专利名称：电动汽车充电站系统及其匹配充电方法
技术领域：
本发明涉及一种电动汽车的充电站系统及其给电动汽车充电的匹配充电方法。更加具体地说，本发明涉及一种通过更换电池为电动汽车补充能量的充电站系统的拓扑结构及充电匹配方法，也就是通过对电动汽车蓄电池的充电设施的各组成单元进行结构重组而获得的一种新颖的充电站系统，本发明还涉及一种使用所述充电站系统给汽车充电的方法。
背景技术：
电动汽车作为清洁、环保型绿色车辆，受到世界各国政府以及汽车生产商的极大关注。以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为代表的电动汽车必将成为21世纪的重要交通工具。其中，纯电动汽车经历了较长阶段的发展，技术日臻成熟，相关的技术和标准体系已经完善，并且在美、日、欧等国家和地区已经得到商业化的推广和应用。特别是在市政特殊用车、固定线路的公交车、公务车队用车和私人用车领域，纯电动汽车得到了很大发展。
为了方便涉及和使用，目前多数电动汽车采用动力蓄电池作为主要电源。动力蓄电池为多块电池单体通过串联、并联或串并联组合的方式构成的电池组，并包含以下一种或多种部件安装固定电池的电池箱、相应的电池管理系统、其他辅助系统和部件。
简单的说，电动汽车的充电方式一般为依靠地面充电站或车载充电系统在车辆停驶的情况下对电池进行充电。作为车载停车充电方式的延伸，部分地区应用的双源无轨电车采用在线充电方式充电，即在车辆运行过程中，利用无轨电车弓网为车载蓄电池充电以备脱网时采用蓄电池电量行驶。对于停车充电方式，车辆动力电池充电时间长、车辆利用率低、使用不方便。因此现在通常采用更换动力蓄电池的方法为电动汽车提供源源不断的动力，即从电动汽车上取出用完的动力电池，然后把充好电的动力电池装入电动汽车。
为了满足更换电池和充电的需要，需要建立给电动汽车更换电池并对更换下来的动力电池进行充电的充电站系统，这样的系统对于整个运作过程至关重要。但对于这样的充电站系统，目前尚无成熟的布置方式、设计规范和标准。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种电动汽车的充电站系统，所述充电站系统包括 车辆停放区，用于停放待更换电池的电动汽车； 电池更换单元，用于通过电池更换设备更换电动汽车的电池； 电池存放单元，用于存放电池和对电池进行充电； 充电单元，用于对所述电池存放单元上的电池进行充电； 低压配电单元，用于为所述充电单元区供电； 高压配电单元，用于将输入的高压电力转换为低压电力； 其中，在所述车辆停放区两侧对称地设置有所述电池更换单元、电池存放单元、充电单元和低压配电单元，在其中一侧的所述低压配电单元的外侧设置有所述高压配电单元。
优选地，所述充电站系统为平面式充电站系统，其中，所述车辆停放区、电池更换单元、电池存放单元、充电单元、低压配电单元和高压配电单元设置在地面上。
优选地，所述充电站系统为立体式充电站系统，其中，所述车辆停放区设置在地面上，所述电池存放单元、充电单元、低压配电单元和高压配电单元设置在地面下，所述电池更换单元同时设置在地面上和地面下。
优选地，所述电池更换设备为自动更换机器人。
优选地，所述充电单元通过地沟布线的方式对电池进行充电。
优选地，所述充电站系统还包括电池维护单元、监控办公单元和消防设施单元。
优选地，所述充电站系统的设计参数包括更换操作人员的数量Nc、备用电池的数目Nbat、充电单元数量Ncdj、每天最多服务车次Nqs、最大可服务车辆数目Ncs、配电容量P；所述设计参数由充电站系统的基本参数通过如下匹配法确定 更换操作人员的数量Nc Nc＝Ng×Nt 备用电池的数目Nbat 充电单元数量Ncdj Ncdj＝Nbat×Nd 每天最多服务车次Nqs 最大可服务车辆数目Ncs 配电容量P
其中所述基本参数包括更换操作人员Ng、同时更换车辆数Nt、充电时间Tcb、更换时间Tex、备用电池储备系数Cb、服务时间Tqt、前后车辆影响等环节的储备系数Cc、每辆车每天更换电池次数Ngh、每组电池需要的充电单元数量Nd、单台充电单元功率Pd、充电单元充电效率η、充电单元的功率因数
充电单元同时利用系数Ct。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种使用所述充电站系统对电动汽车进行充电的充电匹配方法，所述匹配方法包括 待更换电池的电动汽车在车辆停放区的合适位置进行停放，并采集充电站系统的基本参数并确定充电站系统的设计参数； 将所述基本参数和设计参数传输到系统控制器终端，并由系统控制器终端向低压配电单元、充电单元、电池存放单元、车辆停放区、电池维护单元、监控办公单元、电池更换单元、消防设施单元和高压配电单元的各自相应控制器终端发出信息与指令； 根据所述信息与指令将等待两侧的电池更换单元的电池更换设备将电动汽车上的待更换电池取出，放到电池存放单元的电池架上，并取下充满电的电池，安装到电动汽车上，完成整个更换作业，电动汽车驶出；和 根据所述信息与指令将电池存放单元的电池架上的电池通过充电单元进行充电并存储。
优选地，所述匹配充电方法同时对多辆电动汽车进行更换电池的操作。
本发明所提供的电动汽车的充电站系统具有布局合理、结构新颖的特点，能够实现快速充电、提供充电效率、并同时能够对多辆电动汽车进行更换电池和充电的操作，具有高经济性水平和在较低成本下稳定运行的优点。
图1为根据本发明的平面式充电站系统的结构示意图； 图2为根据本发明的立体式充电站系统的结构示意图； 图3为根据本发明的电动汽车的充电站系统的一个实施例的平面示意图。
附图标记说明 低压配电单元1、充电单元2、电池存放单元3、车辆停放区4、电池维护单元5、监控办公单元6、电池更换单元7、消防设施单元8、高压配电单元9、电梯设备10、自动更换机器人11。
具体实施例方式 为使贵审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例详细说明如下，所说明的较佳实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
如图1和图2所示，图1为根据本发明的平面式充电站系统的结构示意图，图2为根据本发明的立体式充电站系统的结构示意图。由图1和图2可以看出，本发明的电动汽车的充电站系统以对电动汽车电池进行更换并对更换下来的电池进行充电的车间为核心，内部布置采取对称布置的方式，以充分利用空间。
当本发明的电动汽车的充电站系统为平面式充电站系统时，车辆停放区4位于车间中央，其两侧对称地设置电池更换单元7、电池存放单元3、充电单元2和低压配电单元1，并且在其中一侧的低压配电单元1的外侧设置高压配电单元9。
此外，根据场地的实际情况，该充电站系统还可以包括电池维护单元5、监控办公单元6和消防设施单元8。电池维护单元5、监控办公单元6和消防设施单元8通常分布在车间的角落或者充电单元2的后方。充电单元2和电池存放单元3上的电池的电压、电流、SOC等信号(由于通过检测装置检测电压、电流等信号是本领域公知的，所以这里将省略它们的详细说明)，通过Can总线等方式传递到监控办公单元6的监控平台上。车间外面、紧邻车间的部分布置有消防设施单元8，如沙坑。
下面将概括说明各个单元的功能。
低压配电单元1和高压配电单元9共同组成配电设备，实现充电站提供外输入的高压电力到充电设备可应用电力的转换。其中，低压配电单元1用于给充电单元2提供电力，高压配电单元9用于将输入的高压电力转换为低压电力。
充电单元2用于给电池充电(例如通过地沟布线的方式)，实现动力电池电能的补给，可包括充电平台、充电区以及充电站监控系统网络接口等，由于这些组成部分都是本领域公知的，因此这里将省略对它们的详细说明，并且图中未示出。
电池存放单元3备用存储空间，即用于存放电池和对电池进行充电的地方，一般设置电池存储架进行电池立体存放。
车辆停放区4包括行车道和停车位，满足电动车辆更换电池及充电时的停车需求，保证更换的持续稳定运行。其中，充电站从入口到出口至少有二条车道，入口和出口分开设置，并进行指示标识。
电池维护单元5是用于电池重新配组、电池组均衡、电池组实际容量测试、电池故障的应急处理等工作的区域。
监控办公单元6其通过公知的方式与各个组成单元连接，用于监控整个充电站系统的运行情况，包括供电系统运行监控、充电单元运行监控、充电站系统安全监控等。
电池更换单元7实现车辆动力电池更换操作的功能区，一般通过配备的自动机械装置(如机器人等)将车辆上的待更换电池取出，放到电池存放单元3上。
另外，根据本发明的充电站系统还包括有供电系统，用于保证充电站电池充电、电池管理以及照明等辅助设施的用电需求，并对充电单元的谐波污染进行控制与处理，确保充电站的稳定运行。
本发明的充电站系统还可以是立体式充电站系统，图2为根据本发明的立体式充电站系统的结构示意图。由图2可以看出，车辆停放区4设置在地面上，电池存放单元3、充电单元2、低压配电单元1和高压配电单元9设置在地面下，电池更换单元7同时设置在地面上和地面下。其中，设置在地面上的电池更换单元7对称地设置在车辆停放区4的两侧，设置在地面下的电池更换单元7的两侧对称地设置有电池存放单元3、充电单元2和低压配电单元1。由于，该充电站系统的大部分组成单元位于地面下，因此可以更有效的利用空间，减少占地。对于立体式充电站系统，还可以在合适的位置布置电梯设备10。
下面将结合图3详细说明根据本发明的一个具体实施例的充电站系统及使用该充电站系统对电动汽车进行充电的匹配充电方法，其中，图3为根据本发明的电动汽车的充电站系统的一个实施例的平面示意图。
根据该实施例的充电站系统以用于对电池进行更换和充电的车间为核心，内部布置采取对称结构、平面布置的方式。电池架上的电池通过充电机构2进行充电，充电机构2和电池的电压、电流、SOC等信号通过Can总线等方式传递到监控办公单元6的监控平台，实现对整个充电过程的监控。该充电站系统的监控办公单元6布置在紧邻车间的外侧。电池维护单元5布置在车间一端的两个角落里。该充电站有完善的消防设施，即消防设施单元8，其中包括消防沙坑。高压供电单元9布置在充电车间的外侧。
本发明提供的对电动汽车进行充电的匹配充电方法包括如下首先待更换电池的电动汽车在车辆停放区的合适位置进行停放，并采集充电站系统的基本参数并确定充电站系统的设计参数(例如自动更换机器人11)为其进行电池更换作业。接着，将所述基本参数和设计参数传输到系统控制器终端，并由系统控制器终端向低压配电单元、充电单元、电池存放单元、车辆停放区、电池维护单元、监控办公单元、电池更换单元、消防设施单元和高压配电单元的各自相应控制器终端发出信息与指令。然后，根据所述信息与指令将等待两侧的电池更换单元的电池更换设备将电动汽车上的待更换电池取出，放到电池存放单元的电池架上，并取下充满电的电池，安装到电动汽车上，完成整个更换作业，电动汽车驶出。最后，根据所述信息与指令将电池存放单元的电池架上的电池通过充电单元进行充电并存储。
下面说明对充电站系统的更换操作人员的数量、备用电池的数目、充电单元的数量、服务能力、配电容量等进行匹配计算。运用这种计算方法能优化电动汽车的充电站系统的资源分配，提高充电站系统的经济性水平，保证较低成本情况下充电站系统的稳定运行。充电站系统设计参数匹配计算方法如下 1、基本设计参数 每车需要的更换操作人员数量Ng 同时更换车辆数Nt 电池的充电时间Tch 每车更换电池的作业时间Tex 备用电池储备系数 Cb 充电站的服务时间 Tqt 前后车辆影响等环节的储备系数 Cc 每辆车每天更换电池次数Ngh 每组电池需要的充电区数量 Nd 单台充电区功率Pd 充电区的充电效率 η 充电区的功率因数
充电区同时利用系数Ct 2、充电站系统主要设备规模、服务能力及配电容量的计算。主要包括确定更换操作人员的数量、备用电池的数目、充电单元的数量、充电站系统的服务能力以及配电容量。根据已经确定的基本参数，通过以下的计算公式确定充电站的主要设备规模、服务能力及配电容量。
更换操作人员的数量Nc＝Ng×Nt 备用电池的数目 充电区数量Ncdj＝Nbat×Nd 每天最多服务车次 最大可服务车辆数目 配电容量的计算公式为
下面给出一个该充电站系统设计参数匹配计算方法的实例 (1)电池更换模式 更换方式为自动化的机器人快速更换模式，待换电池的车辆进入电池更换车间，先由机器人取下车辆上的待充电电池，再从充电架上取下已充满的电池装配到车辆上。换好电池的车辆开出电池更换车间，进入发车编组，等待下一轮发车。充电架上换上的电池由充电单元进行充电。
举例来说，根据本发明该实施例的充电站系统采用双通道、同时更换4辆车的电池的方案。下面将以此为例说明根据本发明的充电站系统的匹配参数的计算方法。
(2)基本设计参数 项目 数量 更换操作人员Ng4人/辆 同时更换车辆数Nt 4辆 充电时间Tch 3小时 更换时间Tex 12分钟/辆 备用电池储备系数Cb1.2 服务时间Tqt 18h 前后车辆影响等环节的储备系数Cc1.2 每辆车每天更换电池次数Ngh 2次 每组电池需要的充电单元数量Nd 7台 单台充电单元功率Pd9kW 充电单元充电效率η0.9 充电单元的功率因数
0.85 充电单元同时利用系数Ct0.8 (3)充电站主要设备规模 更换人员数量(人)Nc＝Ng×Nt＝4×4＝16 备用电池数目(组) 充电单元数量(台)Ncdj＝Nbat×Nd＝72×7＝504 (4)充电站服务能力 每天最多服务车次(次) 最大可服务车辆数目(辆) (5)配电容量 充电单元内充电机的功率为9kW/台，每组电池需要用7台充电机进行充电。根据该充电站的实验数据，取充电单元充电效率η＝0.9，功率因数
充电单元同时利用系数Ct＝0.8，配电容量为
(6)主要设计参数汇总 项目 数量 同时更换能力(辆) 4 更换人员数量(人) 16 备用电池组数目(组)72 充电单元数目(台) 504 每天最多可更换电池次数(次)300 每天最大可服务车辆数(辆) 150 配电容量(kVA) 4744 本发明所提供的电动汽车的充电站系统具有布局合理、结构新颖的特点，能够实现快速充电、提供充电效率、并同时能够对多辆电动汽车进行更换电池和充电的操作，具有高经济性水平和在较低成本下稳定运行的优点。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式
意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
权利要求
1.一种电动汽车的充电站系统，其特征在于，所述充电站系统包括
车辆停放区，用于停放待更换电池的电动汽车；
电池更换单元，用于通过电池更换设备更换电动汽车的电池；
电池存放单元，用于存放电池和对电池进行充电；
充电单元，用于对所述电池存放单元上的电池进行充电；
低压配电单元，用于为所述充电单元区供电；
高压配电单元，用于将输入的高压电力转换为低压电力；
其中，在所述车辆停放区两侧对称地设置有所述电池更换单元、电池存放单元、充电单元和低压配电单元，在其中一侧的所述低压配电单元的外侧设置有所述高压配电单元。
2.根据权利要求1所述的充电站系统，其特征在于，所述充电站系统为平面式充电站系统，其中，所述车辆停放区、电池更换单元、电池存放单元、充电单元、低压配电单元和高压配电单元设置在地面上。
3.根据权利要求1所述的充电站系统，其特征在于，所述充电站系统为立体式充电站系统，其中，所述车辆停放区设置在地面上，所述电池存放单元、充电单元、低压配电单元和高压配电单元设置在地面下，所述电池更换单元同时设置在地面上和地面下。
4.根据权利要求1所述的充电站系统，其特征在于，所述电池更换设备为自动更换机器人。
5.根据权利要求1所述的充电站系统，其特征在于，所述充电单元通过地沟布线的方式对电池进行充电。
6.根据权利要求1-5任一项所述的充电站系统，其特征在于，所述充电站系统还包括电池维护单元、监控办公单元和消防设施单元。
7.根据权利要求1所述的充电站系统，其特征在于，所述充电站系统的设计参数包括更换操作人员的数量Nc、备用电池的数目Nbat、充电单元数量Ncdj、每天最多服务车次Nqs、最大可服务车辆数目Ncs、配电容量P；所述设计参数由充电站系统的基本参数通过如下匹配法确定
更换操作人员的数量NcNc＝Ng×Nt
备用电池的数目Nbat
充电单元数量NcdjNcdj＝Nbat×Nd
每天最多服务车次Nqs
最大可服务车辆数目Ncs
配电容量P
其中所述基本参数包括更换操作人员Ng、同时更换车辆数Nt、充电时间Tch、更换时间Tex、备用电池储备系数Cb、服务时间Tqt、前后车辆影响等环节的储备系数Cc、每辆车每天更换电池次数Ngh、每组电池需要的充电单元数量Nd、单台充电单元功率Pd、充电单元充电效率η、充电单元的功率因数
充电单元同时利用系数Ct。
8.一种使用权利要求1-7任一项所述的充电站系统对电动汽车进行充电的充电匹配方法，所述充电匹配方法包括
待更换电池的电动汽车在车辆停放区的合适位置进行停放，并采集充电站系统的基本参数并确定充电站系统的设计参数；
将所述基本参数和设计参数传输到系统控制器终端，并由系统控制器终端向低压配电单元、充电单元、电池存放单元、车辆停放区、电池维护单元、监控办公单元、电池更换单元、消防设施单元和高压配电单元的各自相应控制器终端发出信息与指令；
根据所述信息与指令将等待两侧的电池更换单元的电池更换设备将电动汽车上的待更换电池取出，放到电池存放单元的电池架上，并取下充满电的电池，安装到电动汽车上，完成整个更换作业，电动汽车驶出；和
根据所述信息与指令将电池存放单元的电池架上的电池通过充电单元进行充电并存储。
9.根据权利要求8所述的匹配充电方法，其特征在于，所述充电站系统的设计参数包括更换操作人员的数量Nc、备用电池的数目Nbat、充电单元数量Ncdj、每天最多服务车次Nqs、最大可服务车辆数目Ncs、配电容量P；所述设计参数由充电站系统的基本参数通过如下匹配法确定
更换操作人员的数量NcNc＝Ng×Nt
备用电池的数目Nbat
充电单元数量NcdjNcdj＝Nbat×Nd
每天最多服务车次Nqs
最大可服务车辆数目Ncs
配电容量P
其中所述基本参数包括更换操作人员Ng、同时更换车辆数Nt、充电时间Tch、更换时间Tex、备用电池储备系数Cb、服务时间Tqt、前后车辆影响等环节的储备系数Cc、每辆车每天更换电池次数Ngh、每组电池需要的充电单元数量Nd、单台充电单元功率Pd、充电单元充电效率η、充电单元的功率因数
充电单元同时利用系数Ct。
10.根据权利要求8所述的匹配充电方法，其特征在于，所述匹配充电方法同时对多辆电动汽车进行更换电池的操作。
全文摘要
本发明提供一种电动汽车充电站系统及其匹配充电方法，所述充电站系统包括车辆停放区，用于停放待更换电池的电动汽车；电池更换单元，用于通过电池更换设备更换电动汽车的电池；电池存放单元，用于存放电池和对电池进行充电；充电单元，用于对所述电池存放单元上的电池进行充电；低压配电单元，用于为所述充电单元区供电；高压配电单元，用于将输入的高压电力转换为低压电力。本发明所提供的电动汽车的充电站系统具有布局合理、结构新颖的特点，能够实现快速充电、提供充电效率、并同时能够对多辆电动汽车进行更换电池和充电的操作，具有高经济性水平和在较低成本下稳定运行的优点。
文档编号H02J7/00GK101834455SQ20101011142
公开日2010年9月15日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者王震坡, 孙逢春, 郭婷婷 申请人:北京理工大学