一种充电储能系统及充电桩设备的制作方法

本发明涉及电池储能技术领域，尤其涉及一种充电储能系统及充电桩设备。

背景技术：

随着电动交通工具的普及以及社会对于环保的需求，对于各类大功率充电设备(如充电桩)的建设需求越来越高，随之而来的也有新的问题，具体如下：

第一、为交通工具配备的充电设备功率较大，必须从市电电网中取电，常用的技术方式是市电经充电设备的ac/dc模块或dc/dc模块输出变换后直接对交通工具进行充电，这样就会导致当同时为交通工具充电的用户较多时电网负载大，对整个区域的电网造成冲击。

第二、目前电动交通工具的数量猛增，充电桩在无法满足居民需求的情况下，改建和重新入网的成本很高，导致充电点改建困难，因此造成了一定的供求矛盾。

第三、当充电设备中某一电芯损坏时，整个充电设备无法使用，维修困难，影响使用。

由此可见，急需一种创新的充电储能设备，解决上述技术问题，改善人们的使用体验。

技术实现要素：

本发明提供一种充电储能系统及充电桩设备，能够有效提高系统的输出功率，电芯容量扩容方便，从而降低设备改造成本。

本发明为了实现上述目的，具体采用以下技术方案：

第一方面，本发明公开一种充电储能系统，包括：

电源变换模组，充电选择模组、中央控制器、电池组、开关矩阵和直流脉冲源；

其中，电池组数量大于1；每个电池组包含至少一个电池模组，电池模组具有可拆卸结构；

开关矩阵数量与电池组数量相同并具有唯一对应关系，用于在接收充电选择模组的充电指示后，导通需充电电池模组的充电回路；

直流脉冲源数量与电池组数量相同并具有唯一对应关系，用于基于系统的输出电流期望值调节对应电池组的输出电流；所有直流脉冲源的输出并联；

电源变换模组，用于将系统的充电电压调制为需充电电池模组的充电电压：

中央控制器，用于获取系统的输出电流期望值，并将系统的输出电流期望值发送至直流脉冲源；还用于获取同电池组中每一电池模组的soc值及充电电压，并将同电池组中每一电池模组的soc值发送至充电选择模组；

充电选择模组，用于基于同电池组中每一电池模组的soc值确定需充电电池模组，并向开关矩阵发送充电指示。

进一步地，系统的充电电压来源于市电电网或清洁能源电力电网。

进一步地，系统的输出电流期望值基于中央控制器与系统外部设备的bms模块进行通讯获取。

进一步地，电池模组具有独立的bms单元，soc值基于中央控制器与bms单元进行通讯获取。

进一步地，需充电电池模组的充电电压可以由中央控制器发送至电源变换模组，或者，由充电选择模组发送至电源变换模组。

进一步地，电池模组的可拆卸结构，具体是指：

电池模组的充电接口和放电接口皆采用可拆卸式的封装和结构，使电池模组可以在电池组中任意拆卸和装配。

进一步地，充电选择模组采用均衡控制算法确定需充电电池模组，均衡控制算法具体包括：

基于电池模组的soc值进行排序，选取soc值最低的电池模组为需充电电池模组；

在充电过程中重复迭代选取过程；

当所有所述电池模组的soc值都达到最大值时结束选取需充电电池模组。

第二方面，本发明公开一种充电桩设备，包括第一方面中任一项的充电储能系统。

进一步地，充电桩设备还包括：

物联网通讯系统，用于与充电储能系统的中央控制器建立通讯连接，并将充电储能系统的通讯信息发送至物联网中的其他设备。

进一步地，充电储能系统的通讯信息包括但不限于：充电指示、系统的输出电流期望值、每一电池模组的soc值及充电电压、需充电电池模组、需充电电池模组的充电电压、失效电池模组。

采用上述方案后，本发明的有益效果如下：

1、本发明的充电储能系统对同一电池组中的每一电池模组采用开关矩阵能够实现复杂且细化的串并联控制，能够在所有电芯中仅选择需要充电的电芯进行充电，从而大大降低了的充电功率，也不会对向外部电网造成负载冲击，既保护了系统设备也保护了外部电网。

2、本发明的充电储能系统的电池模组具备可拆卸的结构，因此方便更换失效电芯；系统输出是由多个直流脉冲源一同调制，因此可以根据需求调节不同的电流输出，满足多种需要。因此可以有效降低设备维护成本和改造成本。

3、本发明的充电储能系统只要随电池组数量增加配套的直流脉冲源和开关矩阵就可以实现扩容，而直流脉冲源和开关矩阵都属于价格低廉的器件，因此能够显著降低充电储能系统的改造成本，并且由于无需对入网线路进行改造，因此能够显著缩短改造的施工时间，提高使用者的满意度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的一种充电储能系统的系统框图；

图2是本发明实施例1提供的一种电池模组结构图；

图3是本发明实施例1提供的一种均衡控制算法逻辑图；

图4是本发明实施例2提供的一种充电桩设备的系统框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图和实施例对本发明实施例作详细说明。

实施例1

参见图1所示，本发明实施例1提供了一种充电储能系统，包括：电源变换模组，充电选择模组、中央控制器、电池组、开关矩阵和直流脉冲源；

其中，电池组数量大于1；每个电池组包含至少一个电池模组，电池模组具有可拆卸结构；

开关矩阵数量与电池组数量相同并具有唯一对应关系，用于在接收充电选择模组的充电指示后，导通需充电电池模组的充电回路；

直流脉冲源数量与电池组数量相同并具有唯一对应关系，用于基于系统的输出电流期望值调节对应电池组的输出电流；所有直流脉冲源的输出并联；

电源变换模组，用于将系统的充电电压调制为需充电电池模组的充电电压：

中央控制器，用于获取系统的输出电流期望值，并将系统的输出电流期望值发送至直流脉冲源；还用于获取同电池组中每一电池模组的soc值及充电电压，并将同电池组中每一电池模组的soc值发送至充电选择模组；

充电选择模组，用于基于同电池组中每一电池模组的soc值确定需充电电池模组，并向开关矩阵发送充电指示。

可以理解地，本发明实施例的系统，其核心逻辑是中央控制器获取各个电池组中每一电池模组的状态，而后将这些信息发送给控制充电选择模组，充电选择模组负责控制对应每一电池组的开关矩阵，开关矩阵负责电池组内部的电池模组充电回路导通；另一方面，中央控制器还参与控制多个直流脉冲源的直流输出，从而实现直流输出可变。

可以理解地，本发明实施例中电池组数量至少具有两组，这是因为在本发明实施例中，直流脉冲源和开关矩阵分别与电池组具有一一对应的关系；当电池组数量多于1组时，才有利于使用开关矩阵实现复杂的逻辑控制，从而对电池组中每一电池模组的充电回路实施控制。并且，基于多个直流脉冲源控制，可以实现不同大小的电流输出，满足多种输出电流需求。

可以理解地，本发明实施例中，系统的充电电压来源于市电电网或清洁能源电力电网，此处的清洁能源类型包括但不限于太阳能、风能、水力、核能等，此处不再赘述。

由此可见，本发明实施例中的系统对输入端的电力来源并不挑剔，电源变换模组可以将各类型的输入高压转化为供给电池电芯的直流低压，一般来说，电源变换模组的相关电路包括但不限于ac/dc、dc/dc等拓扑结构，此处不再赘述。

可以理解地，本发明实施例中的中央控制器可以是中央处理器，也可以是包含中央处理器及其控制电路的电子元件，此处不再赘述。

本发明实施例中的中央控制器主要具有四个作用：一是利用内部数据总线，获取每一电池模组电池状态的实时参数；二是系统充电时对充电的截止电压进行制定和监督，一般来说，这个截止电压是基于电池模组的最大充电电压获取；三是在系统放电时通过与外界充电设备的交互获取输出功率，从而计算出系统的输出参数期望值，比如输出电流；四是将上述数据通过内部数据总线发送给系统中的其他模组，完成控制功能。

具体地，系统的输出电流期望值可以基于中央控制器与系统外部设备的bms模块之间通过控制器局域网络(controllerareanetwork，can)总线通讯获取。

此处的bms是电池管理系统(batterymanagementsystem)的简称，主要用于反映设备电池的状态和充放电参数。通过外部设备的bms模块，中央控制器就可以获取外部设备的充电状态，包括soc信息和功率需求等等。

此处的soc是指stateofcharge，也即是荷电状态，该参数往往用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，可以百分数或者整数表示。举例来说，当设定soc的范围为0～100时，soc＝0常用来表示电池放电完全，soc＝100就用来表示电池完全充满。电池的soc不能直接测量，只能通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小，常用方法包括：内阻法、线性模型法、卡尔曼滤波法等等，此处不再赘述。

本发明实施例的电池模组具有独立的bms单元，使得soc值可以基于中央控制器与bms单元进行通讯获取。如图2所示的电池模组结构图，可见本发明实施例中的电池模组具有独立的封装，其结构除了bms单元还包括有电池均衡系统单元，该单元能够有效监督电芯的健康状况，并反映给中央控制器。电池模组的充电接口和放电接口皆采用可拆卸式的封装和结构，使电池模组可以在电池组中任意拆卸和装配，方便了电池模组的更换。若一个电池模组损坏，也不会干扰整个电池组的运行，从而大大延长了系统设备的使用寿命。

此处电池模组具体的结合结构，接口处可以采用卡铆、卡座等连接方式，只要能做到将电路接口安全牢固的接通即可，此处不再赘述。

可以理解地，本发明实施例中，充电选择模组采用一种均衡控制算法确定需充电电池模组，图3示出了在本发明实施例的一种可实现方式中，该均衡控制算法的具体流程，包括：

获取所有电池模组的soc值；

对soc值进行排序，并选取soc值最低的电池模组为需要充电电池模组；

在充电过程中判断所有电池模组的soc值是否达到最大值；

若没有达到则重复迭代过程；

若所有电池模组的soc值都达到最大值时结束选取。

由此可见，本发明实施例中每次只选取同电池组的一个电池模组进行充电，这样能够大大减小系统充电的输入功率，减少对电网的冲击，既保护了电网设备也保护的系统自身。并且与现有技术中对整个电池电芯进行充电的方案相比较，采用均衡方案可以大大降低电池过充的危害，延长电芯的使用寿命。

可以理解地，本发明实施例中的充电储能系统将多个直流脉冲源的直流输出汇集于系统的直流输出总线进行输出。进一步地，还可以在直流输出总线之后添加dc-ac等模组实现将直流输出转为交流输出，并配置对应的输出端口，让充电储能系统增加交流输出的输出方式，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例与现有技术相比，具有以下优越性：由图1以及上述实施例内容可知，本发明实施例的充电储能系统在输出电压保持不变的情况下，只需要增加电流就可以增大输出功率，因此只要通过增加“电池组+开关矩阵控制+直流脉冲源”的模组就可以实现快速扩容，而开关矩阵和直流脉冲源都是非常便宜的电路元器件，因此这种方案大大降低了系统扩容的改建成本；与此同时，本发明实施例的系统每次只针对电池组中的一个电池模组进行充电，而电池模组的充电电压很低，因此即使扩容多路的电池组也不会对接入的电网线路造成很大负担，这样在扩容中也无需对接入电网的线路实施改造，在降低改造成本的同时也可以缩短施工时间，具有显著的优点。在其他方面，电池模组具有独立接口和bms单元，在日常使用中可以利用中央处理器针对每一电池模组进行参数监督，在结构上也方便电池模组的维护保养，这样就能有效延长系统设备的使用寿命。

实施例2

基于前述实施例1，本发明实施例2中提供一种充电桩设备，在具有前述实施例1优点的同时，还能够加入物联网，进行数据共享。

如图4所示，该充电桩设备的结构中除了包括前述实施例1中的充电储能系统，还包括物联网通讯系统，该物联网通讯系统用于与充电储能系统的中央控制器建立通讯连接，并将充电储能系统的通讯信息发送至同物联网中的其他设备。

具体地，此处充电储能系统的通讯信息包括但不限于：充电指示、系统的输出电流期望值、每一电池模组的soc值及充电电压、需充电电池模组、需充电电池模组的充电电压、失效电池模组。

可以理解地，通过物联网方式可以实现网内信息共享，从而实现数据的存储或者监控功能。例如，当充电桩中的某个电池模组出现损坏，通过充电储能系统的中央处理器可以将该电池模组的数据发送至充电桩设备的物联网系统中，再由充电桩设备的物联网系统发送给物联网中的监督设备，监督设备可以通过警报提示信息提示工程人员前去维护保养，而由于本发明方案的电池模组具有独立的封装结构，因此可以被快速拆卸和更换新电池模组，甚至在更换时，中央控制器可以控制其他路径的电池组工作，保证充电桩设备在维护中也不断电，这可以大大提高使用者的使用体验。

可以理解地，此处的物联网可以是短距离无线通讯网，如zigbee、蓝牙、rfid等，还可以是长距离无线通讯网，如gprs/cdma、3g、4g、5g等蜂窝网络，此处不再赘述。

由此可见，本发明实施例中的充电桩设备，具有寿命长、方便扩容、易于维护的优点，与此同时，还可以借助物联网实现设备使用上对数据监督和提醒，有效保障了充电桩设备的正常使用，显著提高使用者的使用意愿和使用观感，具有良好的商业价值。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上实施例，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。