一种能够自我监测的交直流储能充电桩及其运行控制方法

1.本发明属于储能充电桩技术领域，具体涉及一种能够自我监测的交直流储能充电桩及其运行控制方法。


背景技术：

2.近年来电动汽车大规模发展成为趋势，电动汽车用户增加，与之伴随的是对充电桩充电方式和充电速度要求的进一步提升，上述两点成为当前充电桩电路设计的主要导向。
3.传统单一直流或交流充电桩在面对大规模电动汽车负荷时体现出日渐明显的弊端：1、充电方式单一，无法满足用户需求；2、充电时间漫长，用户等待时间较长，并且在高峰时段会出现充电拥挤的情况；3、在充电拥挤的情况下，易产生区域电网过负荷，对电网产生脉冲与影响；4、充电桩线路复杂，发生故障后维修难度较大。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够自我监测的交直流储能充电桩及其运行控制方法，在负荷监测模块的作用下，使系统内部实时信息传递作用于自动控制模块中的磁吸式开关，以选择充电桩的工作通道。通过所述自动控制模块中的继电保护装置，可以精准定位故障线路，方便后续维修。
5.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种能够自我监测的交直流储能充电桩，包括负荷监测模块、一级自动控制模块、交流充电模块和直流充电模块；
7.其中，一级自动控制模块和负荷监测模块中设有继电保护装置；
8.所述交直流储能充电桩基于继电保护装置进行定位问题电路，将故障部分从系统中切除，实现自我监测；
9.所述负荷监测模块包含继电保护装置ⅰ，与充电站内交流电网连接接入交流电能，实时监测充电站内交流电网负荷，若充电站内交流电网负荷超过额定负荷，则断开与充电站内交流电网的连接；
10.所述一级自动控制模块包括磁吸式开关i和继电保护装置ⅱ；
11.其中，磁吸式开关i经继电保护装置ⅱ与负荷监测模块连接，磁吸式开关i的输出端分别通过通道a和通道b与交流充电模块和直流充电模块连接；
12.所述一级自动控制模块根据负荷监测模块提供的实时信息采集数据及交流功率监测模块的信息反馈控制磁吸式开关i动作进行通道a和通道b的选择，实现交流电能分配：
13.若选择通道a，则交流电能分配给交流充电模块；
14.若选择通道b，则交流电能分配给直流充电模块；
15.若同时选择a和通道b，则交流电能同时分配给交流充电模块和直流充电模块；
16.当交流功率监测模块传来交流充电模块充电异常的信息时，继电保护装置ⅱ进行
断路；
17.所述交流充电模块包括交流功率监测模块和交流功率充电出口；
18.其中，交流功率监测模块实时监测交流充电模块运行状态，将异常信息反馈给一级自动控制模块；
19.所述直流充电模块包括整流模块、二级自动控制模块、储能电池模块、直流功率监测模块、电池功率监测模块和直流功率充电出口；
20.其中，整流模块对分配到的交流电能进行滤波和整流得到直流电能，并将直流电能输送给二级直流自动控制模块；
21.二级自动控制模块包括磁吸式开关ii和继电保护装置ⅲ；
22.其中，磁吸式开关ii的输出端通过通道c和通道d分别与直接充电模块和储能电池模块连接，根据电池容量监测模块提供的实时信息采集数据控制磁吸式开关ii动作进行通道c和通道d的选择，实现直流电能分配；
23.当直流功率监测模块传来交流充电模块充电异常的信息时，继电保护装置ⅲ进行断路。
24.储能电池模块包括储能电池、三级自动控制模块和电池容量监测模块；
25.其中，电池容量监测模块将储能电池剩余电量信息反馈给二级自动控制模块、三级自动控制模块；
26.三级自动控制模块包含磁吸式开关ⅲ和继电保护装置ⅳ；
27.其中，磁吸式开关ⅲ控制储能电池模块与直流功率充电出口的连接，实现储能电池的放电；
28.当电池功率监测模块传来交流充电模块充电异常的信息时，继电保护装置ⅳ进行断路。
29.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
30.上述的负荷监测模块采用侵入式负荷监测，利用二分段－d-shape评估法充电站内交流电网负荷曲线进行计算，并将其分为三个等级：低、中等、严重。
31.上述的交流充电模块获取交流电能后使用变压器进行压降，以适用不同的电压充电等级；
32.所述变压器优选采用单相单变的sc干式变压器。
33.上述的交流功率监测模块、直流功率监测模块和电池功率监测模块均采用awe1611d plus交直流功率分析仪。
34.上述的直流充电模块在储能电池电量充足时，若充电站内交流电网负荷中等，则直流充电较电池充电享有优先级；若负荷严重，则电池充电较直流充电享有优先级。
35.上述的整流模块为两级整流电路，包括一级pwm整流电路和二级桥式整流电路。
36.上述的储能电池的剩余电量信息基于ah积分法获得。
37.所述储能电池输出的直流电能依次经dc/dc转换器和卡尔曼滤波器后输入电池容量监测模块等下级模块，最后从直流功率充电出口输出，为电动汽车提供电能。
38.上述的磁吸式开关i、ii、ⅲ及继电保护装置i、ii、ⅲ、ⅳ分别为同类型装置；
39.所述继电保护模块包括动力电池、电池管理系统bms、绝缘监测仪、充电接口；
40.所述磁吸式开关i、ii、ⅲ为双通道选择磁吸式开关，通过mis数字选择器实现通道
选择。
41.上述的交直流储能充电桩基于继电保护装置进行定位问题电路，将故障部分从系统中切除，实现自我监测，具体如下：
42.(a)负荷监测模块监测到充电站内交流电网功率超过额定值时，继电保护装置ⅰ断开电路，故障处为充电站内交流电网。
43.(b)交流功率监测模块监测到交流充电功率超过额定值时，继电保护装置ⅱ断开电路，故障处为交流充电模块。
44.(c)直流功率监测模块监测到直流充电功率超过额定值时，继电保护装置ⅲ断开电路，故障处为直流充电模块。
45.(d)电池功率监测模块监测到电池充电功率超过额定值时，继电保护装置ⅳ断开电路，故障处为电池充电模块。
46.上述的一种能够自我监测的交直流储能充电桩的运行控制方法，在充电桩内，根据实时信息采集数据进行如下运行控制：
47.(1)一级自动控制模块根据负荷监测模块提供的充电站内交流电网实时信息采集数据，确定充电汽车的充电方式：若负荷低，则进入步骤(2)，若负荷中等，则进入步骤(4)，若负荷严重，则进入步骤(5)；
48.(2)磁吸式开关i接入通道a，对电动汽车进行交流充电，电池容量监测模块判断储能电池剩余电量是否充足，若充足，则进入步骤(2)，若不充足，则进入步骤(3)；
49.(3)磁吸式开关ii接入通道c，断开磁吸式开关ⅲ，对储能电池进行充电；
50.(4)磁吸式开关i接入通道a和通道b，磁吸式开关ii接入通道c，断开磁吸式开关ⅲ，对电动汽车进行交流和直流充电；
51.(5)磁吸式开关i接入通道b，电池容量监测模块判断储能电池剩余电量是否充足，若充足，则进入步骤(6)，若不充足，则进入步骤(7)；
52.(6)磁吸式开关ii接入通道d，闭合磁吸式开关ⅲ，对电动汽车进行电池充电；
53.(7)磁吸式开关ii接入通道c，断开磁吸式开关ⅲ，对电动汽车进行直流充电；
54.(8)通过电池容量监测模块判断储能电池剩余电量是否充足，若充足，则重复步骤(8)，若不充足，则进入步骤(3)；
55.上述步骤中：当充电桩无电动汽车充电时，步骤(8)拥有优先权。
56.本发明具有以下有益效果：
57.本发明通过自动控制系统选取通道，经整流模块、储能电池模块分别与用电终端连接从而增加了充电选择方式，并使用储能电池缓解用电高峰时段的电网负荷，以扩展传统充电站的通道选择、功率选择单一的问题。同时配备负荷监测模块和功率监测模块，实时监测充电桩的安全状态，以延长充电桩的使用寿命，避免意外的发生，且通过继电保护装置，在故障后精准定位故障线路，方便后续维修。给用户带来更好的体验并降低生产方的维修次数及维修成本，达到经济效益最大化。
58.1、提高了充电桩内部交直流充电转换的灵活性，提高了电能利用率；
59.2、通过自动控制系统选取通道，经整流模块、储能电池模块分别与用电终端连接从而增加了充电选择方式，在基本满足充电需求的前提下，使用储能电池缓解用电高峰时刻的充电站电网负荷，以扩展传统充电站的通道选择、功率选择单一的问题；在一定程度上
缓解了传统单一形式充电桩所带来的过负荷现象，降低了由于过负荷引发事故的故障率；
60.3、当充电桩内任意模块存在不正常运行状态，继电保护模块将故障部分从系统中切除，使故障部分免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行，方便后续的维修；通过加入继电保护装置持续作用，在设定情况下自动断电从而保护充电桩且可以精确定位到具体线路，有利于降低后续维修难度和延长充电桩的使用寿命并减少安全隐患，带来更大的经济效益，实现生产方和用户端利益最大化；
61.4、给出了基于用户体验以及区域电网负荷情况等综合因素下建立交-直-储三位一体的充放电系统；从用户实际需求出发，采用基于自动控制方案的储能与交流电网相结合技术；在极大程度上的增强了交直流一体化充电桩的自适应能力，满足了客户的充放电需求。
附图说明
62.图1为本发明能够自我监测的交直流储能充电桩的运行控制的流程示意图；
63.图2为本发明磁吸式开关结构示意图；
64.图3为本发明能够自我监测的交直流储能充电桩结构图。
具体实施方式
65.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
66.参见图1-3，一种能够自我监测的交直流储能充电桩，包括负荷监测模块、一级自动控制模块、交流充电模块和直流充电模块；
67.其中，一级自动控制模块和负荷监测模块中设有继电保护装置；
68.所述交直流储能充电桩基于继电保护装置进行定位问题电路，将故障部分从系统中切除，实现自我监测；
69.所述负荷监测模块与充电站内交流电网连接接入交流电能，实时监测充电站内交流电网负荷；
70.所述一级自动控制模块根据负荷监测模块提供的实时信息及交流功率监测模块的信息反馈，向交流充电模块和直流充电模块进行交流电能分配。
71.根据电力系统稳定运行要求，为防止充电站误动作产生的过电流对整个区域电网产生冲击，在一级自动控制模块前设定负荷监测模块，以防止过电流，便于通过继电保护装置ⅰ控制整个充电系统的电流通断。
72.所述负荷监测模块包含继电保护装置ⅰ，与充电站内交流电网连接接入交流电能，实时监测充电站内交流电网负荷，若充电站内交流电网负荷超过额定负荷，则断开与充电站内交流电网的连接；
73.所述一级自动控制模块包括磁吸式开关i和继电保护装置ⅱ；
74.其中，磁吸式开关i经继电保护装置ⅱ与负荷监测模块连接，磁吸式开关i的输出端分别通过通道a和通道b与交流充电模块和直流充电模块连接；
75.所述一级自动控制模块根据负荷监测模块提供的实时信息采集数据及交流功率监测模块的信息反馈控制磁吸式开关i动作进行通道a和通道b的选择，实现交流电能分配：
76.若选择通道a，则交流电能分配给交流充电模块；
77.若选择通道b，则交流电能分配给直流充电模块；
78.若同时选择a和通道b，则交流电能同时分配给交流充电模块和直流充电模块；
79.当交流功率监测模块传来交流充电模块充电异常的信息时，继电保护装置ⅱ进行断路；
80.所述交流充电模块包括交流功率监测模块和交流功率充电出口；
81.其中，交流功率监测模块实时监测交流充电模块运行状态，将异常信息反馈给一级自动控制模块；
82.所述交流充电模块获取交流电能后使用变压器进行压降，以适用不同的电压充电等级；
83.所述变压器优选采用单相单变的sc(环氧树脂浇注包封式)干式变压器。
84.即交流电能经通道a输入到交流充电模块后，可以使用变压器进行压降，以适用不同的电压充电等级。
85.所述直流充电模块包括整流模块、二级自动控制模块、储能电池模块、直流功率监测模块、电池功率监测模块和直流功率充电出口；
86.所述直流功率监测模块和电池功率监测模块分别实时采集电动汽车的直流和电池充电功率，将异常信息分别反馈给二级、三级自动控制模块，使二级、三级自动控制模块中的继电保护实现断路。
87.其中，整流模块对分配到的交流电能进行滤波和整流得到直流电能，并将直流电能输送给二级直流自动控制模块；
88.二级自动控制模块包括磁吸式开关ii和继电保护装置ⅲ；
89.其中，磁吸式开关ii的输出端通过通道c和通道d分别与直接充电模块和储能电池模块连接，根据电池容量监测模块提供的实时信息采集数据控制磁吸式开关ii动作进行通道c和通道d的选择，实现直流电能分配；
90.当直流功率监测模块传来交流充电模块充电异常的信息时，继电保护装置ⅲ进行断路。
91.为减少整流系统之后的直流电源在传输中会受到外界的干扰，并解决在整流系统后所受到的高次谐波对整个系统的影响，在通道d至直流充电接口之间的电路中，电能经功率放大器传输给储能电池，在储能电池放电过程中，直流电流经过dc/dc转换器、卡尔曼滤波器滤波后输出，以提高充电系统的稳定性，减少通道切换过程中带来的脉冲。
92.依据储能电池充放电工作原理，将储能电池容量等因素考虑在内，储能电池仅作为充放电调节方式。
93.储能电池模块包括储能电池、三级自动控制模块和电池容量监测模块；
94.其中，电池容量监测模块将储能电池剩余电量信息反馈给二级自动控制模块、三级自动控制模块；
95.三级自动控制模块包含磁吸式开关ⅲ和继电保护装置ⅳ；
96.其中，磁吸式开关ⅲ控制储能电池模块与直流功率充电出口的连接，实现储能电池的放电；
97.当电池功率监测模块传来交流充电模块充电异常的信息时，继电保护装置ⅳ进行断路。
98.所述负荷监测模块采用侵入式负荷监测，利用二分段－d-shape评估法充电站内交流电网负荷曲线进行计算，并将其分为三个等级：低、中等、严重。
99.所述交流功率监测模块、直流功率监测模块和电池功率监测模块均采用awe1611d plus交直流功率分析仪。
100.所述直流充电模块在储能电池电量充足时，若充电站内交流电网负荷中等，则直流充电较电池充电享有优先级；若负荷严重，则电池充电较直流充电享有优先级。
101.所述整流模块为两级整流电路，包括一级pwm整流电路和二级桥式整流电路。
102.所述储能电池的剩余电量信息基于ah积分法获得。
103.所述储能电池输出的直流电能依次经dc/dc转换器和卡尔曼滤波器后输入电池容量监测模块等下级模块，最后从直流功率充电出口输出，为电动汽车提供电能。
104.所述继电保护模块，主要包括动力电池、电池管理系统bms、绝缘监测仪、充电接口。
105.根据自动控制原理，本发明充电桩采用自适应自动控制，自动控制系统分三级：
106.一级自动控制系统(一级自动控制模块)，即主控制系统，包括磁吸式开关i和继电保护装置ⅱ，对负荷监测模块和交流功率监测模块反馈的信息进行综合调配，产生控制指令作用于磁吸式开关i，从而实现交直流通道选择：通道a为交流方向，通道b为直流方向。当交流充电模块内任意一部分出现短路故障或异常运行，通过继电保护装置ⅱ保证充电桩、用户和充电电动汽车的安全。
107.二级自动控制系统(二级直流自动控制模块)，即直流自动控制系统，包括磁吸式开关ii和继电保护装置ⅲ，对直流功率监测模块和电池容量监测模块反馈的信息和一级自动控制系统发布的指令进行综合调配，产生控制指令作用于磁吸式开关ii，从而实现直流充电与储能电池充放电通道互换选择：通道c为直流直接充电方向，通道d为储能电池充电方向。当直流充电模块内任意一部分出现短路故障或异常运行，通过继电保护装置ⅲ保证充电桩、用户和充电电动汽车的安全。
108.三级自动控制系统(三级电池自动控制模块)，即电池自动控制系统，包括磁吸式开关ⅲ和继电保护装置ⅳ，对电池功率监测模块反馈的信息和二级自动控制系统发布的指令进行综合调配，产生控制指令作用于磁吸式开关ⅲ，从而实现储能电池的充放电通道互换选择.当储能电池模块内任意一部分出现短路故障或异常运行，通过继电保护装置ⅳ保证充电桩、用户和充电电动汽车的安全。
109.本发明中的磁吸式开关为双通道选择磁吸式开关(电路图中两个磁吸式开关为一组)，如图2所示，磁吸式开关主要通过mis数字选择器实现通道选择，微电子端口pc通过中规模数字电路实现通道选择，根据提供的实时信息进行通道选择。
110.在实际工作中，城市交流电网提供交流电能进入一级自动控制模块，一级自动控制模块根据实时接收信息作用于磁吸式开关i，从而实现a、b通道的选择。a通道方向交流电进入交流充电模块，经交流功率监测模块后输出给电动汽车进行交流充电，此时直流充电关闭。b通道方向交流电进入直流充电模块，交流电传输经整流模块，将交流电整流为直流电流输入二级自动控制模块。若储能电池电量不足且充电站电
111.网负荷低，根据一级、二级自动控制系统作用，b、d通道接通，c通道不通，储能电池放电通道打开，为储能电池进行直流充电。二级自动控制模块根据实时接收信息作用于磁
吸式开关ii，从而实现c、d通道的选择，从而选取直流充电与电池充电。若储能电池电量不足，根据一级、二级自动控制系统作用，b、c通道接通，d通道不通，直流充电通道打开，直流电流经直流功率监测模块后输出给电动汽车进行直流充电。若储能电池电量充足，b通道不通，e通道接通，直流电流经电池功率监测模块后输出给电动汽车进行直流充电。
112.具体的，本发明交直流储能充电桩基于继电保护装置进行定位问题电路，将故障部分从系统中切除，实现自我监测；
113.所述继电保护装置可以精确定位问题电路，将故障部分从系统中切除，使故障部分免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行，方便后续的维修，其自我监测过程如下：
114.(a)负荷监测模块监测到充电站内交流电网功率超过额定值时，继电保护装置ⅰ断开电路，故障处为充电站内交流电网。
115.(b)交流功率监测模块监测到交流充电功率超过额定值时，继电保护装置ⅱ断开电路，故障处为交流充电模块。
116.(c)直流功率监测模块监测到直流充电功率超过额定值时，继电保护装置ⅲ断开电路，故障处为直流充电模块。
117.(d)电池功率监测模块监测到电池充电功率超过额定值时，继电保护装置ⅳ断开电路，故障处为电池充电模块。
118.通过继电保护装置的断路与否，可以精确定位充电桩的故障线路，方便后续的维修。
119.具体的，本发明交直流储能充电桩的运行控制方法，在充电桩内，根据实时信息采集数据进行如下运行控制：
120.(1)一级自动控制模块根据负荷监测模块提供的充电站内交流电网实时信息采集数据，确定充电汽车的充电方式：若负荷低，则进入步骤(2)，若负荷中等，则进入步骤(4)，若负荷严重，则进入步骤(5)。
121.(2)磁吸式开关i接入通道a，对电动汽车进行交流充电，电池容量监测模块判断储能电池剩余电量是否充足，若充足，则进入步骤(2)，若不充足，则进入步骤(3)。
122.(3)磁吸式开关ii接入通道c，断开磁吸式开关ⅲ，对储能电池进行充电；
123.(4)磁吸式开关i接入通道a和通道b，磁吸式开关ii接入通道c，断开磁吸式开关ⅲ，对电动汽车进行交流和直流充电；
124.(5)磁吸式开关i接入通道b，电池容量监测模块判断储能电池剩余电量是否充足，若充足，则进入步骤(6)，若不充足，则进入步骤(7)；
125.(6)磁吸式开关ii接入通道d，闭合磁吸式开关ⅲ，对电动汽车进行电池充电；
126.(7)磁吸式开关ii接入通道c，断开磁吸式开关ⅲ，对电动汽车进行直流充电；
127.(8)通过电池容量监测模块判断储能电池剩余电量是否充足，若充足，则重复步骤(8)，若不充足，则进入步骤(3)；
128.上述步骤中：当充电桩无电动汽车充电时，步骤(8)拥有优先权。
129.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护
范围。