěn)壓穩(wěn)流偏差不超過1% ;具有安全防護(hù)功能輸入側(cè)過壓保護(hù)、輸入側(cè)欠壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、防輸出短路、過載和過熱保護(hù)功能，并具備急停按鈕；具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間為3-8S，啟動(dòng)沖擊電流不大于額定電流的110% ;具有過載能力充電機(jī)電源具有100%負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行、150%負(fù)荷I分鐘過載運(yùn)行的能力。蓄電池組具有電池管理系統(tǒng)，對(duì)蓄電池組進(jìn)行自動(dòng)管理及保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池工作狀態(tài)及各項(xiàng)參數(shù)。電池包由電池柜、電池箱、磷酸鐵鋰電池、BMS、高壓器件、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、銅排及相關(guān)線纜組成。使用50Ah磷酸鐵鋰電芯共I并125串，總?cè)萘?0Ah，總電壓400V。電池包內(nèi)有ー個(gè)電池柜，電池柜分4層，其中第f 3層放置13個(gè)電池箱，第4層放置BMS及高壓器件。13個(gè)電池箱中，12個(gè)每箱裝10節(jié)電芯，第13個(gè)電池箱裝5節(jié)電芯，電池箱上蓋使用電木板保護(hù)起來。整套電池系統(tǒng)由125串電池組成，對(duì)電池組的各串電池模塊電壓、總電壓、總電流、正負(fù)極絕緣電阻、電池箱溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池出現(xiàn)異情況時(shí)，可進(jìn)行通信報(bào)警。
如圖2所示，充電機(jī)模塊輸出具有485和CAN通信接ロ，方便接入自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通信，配有485通訊接ロ。強(qiáng)制風(fēng)冷、機(jī)械沖擊和抗震等級(jí)滿足行業(yè)要求，綠色環(huán)保。內(nèi)置過壓保護(hù)電路，出現(xiàn)過壓后模塊自動(dòng)鎖死，模塊故障指示燈亮；過壓保護(hù)點(diǎn)490V±10V ;輸出限流保護(hù)模塊輸出電流最大限制為額定輸出電流1. 05倍(即14A);過溫保護(hù)模塊散熱器溫度為85-95°C時(shí)限功率至額定的40%-60% ;溫度超過95°C關(guān)機(jī)，溫度降低到75°C時(shí)恢復(fù)輸出；短路保護(hù)采用回縮下垂限流方式，模塊電流輸出特性見圖3，輸出短路時(shí)模塊在瞬間把輸出電壓拉低到零，限制短路電流在額定輸出電流的15%以下。模塊可長(zhǎng)期工作在短路狀態(tài)，不會(huì)損壞，排除故障后模塊可自動(dòng)恢復(fù)工作。短路保護(hù)不采取關(guān)機(jī)鎖死方式，有利于電池充電。圖4顯示了 PWM整流器的単相等效電氣模型，假設(shè)電網(wǎng)電壓Us=Us sincot,整流器輸出電壓Un=Un sin( t-0)，其中0是Us和uN的相角差；CO是基波角頻率。根據(jù)圖4的電路關(guān)系，有
權(quán)利要求
1.一種高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，其特征在于主要由動(dòng)力電池包柜、空調(diào)負(fù)載、 充電機(jī)柜、充放電監(jiān)控系統(tǒng)、后臺(tái)主站、漏電斷路器組成，動(dòng)力電池包柜包括電池管理系統(tǒng) BMS及高壓器件單元、電動(dòng)汽車電池包、直流充電接口，充電機(jī)柜包括充電監(jiān)控單元、直流充電機(jī)、交流輸入及保護(hù)單元、電能計(jì)量裝置、逆變器；所述動(dòng)力電池包柜通過線纜連接充放電監(jiān)控系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接入PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池實(shí)時(shí)監(jiān)控，充電監(jiān)控單元通過以太網(wǎng)接入后臺(tái)主站系統(tǒng)和主站建立通信信道；所述充電機(jī)柜的逆變器連接漏電斷路器再連接空調(diào)負(fù)載，用于對(duì)已經(jīng)充滿電的電動(dòng)汽車電池包放電并給空調(diào)負(fù)載供電；充電機(jī)柜從三相四線電網(wǎng)取電，直流充電機(jī)將交流電變換為直流電為電動(dòng)汽車電池包充電；充電機(jī)柜的面板主要包括工作狀態(tài)指示單元、觸摸屏、插卡槽、急停按鈕、充電主控板、輔助電源；所述直流充電機(jī)采用基于電壓型PWM整流器的電動(dòng)汽車充電機(jī)，包括三相逆變器和高頻DC/DC變換器；所述三相逆變器為電壓型逆變器，由3個(gè)開關(guān)臂共6個(gè)功率開關(guān)組成，其交流側(cè)通過三相電感并網(wǎng)，直流側(cè)通過電容連接下一級(jí)電路；所述高頻DC/DC變換器由單相全橋逆變器、高頻耦合變壓器和低壓全波整流器構(gòu)成，單相全橋逆變器為電壓型逆變器， 由2個(gè)橋臂共4個(gè)功率開關(guān)管組成；所述PWM整流器的控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和無差拍控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；此外，系統(tǒng)增加逆變器環(huán)節(jié)使系統(tǒng)能根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況與電池包連接進(jìn)行充電，或者與空調(diào)負(fù)載連接進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，其特征在于所述通信信道通過485通信總線將直流充電機(jī)模塊的輸出電壓和電流、模塊保護(hù)和告警信息上傳給充電監(jiān)控單元；直流充電機(jī)也通過485通信總線接受并執(zhí)行充電監(jiān)控單元下發(fā)的控制命令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，其特征在于所述充電機(jī)柜與BMS信息交互的監(jiān)控終端使用CAN與電動(dòng)汽車電池柜連接進(jìn)行通信，監(jiān)控電池箱工作狀態(tài)以保證充電安全，獲取動(dòng)力電池充電參數(shù)；獲取電池充電需求參數(shù)，并實(shí)時(shí)調(diào)整充電參數(shù)；獲取充電過程中充電電池狀態(tài)；獲取蓄電池單體的工作狀態(tài)信息；接收BMS終端充電請(qǐng)求；獲取BMS統(tǒng)計(jì)的充電信息；監(jiān)控動(dòng)力電池包整包的充電電壓、充電電流數(shù)據(jù)，監(jiān)控單體電池的最高電壓、最低電壓、最高溫度，監(jiān)控充電SOC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高電能質(zhì)量電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的直流充電機(jī)采用基于電壓型PWM整流器的電動(dòng)汽車充電機(jī)，PWM整流器的控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和無差拍控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)用于減少電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)注入的諧波電流，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量；此外，系統(tǒng)增加逆變器環(huán)節(jié)使系統(tǒng)能根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況(即高峰、低谷等時(shí)段)與電池包連接進(jìn)行充電，或者與空調(diào)負(fù)載連接進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，即可運(yùn)行在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)側(cè)輸送能量，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，向負(fù)載輸送能量，使系統(tǒng)接近單位功率因數(shù)運(yùn)行，提高電力資源的利用效率。
文檔編號(hào)H02M7/72GK103023117SQ20131001491
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者祝文姬, 高立克, 周柯, 吳智丁, 吳麗芳, 俞小勇, 李克文, 李珊, 吳劍豪 申請(qǐng)人:廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院