一种储能充电换电系统

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种储能充电换电系统。

背景技术

随着科技的发展，新能源电动汽车作为一种清洁能源使用的典范，逐渐成为汽车工业和能源发展的重点，也逐步成为人类日常生活中比较重要的组成部分。

目前储能充电换电系统，储能电池和动力电池均连接至直流母线上，而为了保证直流母线电压的稳定性，直流母线的电压时恒定不变的，使得在储能电池向动力电池充电的过程中，需要通过多级DC/DC转换单元(例如：储能电池与双向DC/DC转换单元连接后，由双向DC/DC转换单元与直流母线连接，直流母线与DC/DC转换单元连接后，DC/DC转换单元再与动力电池连接)、实现储能电池的输出电压与动力电池充电需求匹配的要求。由于储能电池和动力电池需要通过直流母线进行连接，因此在储能电池向多个动力电池充电时，需要经过多次能量转换，降低了储能充电换电系统的充电效率，增加了使用成本和使用空间。此外，由于充换电系统无法按照峰谷电的规律向新能源电动汽车供电，因此往往存在于峰电时间段内向动力电池供电，从而导致用电成本较高的问题。

由此可见，如何提高储能充电换电系统的充电效率、降低储能充电换电系统的使用成本和使用空间是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种储能充电换电系统，用以提高储能充电换电系统的充电效率、降低储能充电换电系统的使用成本和使用空间。

为解决上述技术问题，本申请提供一种储能充电换电系统，包括：与电网连接的第一开关单元，与所述第一开关单元连接的电压转换单元，与所述电压转换单元连接的第二开关单元，分别与所述第二开关单元连接的储能电池和动力电池，分别与所述第一开关单元和所述第二开关单元连接的控制单元；

所述控制单元，用于在第一预设时间段控制所述第一开关单元和所述第二开关单元使电网经过所述电压转换单元为所述储能电池充电，在第二预设时间段控制所述第一开关单元和所述第二开关单元使所述储能电池经过所述电压转换单元为所述动力电池充电；所述控制单元，还用于通过所述第二开关单元实现所述储能电池中储能电池包间的串联与并联；

所述电压转换单元，用于在电网为所述储能电池充电的情况下，其输出能够满足所述储能电池充电需求的直流电，在所述储能电池为所述动力电池充电的情况下，将所述储能电池的输出转化为能够满足所述动力电池充电需求的直流电。

优选的，所述控制单元，还用于在所述储能电池不满足预设条件的情况下，控制所述第一开关单元和第二开关单元使电网通过所述电压转换单元为所述动力电池充电；

其中，所述预设条件具体为所述储能电池正常工作或所述储能电池的电量满足所述动力电池的需求电量。

优选的，所述第二开关单元包括：与所述动力电池和所述电压转换单元连接的动力电池开关组，以及与所述储能电池和所述电压转换单元连接的可控开关阵列；

所述控制单元，用于在所述第一预设时间段内控制所述第一开关单元闭合、所述动力电池开关组断开、所述可控开关阵列使所述储能电池中各储能电池包之间并联或串联，在所述第二预设时间段内控制所述第一开关单元断开、所述动力电池开关组闭合、所述可控开关阵列使各所述储能电池包之间并联或串联。

优选的，所述可控开关阵列包括：第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组和第五开关组，所述第一开关组中各开关的第一端相互连接后与所述电压转换单元的输出端连接，所述第一开关组中各开关的第二端与各所述储能电池包一一对应连接，所述第二开关组中各开关的第一端与各所述储能电池包一一对应连接，所述第二开关组中各开关的第二端相互连接后与所述电压转换单元的输出端连接，所述第三开关组和所述第四开关组中各开关的第一端与各所述储能电池包一一对应连接，所述第三开关组和所述第四开关组中各开关的第二端相互连接后与所述电压转换单元的输入端连接，所述第五开关组中各开关的第一端与所述第三开关组中各开关的第一端对应连接，所述第五开关组中各开关的第二端分别与各所述储能电池包和所述第四开关组中各开关的第一端一一对应连接。

优选的，在电网为所述储能电池充电的情况下，各所述储能电池包之间并联或串联连接，在所述储能电池为所述动力电池充电的情况下，各所述储能电池包之间并联或串联连接。

优选的，所述电压转换单元为两级电路，前级为AC/DC转换电路，后级为DC/DC转换电路。

优选的，所述AC/DC转换电路为VIENNA电路。

优选的，所述AC/DC转换电路为整流桥与连接在所述整流桥后的Boost电路。

优选的，所述DC/DC转换电路为隔离DC/DC电路或非隔离DC/DC电路。

优选的，所述第一预设时间段为谷电时间段，所述第二预设时间段为非谷电时间段。

本申请所提供的储能充电换电系统，与电网连接的第一开关单元，与第一开关单元连接的电压转换单元，与电压转换单元连接的第二开关单元，分别与第二开关单元连接的储能电池和动力电池，分别与第一开关单元和第二开关单元连接的控制单元，其中控制单元用于在第一预设时间段使电网经过电压转换单元为储能电池充电，在第二预设时间段使储能电池经过电压转换单元为动力电池充电。由于储能电池和动力电池通过电压转换单元连接，因此在储能电池为动力电池充电过程中，电压转换单元经过一次能量转换即可实现储能电池和动力电池之间能量转换，无需多级DC/DC转换单元经过多次能量转换，提高了储能充电换电系统的充电效率、降低了储能充电换电系统的使用成本和使用空间。此外，由于控制单元能够控制储能电池在第一预设时间段内进行充电，并在第二预设时间段内通过储能电池向动力电池供电，因此充换电系统能够选择在第一预设时间段内将电网的电压存储至储能电池中，而在第二预设时间段内由储能电池进行供电，从而降低了充换电系统的用电成本。

同时本申请中的电压转换单元集成了AC/DC转换电路与DC/DC转换电路，电网能量经过电压转换单元转换即可为储能电池与动力电池充电，同时储能电池也可以通过该电压转换单元为电动车动力电池充电。此种设计有助于提升系统效率。和现有技术相比，每个充电电池单元可以节省两套DC/DC电路，成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例提供的一种储能充电换电系统的电路图；

图2为本申请实施例提供的一种电压转换单元的电路图；

图3为本申请实施例提供的另一种电压转换单元的电路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

本申请的核心是提供一种储能充电换电系统，用以提高储能充电换电系统的充电效率、降低储能充电换电系统的使用成本和使用空间。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种储能充电换电系统的电路图。如图1所示，储能充电换电系统包括：与电网连接的第一开关单元10，与第一开关单元10连接的电压转换单元11，与电压转换单元11连接的第二开关单元12，分别与第二开关单元12连接的储能电池13和动力电池15，分别与第一开关单元10和第二开关单元12连接的控制单元14。

控制单元14，用于在第一预设时间段控制第一开关单元10和第二开关单元12使电网经过电压转换单元11为储能电池13充电，在第二预设时间段控制第一开关单元10和第二开关单元12使储能电池13经过电压转换单元11为动力电池15充电；控制单元14，还用于通过第二开关单元12实现储能电池13中储能电池包间的串联与并联。

电压转换单元11，用于在电网为储能电池13充电的情况下，其输出能够满足储能电池13充电需求的直流电，在储能电池13为动力电池15充电的情况下，将储能电池13的输出转化为能够满足动力电池15充电需求的直流电。

需要说明的是，在换电站中，动力电池15指为电动车快速更换的换电电池；在充电站中，动力电池15指电动车中的电池。此外，储能电池13可以是单独购买的全新电池，也可以是电动车退役的动力电池15。

在具体实施中，电压转换单元11是按以时间为变量的充电曲线将电网的输入信号转化为储能电池13和/或动力电池15的输入信号。

在具体实施中，电压转换单元11是将电网的输入信号转化为满足电池设备管理系统(Battery Management System，BMS)的要求的储能电池13和/或动力电池15的输入信号。电压转换单元11为电路耦合，前级为AC/DC转换电路，后级为DC/DC转换电路。

其中，DC/DC转换电路可以为隔离DC/DC电路，也可以为非隔离DC/DC电路；AC/DC转换电路可以为三相三电平(VIENNA)电路，也可以为整流桥与升压(Boost)电路的连接电路或其它AC/DC转换电路。第一预设时间段具体为谷电时间段，第二预设时间段具体为非谷电时间段，也即，市政所规定的谷电时间段与非谷电时间段。能够想到的是，当市政规定发生变化时，谷电时间段和非谷电时间段就会随之发生改变。

图2为本申请实施例提供的一种电压转换单元的电路图。如图2所示，电压转换单元11包含有Boost电路30和隔离DC/DC电路31，Boost电路30的输入端与电网的三相电路分别连接，Boost电路30的输出端分别与隔离DC/DC电路31的输入端连接。其中，Boost电路30由二极管组、电感、电容和可控开关组成。

图3为本申请实施例提供的另一种电压转换单元的电路图。如图3所示，电压转换单元11包含有VIENNA电路32和非隔离DC/DC电路33，VIENNA电路32的输入端与电网的三相电路分别连接，VIENNA电路32的输出端分别与非隔离DC/DC电路33的输入端连接。其中，VIENNA电路32由电感、二极管组、开关管组和电容组成。

本申请实施例所提供的储能充电换电系统，与电网连接的第一开关单元，与第一开关单元连接的电压转换单元，与电压转换单元连接的第二开关单元，分别与第二开关单元连接的储能电池和动力电池，分别与第一开关单元和第二开关单元连接的控制单元，其中控制单元用于在第一预设时间段使电网经过电压转换单元为储能电池充电，在第二预设时间段使储能电池经过电压转换单元为动力电池充电。由于储能电池和动力电池通过电压转换单元连接，在储能电池为动力电池充电过程中，电压转换单元经过一次能量转换即可实现储能电池和动力电池之间能量转换，无需多级DC/DC转换单元经过多次能量转换，提高了储能充电换电系统的充电效率、降低了储能充电换电系统的使用成本和使用空间。此外，由于控制单元能够控制储能电池在第一预设时间段进行充电，并在第二预设时间段通过储能电池向动力电池供电，因此充换电系统能够选择在第一预设时间段将电网的电压存储至储能电池中，而在第二预设时间段由储能电池进行供电，从而降低了充换电系统的用电成本。

同时本申请中的电压转换单元集成了AC/DC转换电路与DC/DC转换电路，电网能量经过电压转换单元转换即可为储能电池与动力电池充电，同时储能电池也可以通过该电压转换单元为电动车动力电池充电。此种设计有助于提升系统效率。和现有技术相比，每个充电电池单元可以节省两套DC/DC电路，成本更低。

在上述实施例的基础上，控制单元14还用于在储能电池13不满足预设条件的情况下，通过第一开关单元10和第二开关单元12控制电网为动力电池15充电。

其中，预设条件为储能电池13正常工作或储能电池13的电量满足动力电池15的需求电量。

可以理解的是，当储能电池13的电量无法满足给动力电池15充电的需求，或者储能电池13工作异常时，控制单元14还可以通过控制第一开关单元10和第二开关单元12使电网通过电压转换单元11向动力电池15充电，以保证动力电池15能够正常的进行充电，从而保证了用户的使用体验感。

如图1所示，在上述实施例的基础上，第二开关单元12包括：与动力电池15和电压转换单元11连接的动力电池开关组20，以及与储能电池13和电压转换单元11连接的可控开关阵列。

控制单元14，用于在第一预设时间段控制第一开关单元10闭合、动力电池开关组20断开、可控开关阵列使储能电池13中各储能电池包之间并联或串联，在第二预设时间段控制第一开关单元10断开、动力电池开关组20闭合、可控开关阵列使各储能电池包之间并联或串联。

作为优选的实施例，在具体实施中，在电网为储能电池13充电的情况下，各储能电池包之间并联或串联连接，在储能电池13为动力电池15充电的情况下，各储能电池包之间并联或串联连接。由于在电网为储能电池13充电或储能电池13为动力电池15充电的情况下，各储能电池包之间的连接关系不做限制，因此提高了储能充电换电系统的灵活性。

为了提高储能充换电系统的工作效率，作为优选的实施例，控制单元14还用于在储能电池13为动力电池15充电的情况下，按预设参数选择与动力电池15最匹配的目标储能电池包，并通过可控开关阵列中与目标储能电池包对应的开关控制目标储能电池包为动力电池15充电。

需要说明的是，预设参数为储能电池13的电压、动力电池15的电压、储能电池13的放电电流以及储能电池13的电池容量中的一个或多个。

此外为了进一步提高储能充换电系统的工作效率，在储能电池13向动力电池15充电的过程中，控制单元14还用于在目标储能电池13不符合预设要求的情况下，重新按预设参数选择与动力电池15最匹配的目标储能电池包。

如图1所示，作为优选的实施例，可控开关阵列包括：第一开关组21、第二开关组22、第三开关组23、第四开关组24和第五开关组25。

第一开关组21中各开关的第一端相互连接后与电压转换单元11的输出端连接，第一开关组21中各开关的第二端与各储能电池包一一对应连接，第二开关组22中各开关的第一端与各储能电池包一一对应连接，第二开关组22中各开关的第二端相互连接后与电压转换单元11的输出端连接，第三开关组23和第四开关组24中各开关的第一端与各储能电池包一一对应连接，第三开关组23和第四开关组24中各开关的第二端相互连接后与电压转换单元11的输入端连接，第五开关组25中各开关的第一端与第三开关组23中各开关的第一端对应连接，第五开关组25中各开关的第二端分别与各储能电池包和第四开关组24中各开关的第一端一一对应连接。

则，控制单元14控制可控开关阵列使储能电池13中各储能电池包之间并联或串联具体为：

控制第一开关组21、第二开关组22、第三开关组23、第四开关组24闭合，第五开关组25断开或控制第一开关组21和第二开关组22闭合，第三开关组23、第四开关组24和第五开关组25断开，使各储能电池包之间并联连接。控制第一开关组21和第二开关组22中开关断开、第三开关组23和第四开关组24断开，第五开关组25闭合，使各储能电池包之间串联连接。例如，储能电池包含有四个储能电池包，第一开关组21包含有四个开关，第二开关组22包含有四个开关，第一开关组21从左至右记为第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，第二开关组22的开关从左至右记为第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，第三开关组23的开关从上至下记为第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，第四开关组24的开关从上至下记为第一开关、第二开关、第三开关和第四开关。

则，电网通过电压转换单元为储能电池充电时：

1、第一开关单元10闭合，第一开关组21与第二开关组22中开关闭合，第二开关单元12中其余开关断开，其余开关则实现储能电池包并联充电。

2、第一开关单元10闭合，第一开关组21中第一开关闭合，第二开关组22中第四开关闭合，第五开关组25中所有开关闭合，第二开关单元12中其余开关断开，则实现储能电池包串联充电。

储能电池为动力电池放电时：

1、第一开关单元10断开，动力电池开关组20闭合，第三开关组23与第四开关组24闭合，第二开关单元12中其余开关断开，则实现储能电池包的并联放电。

2、第一开关单元10断开，动力电池开关组20闭合，第三开关组23中第一开关闭合，第四开关组24中第四开关闭合，第五开关组25闭合，则实现储能电池包的串联放电。

需要说明的是，上述可控开关阵列的具体结构因为一种表现形式，不代表仅有一种表现形式。

本申请实施例所提供的储能充电换电系统，通过可控开关阵列能够使得储能电池在充电或者放电过程中，按照用户的需求进行串联或并联的连接，提高了储能充电换电系统的灵活性。

在上述实施例的基础上，动力电池15的个数为n个(其中n为正整数)，其中，电压转换单元11的个数可以与动力电池15的个数匹配。在电压转换单元11的个数与动力电池15的个数匹配的情况下，动力电池开关组20的个数与动力电池15的个数匹配且与各动力电池15对应连接。

以上对本申请所提供的一种储能充电换电系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。