一种光伏直流充电桩系统的制作方法

本发明涉及分布式光伏发电领域，尤其是涉及一种光伏直流充电桩系统。

背景技术：

新能源电动汽车是未来汽车市场的朝阳产业，是汽车领域的新革命。然而受功率的限制，户用型新能源汽车的充电往往无法满足快速充电的需求。如何在合理利用太阳能等绿色能源的基础上，实现电网与太阳能的能量管理与调度，达到对不同型号的电池组快速充电，已成为新能源汽车充电优先要考虑的问题了。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光伏直流充电桩系统，在实现光伏与电网能量调度及管理下，利用不同的充电模式实现直流电压充电智能自动调节，满足不同车型、不同电池的充电需求，从而实现即插即充的效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光伏直流充电桩系统，包括充电桩，以及设于充电桩上的显示设置单元和充电输出插头，所述充电输出插头连接汽车充电输入插头，所述充电桩内设有直流变压受控电路、直流母线、MPPT控制器、电网开关电路、并网开关电路、电压电流采集电路、CAN通信电路、主控制单元和选路单元，所述直流变压受控电路输入端连接直流母线，输出端连接充电输出插头，所述直流母线通过MPPT控制器连接太阳能电池板，并分别通过电网开关电路和并网开关电路连接电网，所述电压电流采集电路分别连接充电输出插头和汽车充电输入插头，所述CAN通信电路连接汽车CAN接口，所述主控制单元分别连接显示设置单元、直流变压受控电路、MPPT控制器、电压电流采集电路、CAN通信电路和选路单元，所述选路单元分别连接电网开关电路和并网开关电路；

CAN通信电路采集汽车电池状态信息，显示设置单元采集充电模式指令，选路单元采集直流母线电压，电压电流采集电路采集实时充电电流和电池实时电压，主控制单元获取MPPT控制器的工作状态、汽车电池状态信息、充电模式指令、直流母线电压、实时充电电流和电池实时电压，并分别向选路单元发送选路指令，向直流变压受控电路发送变压指令，选路单元根据选路指令控制电网开关电路和并网开关电路的工作状态，电网开关电路开通时电网向直流母线供电，并网开关电路开通时直流母线向电网供电。

所述充电模式指令包括：绿色充电模式指令、快速充电模式指令和自定义充电模式指令；

绿色充电模式指令使充电桩工作在绿色充电模式下，主控制单元根据预设的绿色充电参数输出变压指令，且当直流母线电压小于等于最低充电电压时，控制选路单元开通电网开关电路并断开并网开关电路，当直流母线电压大于最低充电电压时，控制选路单元开通并网开关电路并断开电网开关电路；

快速充电模式指令使充电桩工作在快速充电模式下，主控制单元根据预设的快速充电参数输出变压指令，且控制选路单元开通电网开关电路并断开并网开关电路；

自定义充电模式指令使充电桩工作在自定义充电模式下，主控制单元根据自定义充电模式指令中的自定义充电参数输出选路指令，且控制选路单元开通电网开关电路并断开并网开关电路。

所述绿色充电参数中绿色充电电流选取汽车电池状态信息中的额定输入电流；

所述快速充电参数中快速输入电流满足以下公式：

式中，i_k为快速输入电流，i₀为汽车电池状态信息中的额定输入电流，α为预设的权重比例参数，α＞1，β为待充电容量权重，Q₀为汽车电池状态信息中的电池总体容量，Q_s为汽车电池状态信息中的电池剩余容量，为充电桩最大输入电流。

所述自定义充电模式指令中的自定义充电参数包括自定义充电时长Tc和自定义充电容量比k，Tc≤Tn，Tn为预设的最大充电时长，且0<k<1。

所述直流变压受控电路包括相并联的逆变可调电路和降压可调电路，当直流母线电压大于等于汽车电池状态信息中的额定充电电压时，主控制单元控制降压可调电路开通并关断逆变可调电路，当直流母线电压小于汽车电池状态信息中的额定充电电压时，主控制单元控制逆变可调电路开通并关断降压可调电路。

所述主控制单元根据实时充电电流和电池实时电压获取实时充电等待时长和充电所耗电量，并在显示设置单元上动态显示，所述显示设置单元上还动态显示汽车电池状态信息和MPPT控制器的工作状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在保证新能源汽车需求的目标能量基础上，最大化利用太阳能，实现光伏与电网的调度及管理，并将此调度管理与汽车充电模式相结合，对外向用户提供多样的充电方式，对内最大程度地提高光伏电能的利用率，满足不同车型、不同电池的充电需求，从而实现即插即充的效果。

2、本发明设计了绿色充电模式、快速充电模式和自定义充电模式，在绿色充电模式下，太阳能电池板的光伏发电系统与电网相结合，根据用电情况进行适应性切换，使得光伏电能利用率最大化，且满足用户的基本充电需求，以额定电流进行充电可减少对电池的影响，达到一举多得的目的，在快速充电模式下，在用户电池性能的限定下，充电桩直接利用电网提供持续的稳定的大电流快速充电，满足用户的快速充电需求，自定义充电模式则给予用户更多的选择，可实现额定电流充电和大电流充电的混合充电，用户体验度好，实用性强。

3、本发明在汽车充电输入插头连接的同时，通过CAN总线与汽车总线进行接口连接，实现汽车电池参数的实时读取和查看。

4、本发明主控制单元对电池参数分析处理，生成对应的电压电流命令，控制充电桩稳定输出，满足不同型号的汽车电池直流充电。

5、本发明中直流变压受控电路包括相并联的逆变可调电路和降压可调电路，一方面可以防止汽车电池充满电后仍持续充电的现象，还可以将汽车电池内暂时不用的电量输入给电网，进行电能调度，保证电网供电稳定。

附图说明

图1为光伏直流充电桩系统结构示意图；

图2为光伏直流充电桩系统工作模式控制图；

图3为光伏直流充电桩系统绿色充电模式控制图；

图4为光伏直流充电桩系统快速充电模式控制图；

图5为光伏直流充电桩系统自定义充电模式控制图；

图6为光伏直流充电桩系统工作流程示意图。

图中：101、太阳能电池板，102、MPPT控制器，103、主控制单元，104、显示设置单元，105、选路单元，106、CAN通信电路，107、直流变压受控电路，108、充电输出插头，109、汽车充电输入插头，110、电网开关电路，111、并网开关电路，112、电网，113、电压电流采集电路，114、汽车CAN接口，115、直流母线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种光伏直流充电桩系统，包括充电桩，以及设于充电桩上的显示设置单元104和充电输出插头108，充电输出插头108连接汽车充电输入插头109，充电桩内设有直流变压受控电路107、直流母线115、MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制器、电网开关电路110、并网开关电路111、电压电流采集电路113、CAN通信电路106、主控制单元103和选路单元105。直流变压受控电路107输入端连接直流母线115，输出端连接充电输出插头108，直流母线115通过MPPT控制器102连接太阳能电池板101，并分别通过电网开关电路110和并网开关电路111连接电网112，直流母线115经过直流变压受控电路107的调节变换，输出到充电输出插头108，再传送至汽车充电输入插头109。电压电流采集电路113分别连接充电输出插头108和汽车充电输入插头109，CAN通信电路106连接汽车CAN接口114，主控制单元103分别连接显示设置单元104、直流变压受控电路107、MPPT控制器102、电压电流采集电路113、CAN通信电路106和选路单元105，选路单元105分别连接电网开关电路110和并网开关电路111。显示设置单元104可采用液晶触摸显示屏。

直流变压受控电路107包括相并联的逆变可调电路和降压可调电路，当直流母线电压大于等于汽车电池状态信息中的额定充电电压时，主控制单元103通过电路选择器控制降压可调电路开通并关断逆变可调电路，当直流母线电压小于汽车电池状态信息中的额定充电电压时，主控制单元103通过电路选择器控制逆变可调电路开通并关断降压可调电路。

CAN通信电路106采集汽车电池状态信息，包括电池版本信息Mo、电池总体容量Q_o、电池剩余容量Q_s、电池额定充电电压U_o以及电池放电曲线表等，显示设置单元104采集充电模式指令，选路单元105采集直流母线电压，电压电流采集电路113采集充电输出插头108处的实时充电电流I_t和汽车充电输入插头109处的电池实时电压U_t，方便主控制单元103对充电电压的智能调控，充电桩内部模块通过485总线进行信号流的传递交换，主控制单元103获取MPPT控制器102的工作状态、汽车电池状态信息、充电模式指令、直流母线电压、实时充电电流和电池实时电压，并分别向选路单元105发送选路指令，向直流变压受控电路107发送变压指令，选路单元105根据选路指令控制电网开关电路110和并网开关电路111的工作状态，电网开关电路110开通时电网112向直流母线115供电，并网开关电路111开通时直流母线115向电网112供电，直流变压受控电路107在主控制单元103的变压指令作用下，调节输出电压，经充电输出插头108至汽车充电输入插头109为汽车电池充电。主控制单元103根据实时充电电流和电池实时电压获取实时充电等待时长和充电所耗电量，并在显示设置单元104上动态显示，显示设置单元104上还动态显示汽车电池状态信息和MPPT控制器102的工作状态(太阳能转换的电流、电压)。

充电等待时长Tn和充电所耗电量Q_m满足以下公式：

t₀、t₁为充电的开始时间和结束时间。

充电模式指令包括：绿色充电模式指令、快速充电模式指令和自定义充电模式指令；

绿色充电模式指令使充电桩工作在绿色充电模式下，主控制单元103根据预设的绿色充电参数输出变压指令，且选路单元105实时检测直流母线115上的电压，当直流母线电压Um小于等于最低充电电压Us时，控制选路单元105开通电网开关电路110并断开并网开关电路111，补充供电，当直流母线电压大于最低充电电压时，控制选路单元105开通并网开关电路111并断开电网开关电路110，将光伏并网。

快速充电模式指令使充电桩工作在快速充电模式下，主控制单元103根据预设的快速充电参数输出变压指令，且控制选路单元105开通电网开关电路110并断开并网开关电路111，停止光伏并网。

自定义充电模式指令使充电桩工作在自定义充电模式下，主控制单元103根据自定义充电模式指令中的自定义充电参数输出选路指令，且控制选路单元105开通电网开关电路110并断开并网开关电路111。

绿色充电参数中绿色充电电流选取汽车电池状态信息中的额定输入电流；

快速充电参数中快速输入电流满足以下公式：

式中，i_k为快速输入电流，i₀为汽车电池状态信息中的额定输入电流，α为预设的权重比例参数，α＞1，可根据不同电池类型进行统计分析获得，β为待充电容量权重，Q₀为汽车电池状态信息中的电池总体容量，Q_s为汽车电池状态信息中的电池剩余容量，根据需要充电电容调整充电电流大小，两者呈正比关系，为充电桩最大输入电流，通过上式选取最符合当前汽车电池情况的快速充电电流；

绿色充电参数和快速充电参数默认将汽车电池电量充满。

自定义充电模式指令中的自定义充电参数包括自定义充电时长Tc和自定义充电容量比k，Tc≤Tn，Tn为预设的最大充电时长，且0<k<1，操作时，在自定义充电时长Tc和自定义充电容量比k中选择一个进行自定义设置，本实施例中，在自定义充电模式中分段进行快速充电参数模式和绿色充电参数模式的混合充电，且先进行快速充电参数模式。

三种充电模式的所有过程中，MPPT控制器102持续往直流母线115上输送能量；CAN通信单元持续读取电池SOC状态，传递至主控单元；三种充电模式之初，主控制单元103将采集到的电池额定充电电压U_o，整合为指令下发至直流变压受控电路107，控制输出电池所需的充电电压。

如图2所示，主控制单元103读取CAN总线数据，电池版本信息Mo等信息，读取电压电流采样电路的信息，然后经过计算分析传递与显示设置单元104进行显示，根据需求设置三种模式，主控制单元103生成控制指令，控制直流变压受控电路107可调输出。

如图3所示，选路单元105左端接主控制单元103，右端输出生成控制命令，合理控制上述电网112和并网开关实现太阳能的高效利用，与电压指令控制直流变压受控电路107可调，满足充电需求。

如图4所示，选路单元105左端接收快充模式指令，闭合上述电网开关电路110、断开上述并网开关电路111，然后，按照上述图3控制方式控制直流变压受控电路107。

如图5所示，选路单元105左端接收快充模式指令，第一种情况下，接收的是充电时长Tc，此情况下，判断Tc是否超出预计充电市场Tn，如果超出系统默认充电时长为Tn；第二种情况下，设置充电容量比k。两种情况下，生成的选路单元105指令一致，闭合上述电网开关电路110、断开上述并网开关电路111，然后，按照上述图3控制方式控制直流变压受控电路107。

如图6所示，一次充电过程为：

1、首先将充电输出插头108与汽车充电输入插头109连接；

2、主控制单元103通过CAN总线获取电池参数；

3、主控制单元103根据电池参数等信息获得三种模式对应的参数，并对直流变压受控电路107设置充电电压的工作参数；

4、通过LCD显示屏显示当前电池电压及容量；

5、获取用户根据需要设置的充电模式、充电容量等；

6、显示预充电时间，并提示用户是否开始充电；

7、当确认无误时，充电桩开始工作直到电池容量达到设定值。