矩阵式柔性充电堆及动态分配功率的充电方法
【专利摘要】本发明公开了一种矩阵式柔性充电堆及动态分配功率的充电方法，该方法包括如下步骤：S1、将每个充电终端与对应的电动汽车相连；S2、充电终端接收电动汽车的充电功率需求，并将充电功率需求与充电终端对应的固定功率区的模块总功率进行比较；S3、若充电功率需求超过固定功率区的模块总功率，充电终端计算需再投入本段直流母线的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；S4、矩阵控制器按所需的充电模块数量，将动态功率区中所需数量的充电模块投入对应的直流母线上，并同步将模块通讯线投切到对应的通讯总线。实施该动态分配功率的充电方法既满足了不同储能容量、不同充电倍率的电动汽车充电需求，又进一步提升了充电设备的转换效率和利用率。
【专利说明】
矩阵式柔性充电堆及动态分配功率的充电方法
技术领域
[0001]本发明涉及充电技术领域，尤其是涉及一种矩阵式柔性充电堆及动态分配功率的充电方法。【背景技术】
[0002]目前，各类电动汽车的储能电池容量和充电倍率各不相同，对充电机输出功率要求差异较大，为了满足社会上各类电动汽车的充电需求，充电机的输出功率被设计得很大， 在给储能容量较小的电电动汽车充电时，将造成充电能力的浪费，充电机的利用率较低；如果充电机的输出功率设计得较小，虽然可以提高充电机的利用率，但是在给储能容量较大的电动汽车充电时，又延长了充电时间，给车主带来不便。而且，随着动力电池技术的快速发展，未来电动汽车对充电系统的功率需求越来越大，如何在适当增加投资的情况下，利用现有充电设施适应未来大功率充电需求，一直是业内充电设施建设的困惑之一。
[0003]图3给出了现有充电机的原理图。现有充电机的所有充电模块集中控制，与充电机终端一一对应，虽然可以根据电动汽车的需求值动态调整输出功率，但无法解决电动汽车需求功率过低时充电设备利用率低和电动汽车需求功率过高时充电能力不足的矛盾。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于，提供一种矩阵式柔性充电堆及动态分配功率的充电方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种动态分配功率的充电方法，包括如下步骤:
[0006]S1、将每个充电终端与对应的电动汽车相连；
[0007]S2、所述充电终端接收所述电动汽车的充电功率需求，并将所述充电功率需求与所述充电终端对应的固定功率区的模块总功率进行比较；
[0008]S3、若所述充电功率需求超过所述固定功率区的模块总功率，所述充电终端计算需再投入本段直流母线的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；
[0009]S4、所述矩阵控制器按所需的充电模块数量，将动态功率区中所需数量的充电模块投入对应的所述直流母线上，并同步将模块通讯线投切到对应的通讯总线。
[0010]本发明的动态分配功率的充电方法中，所述步骤S3还包括如下步骤:
[0011]S3-1、若所述充电功率需求未超过所述固定功率区的模块总功率，所述矩阵控制器不动作。
[0012]本发明的动态分配功率的充电方法中，还包括如下步骤:
[0013]S5、所述充电终端实时接收所述电动汽车的需求信息，并自动调整所述直流母线上各个充电模块的输出电压电流值，并根据检测到的实际输出反馈值对其进行调整；
[0014]S6、所述充电终端检测到所述电动汽车的需求值加大时，所述充电终端重新计算所需增加充电模块数量，并下发到矩阵控制器；
[0015]S7、所述矩阵控制器根据所述动态功率区中可分配的充电模块数量，将需增加数量的充电模块投入对应的所述直流母线，并将信息反馈给所述充电终端。
[0016]本发明的动态分配功率的充电方法中，所述步骤S6还包括如下步骤:
[0017]S6-1、所述充电终端检测到所述电动汽车的需求值降低时，所述充电终端计算可以退出的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；
[0018]S6-2、所述矩阵控制器控制相应数量的充电模块退出，退出的所述充电模块自动恢复为功率可动态分配状态。
[0019]本发明的动态分配功率的充电方法中，还包括如下步骤:
[0020]S8、所述充电终端检测到充电结束后，所述充电终端通知所述矩阵控制器将投入本段所述直流母线的所述动态功率区中的所有充电模块退出。[0021 ]本发明的动态分配功率的充电方法中，所述动态功率区中的所有充电模块通过一动态分配阵列与对应的所述充电终端的直流母线电性连接；
[0022]所述矩阵控制器分别控制所述动态分配阵列中的各个可控开关。
[0023]本发明还构造了一种矩阵式柔性充电堆，包括:
[0024]充电终端，用于接收电动汽车发出的充电需求值，并计算所需的充电模块数量，通知矩阵控制器进行功率分配，并根据所述电动汽车的需求动态调整实际输出电压、电流；
[0025]固定功率区，包括不参与功率动态分配的充电模块，所述充电模块固定接入对应充电终端，用于满足所述充电终端的基本充电功能；
[0026]动态功率区，包括参与功率动态分配的充电模块和动态分配阵列，所述充电模块通过动态分配阵列投入所述充电终端对应的直流母线上；
[0027]矩阵控制器，与所述充电终端通讯连接，用于接收所述充电终端的需求信息，并根据所述需求信息提供对应的充电模块的数量，并控制所述动态功率区中的所需数量的充电模块投切到所述充电终端对应的直流母线上，以及闭锁所述充电模块投切到其他直流母线上。
[0028]本发明的矩阵式柔性充电堆中，还包括:
[0029]动态分配阵列，用于电性连接所述动态功率区中的所有充电模块与对应的所述充电终端的直流母线。
[0030]本发明的矩阵式柔性充电堆中，所述动态分配阵列由可控开关器件组成；所述可控开关器件包括多个高压直流接触器；[0031 ]所述动态分配阵列中的各个可控开关器件受所述矩阵控制器的控制。
[0032]本发明的矩阵式柔性充电堆中，还包括:
[0033]保护装置，用于防止因所述动态分配阵列中的所述可控开关器件误动作或故障引发的安全事故；
[0034]所述保护装置包括设置在每个所述充电终端的直流输出侧的直流二极管，所述直流二极管安装于直流+端和/或反向安装于直流一端。
[0035]实施本发明的技术方案，至少具有以下的有益效果:采用动态分配功率的充电方法可根据不同类型电动汽车的实际需要自动从动态功率区中提供不同功率，既满足了不同储能容量、不同充电倍率的电动汽车充电需求，又进一步提升了充电设备的转换效率和利用率。【附图说明】
[0036]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0037]图1是本发明的一实施例中的一种分配功率的充电方法的流程示意图；
[0038]图2是本发明的另一实施例中的一种分配功率的充电方法的流程示意图；
[0039]图3是常规电动汽车的充电机原理图；
[0040]图4是本发明的一实施例中的矩阵式柔性充电堆的主回路控制原理图；
[0041]图5是本发明的一实施例中的矩阵式柔性充电堆的通讯回路控制原理图；
[0042]图6是本发明的另一实施例中的矩阵式柔性充电堆的主回路控制原理图。【具体实施方式】
[0043]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的【具体实施方式】。
[0044]图1至图2示出了本发明中的一种动态分配功率的充电方法，该方法能够根据不同类型电动汽车的实际需要自动从动态功率区中提供不同功率，从而既满足了不同储能容量、不同充电倍率的电动汽车充电需求，又能进一步提升了充电设备的转换效率和利用率。
[0045]如图1所示，该动态分配功率的充电方法包括如下步骤:
[0046]S10、将每个充电终端与对应的电动汽车相连；
[0047]S20、充电终端接收电动汽车的充电功率需求，并将充电功率需求与充电终端对应的固定功率区的模块总功率进行比较；
[0048]S30、若充电功率需求超过固定功率区的模块总功率，充电终端计算需再投入本段直流母线的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；
[0049]S40、矩阵控制器按所需的充电模块数量，将动态功率区中所需数量的充电模块投入对应的直流母线上，并同步将模块通讯线投切到对应的通讯总线。
[0050]如图2所示，在一些实施例中，该动态分配功率的充电方法还可包括如下步骤:
[0051]S10、将每个充电终端与对应的电动汽车相连；
[0052]S20、充电终端接收电动汽车的充电功率需求，并将充电功率需求与充电终端对应的固定功率区的模块总功率进行比较；
[0053]S30、若充电功率需求超过固定功率区的模块总功率，充电终端计算需再投入本段直流母线的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；
[0054]S40、矩阵控制器按所需的充电模块数量，将动态功率区中所需数量的充电模块投入对应的直流母线上，并同步将模块通讯线投切到对应的通讯总线；
[0055]S50、充电终端实时接收电动汽车的需求信息，并自动调整直流母线上各个充电模块的输出电压电流值，并根据检测到的实际输出反馈值对其进行调整；
[0056]S60、充电终端检测到电动汽车的需求值加大时，充电终端重新计算所需增加充电模块数量，并下发到矩阵控制器；
[0057]S70、矩阵控制器根据动态功率区中可分配的充电模块数量，将需增加数量的充电模块投入对应的直流母线，并将信息反馈给充电终端。
[0058]S80、充电终端检测到充电结束后，充电终端通知矩阵控制器将投入本段直流母线的动态功率区中的所有充电模块退出。
[0059]其中，步骤S30还包括如下步骤:
[0060]S30-1、若充电功率需求未超过固定功率区的模块总功率，矩阵控制器不动作。[0061 ]步骤S60还包括如下步骤:
[0062]S60-1、充电终端检测到电动汽车的需求值降低时，充电终端计算可以退出的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；
[0063]S60-2、矩阵控制器控制相应数量的充电模块退出，退出的充电模块自动恢复为功率可动态分配状态。
[0064]图4至图6还示出了本发明中的一种矩阵式柔性充电堆，该矩阵式柔性充电堆可根据不同类型电动汽车的实际需要自动从“充电堆”提取不同功率，既满足了不同储能容量、不同充电倍率的电动汽车充电需求，又进一步提升了充电设备的转换效率和利用率，解决了目前业界要确定目标用车才能建设充电设施的困惑，避免了由于电池技术进步带来的重复建设浪费。
[0065]该一种矩阵式柔性充电堆包括:
[0066]充电终端，用于接收电动汽车发出的充电需求值，并计算所需的充电模块数量，通知矩阵控制器进行功率分配，并根据该电动汽车的需求动态调整实际输出电压、电流；
[0067]固定功率区，由不参与功率动态分配的充电模块组成，所述充电模块固定接入对应充电终端，用于满足所述充电终端的基本充电功能；
[0068]动态功率区，由参与功率动态分配的充电模块和动态分配阵列组成，所述充电模块通过动态分配阵列投入所述充电终端对应的直流母线上，实现充电功率动态分配的目的；
[0069]矩阵控制器，与该充电终端通讯连接，用于接收该充电终端的需求信息，并根据该需求信息提供对应的充电模块的数量，并控制该动态功率区中的所需数量的充电模块投切到该充电终端对应的直流母线上，以及闭锁该充电模块投切到其他直流母线上。
[0070]在一些实施例中，该矩阵式柔性充电堆还包括:
[0071]动态分配阵列，用于电性连接该动态功率区中的所有充电模块与对应的该充电终端的直流母线。
[0072]进一步地，该动态分配阵列由可控开关器件组成；该可控开关器件包括多个高压直流接触器；且该动态分配阵列中的各个可控开关器件受该矩阵控制器的控制。
[0073]在一些实施例中，该矩阵式柔性充电堆还包括:
[0074]保护装置，用于防止因该动态分配阵列中的该可控开关器件误动作或故障引发的安全事故；
[0075]该保护装置包括设置在每个该充电终端的直流输出侧的直流二极管，该直流二极管安装于直流+端和/或反向安装于直流一端。
[0076]具体的，本发明的技术方案具体特征如下:参照图4至图6,以3个充电终端为例:
[0077]①固定功率区:固定功率区为满足充电终端基本充电功能所需的最小数量模块， 其固定接入所对应充电终端的直流母线，该区域内的模块不具备功率动态分配功能。实施例中1MK1?m、2MK1?m、3MK1?m分别连接1#、2#、3#充电终端对应的直流母线1、直流母线2、直流母线3。其中，不同终端对应的固定功率区模块数量可不相同。以三个终端对应2个固定功率区15kW充电模块为例。
[0078]②动态功率区:动态功率区是实现功率动态分配的主要部分，该区域的模块可通过动态分配阵列投切到不同终端对应的直流母线上，以实现功率的动态分配。以动态功率区共配置6台15kW充电模块为例，分别记为DMK-1?DMK6。
[0079]③动态分配阵列:该部分主要由可控制的开关器件组成，是将动态功率区模块投切到不同终端对应直流母线的执行机构。本例中的可控开关器件选用高压直流接触器，动态功率区每台充电模块分别配置6只直流接触器，将充电模块输出(+)分别投入直流母线1 (+)、直流母线2 (+)、直流母线3 (+)，将充电模块输出(_)分别投入直流母线1 (_)、直流母线2 (_)、直流母线3 (_)，投入同一段直流母线(+)、(_)的两只接触器同步动作。
[0080]④矩阵控制器:其主要作用是接收充电终端的需求的充电模块数量，并控制动态分配阵列将所需数量的模块投切到该充电终端对应的直流母线上，并同时闭锁该模块投切到其他直流母线的功能。主要由DSP、单片机或PLC等控制单元组成，通过RS485、CAN通讯总线与充电终端通讯，并通过继电器接点控制动态分配阵列的直流接触器的分合。
[0081]⑤充电终端:是充电堆与电动汽车互动的接口，其接收电动汽车发出的充电需求值，并计算所需的充电模块数量，通知矩阵控制器进行功率分配，并根据电动汽车需求动态调整实际输出电压、电流。本例中充电终端由充电控制器、人机界面、测控装置、充电接口等组成，其分别与电动汽车、矩阵控制器、充电模块进行数字通讯。
[0082]另外，此图4至图6示出的实施例中，充电终端数量为3个，对应的直流母线为3 条。每台终端对应的固定功率区充电模块数量为2台，动态功率区模块数量为6台，单台充电模块额定功率为15kW。
[0083]当各个充电终端处于空闲状态时，所有充电模块处于待机状态，动态分配阵列中的各高压直流接触器均处于断开状态，即“动态功率区的所有充电模块均与各直流母线断开”，当2#充电终端与电动汽车相连，接收到的充电功率需求值为84kW(或电压、电流值) 时，充电终端将计算需再投入本段直流母线的充电模块数量为4(总需求充电模块数为6)， 并下发到矩阵控制器。矩阵控制器自动控制动态分配阵列中的1KM2 (+)、2KM2 (+)、3KM2 (+)、 4KM2 (+)投入到直流母线2 (+)，控制动态分配阵列中的1KM2 (-)、2KM2 (-)、3KM2 (-)、 4KM2(_)投入到直流母线2 (-)，并同步将模块通讯线投切到对应的通讯总线；
[0084]2#充电终端将实时接收电动汽车需求信息，自动调整本段直流母线上各充电模块的输出功率值为14kW(或电压电流值)，并根据检测的实际输出反馈值对其进行调整；如电动汽车需求值调整为78kW，充电终端将自动将每个模块输出功率限制为13kW。在充电过程中如电动汽车需求值加大到98kW时，终端将重新计算所需增加模块数量为1，并通知矩阵控制器，控制动态分配阵列中的5KM2 (+)和5KM2 (-)分别投入到直流母线2 (+)和直流母线2(_)，充电终端将各模块输出功率调整为14kW。电动汽车充电需求值降低时同理。
[0085]如果在2#充电终端充电的过程中，3#充电终端与电动汽车相连，启动充电。如果电动汽车发出的充电需求值为24kW，则矩阵控制器不需要任何动作，直接利用固定功率区的两台充电模块为其充电，3#充电终端控制每台模块输出功率为12kW。如果电动汽车充电需求值为33kW时，按上述步骤将6KM3 (+)和6KM3 (-)分别投入直流母线3 (+)和直流母线3(_)，3#充电终端将自动调整各充电模块输出功率值为1 lkW。若果电动汽车充电需求值为 56kW时，由于动态功率区所有模块已经分配完毕，矩阵控制器将不再动作，3#充电终端将自动调整各充电模块输出功率为15kW。如在3#充电过程中，2#充电终端有充电模块退出， 矩阵控制器将通知3#充电终端，3#充电终端将重新计算需再投入模块数量，通知矩阵控制器控制相应模块投入。
[0086]2#充电终端充电结束后，2#充电终端通知矩阵控制器将投入本段直流母线的动态功率区所有充电模块退出。此时，动态分配阵列中对应的可控开关为断开状态。其他终端同理。
[0087]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
【主权项】
1.一种动态分配功率的充电方法，其特征在于，包括如下步骤:51、将每个充电终端与对应的电动汽车相连；52、所述充电终端接收所述电动汽车的充电功率需求，并将所述充电功率需求与所述 充电终端对应的固定功率区的模块总功率进行比较；53、若所述充电功率需求超过所述固定功率区的模块总功率，所述充电终端计算需再 投入本段直流母线的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；54、所述矩阵控制器按所需的充电模块数量，将动态功率区中所需数量的充电模块投 入对应的所述直流母线上，并同步将模块通讯线投切到对应的通讯总线。2.根据权利要求1所述的动态分配功率的充电方法，其特征在于，所述步骤S3还包括 如下步骤:S3-1、若所述充电功率需求未超过所述固定功率区的模块总功率，所述矩阵控制器不 动作。3.根据权利要求2所述的动态分配功率的充电方法，其特征在于，还包括如下步骤:55、所述充电终端实时接收所述电动汽车的需求信息，并自动调整所述直流母线上各 个充电模块的输出电压电流值，并根据检测到的实际输出反馈值对其进行调整；56、所述充电终端检测到所述电动汽车的需求值加大时，所述充电终端重新计算所需 增加充电模块数量，并下发到矩阵控制器；57、所述矩阵控制器根据所述动态功率区中可分配的充电模块数量，将需增加数量的 充电模块投入对应的所述直流母线，并将信息反馈给所述充电终端。4.根据权利要求3所述的动态分配功率的充电方法，其特征在于，所述步骤S6还包括 如下步骤:S6-1、所述充电终端检测到所述电动汽车的需求值降低时，所述充电终端计算可以退 出的充电模块数量，并下发到矩阵控制器；S6-2、所述矩阵控制器控制相应数量的充电模块退出，退出的所述充电模块自动恢复 为功率可动态分配状态。5.根据权利要求4所述的动态分配功率的充电方法，其特征在于，还包括如下步骤:58、所述充电终端检测到充电结束后，所述充电终端通知所述矩阵控制器将投入本段 所述直流母线的所述动态功率区中的所有充电模块退出。6.根据权利要求1至5任一项所述的动态分配功率的充电方法，其特征在于，所述动态 功率区中的所有充电模块通过一动态分配阵列与对应的所述充电终端的直流母线电性连 接；所述矩阵控制器分别控制所述动态分配阵列中的各个可控开关。7.—种矩阵式柔性充电堆，其特征在于，包括:充电终端，用于接收电动汽车发出的充电需求值，并计算所需的充电模块数量，通知矩 阵控制器进行功率分配，并根据所述电动汽车的需求动态调整实际输出电压、电流；固定功率区，包括不参与功率动态分配的充电模块，所述充电模块固定接入对应充电 终端，用于满足所述充电终端的基本充电功能；动态功率区，包括参与功率动态分配的充电模块和动态分配阵列，所述充电模块通过 动态分配阵列投入所述充电终端对应的直流母线上；矩阵控制器，与所述充电终端通讯连接，用于接收所述充电终端的需求信息，并根据所 述需求信息提供对应的充电模块的数量，并控制所述动态功率区中的所需数量的充电模块 投切到所述充电终端对应的直流母线上，以及闭锁所述充电模块投切到其他直流母线上。8.根据权利要求7所述的矩阵式柔性充电堆，其特征在于，还包括:动态分配阵列，用于电性连接所述动态功率区中的所有充电模块与对应的所述充电终 端的直流母线。9.根据权利要求8所述的矩阵式柔性充电堆，其特征在于，所述动态分配阵列由可控 开关器件组成；所述可控开关器件包括多个高压直流接触器；所述动态分配阵列中的各个可控开关器件受所述矩阵控制器的控制。10.根据权利要求7所述的矩阵式柔性充电堆，其特征在于，还包括:保护装置，用于防止因所述动态分配阵列中的所述可控开关器件误动作或故障引发的 安全事故；所述保护装置包括设置在每个所述充电终端的直流输出侧的直流二极管，所述直流二 极管安装于直流十端和/或反向安装于直流一端。
【文档编号】H02J7/00GK106033904SQ201510124712
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月20日
【发明人】李志刚, 万新航, 张文勇, 靳权
【申请人】深圳奥特迅电力设备股份有限公司