一种混合储能充电桩系统及协调控制方法

技术领域

本发明属于充电桩系统技术领域，具体涉及一种混合储能充电桩系统及协调控制方法。

背景技术

近年来新能源大规模发展成为趋势，电动汽车用户不断增加，与之伴随的是对充电桩充电方式和小区用电容量需求进一步提升，上述两点成为当前充电桩电路设计的主要导向。

针对目前家用充电桩采用的交流慢充对电动车充电方案，小区工频变压器增容困难，无法满足电动汽车短时快充需求。

目前各种储能技术因其原理和工艺的差异，有着不同的储能特性。电力储能通常分为能量型储能和功率型储能两类。以铅酸蓄电池、锂电池、钠硫电池等为代表的能量型储能，具有能量密度大、储能时间长的优点，但功率密度小、循环寿命短。以超级电容、飞轮储能、超导磁储能等为代表的功率型储能，具有功率密度大、响应速度快、循环周期寿命长的优点，但能量密度小、自放电率高。单一储能技术还无法兼顾高功率密度、高能量密度、长使用寿命、安全性等多方面的要求。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种混合储能充电桩系统及协调控制方法。

技术方案：为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合储能充电桩系统，其特征在于，所述系统包括电流电压采集模块、智能充电桩控制模块、交流慢充系统、直流快充系统和混合储能系统；所述电流电压采集模块与输入交流电网连接，实时监测交流电网负荷，智能充电桩控制模块根据电流电压采集模块提供的实时信息及交流慢充系统、直流快充系统、混合储能系统反馈信息，向可交流慢充系统、直流快充系统、混合储能系统进行交流电能分配；混合储能系统能够将直流快充系统提供的直流电进行优化分配储能，最后分配给直流快充系统。

作为优选或者具体实施方案：

所述交流慢充系统包括第一接触器和交流慢充模块，第一接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制交流电能进入交流慢充模块；交流慢充模块能够对外界电池进行充电，并且实时监测自身运行状态，将异常信息反馈给智能充电桩控制模块。

所述直流快充系统包括第二接触器、第三接触器、整流模块和直流快充模块；第二接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制交流电进入整流模块；整流模块对分配到的交流电进行滤波和整流得到直流电，同时将直流电提供给直流快充模块和混合储能系统；第三接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制直流电进入直流快充模块；直流快充模块能够对外界电池进行充电，并且实时监测自身运行状态，将异常信息反馈给智能充电桩控制模块。

所述混合储能系统包括第四接触器、混合储能协调控制系统、锂电池、超级电容和混合储能模块；第四接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制直流快充系统提供的直流电进入混合储能协调控制系统，混合储能协调控制系统对超级电容和锂电池功率优化分配，选择交流电网负荷低谷期对超级电容和锂电池进行充电，延长锂电池寿命和提升整体储能容量利用率，降低混合储能系统的费用；混合储能模块能够将超级电容和锂电池的电能分配给直流快充系统，并且实时监测自身运行状态，将异常信息反馈给智能充电桩控制模块。

本发明还提供了所述混合储能充电桩系统的协调控制方法，包括如下步骤：

（1）在混合储能系统运行控制中，首先通过高通滤波控制将混合储能系统功率P的高频波动分量和非高频波动分量分配给超级电容储能和锂电池储能；

（2）基于锂电池充放电状态进行超级电容储能 SOC调整，以优化整体调节能力；

（3）根据两种储能所处 SOC区域和充放电状态调整功率，实现过充过放保护配合；

（4）以满足功率指令为目标进行两种储能的最大充放电功率限制配合。

作为优选或者具体实施方案：

步骤（2）中所述优化整体调节能力，是在锂电池放电(

步骤（2）中所述优化整体调节能力，具体调节方法包括如下：

当

当

P

步骤（3）中所述过充过放保护配合，具体方法包括如下：

当储能系统处于过放警戒区域时，采用如式(3.1)所示的公式对输出功率进行调整， 使荷电状态处于正常区域；当储能系统处于过充警戒区域时， 采用如式(3.2)所示的公式对输出功率进行调整， 使荷电状态处于正常区域；

式(3.1)

式(3.2)

S

步骤（3）中所述最大功率限制保护配合，具体方法包括如下：

在锂电池和超级电容同时达到充电功率限值或同时达到放电功率限值时，修改混合储能系统的功率指令，按混合储能系统的最大充电功率或最大放电功率进行；若锂电池或超级电容的输出功率越限时，则固定在限值处，越限部分由另一储能分担；若输出功率均在最大充放电功率限制范围内，则不进行调整。

本发明最后提供了所述混合储能充电桩系统的控制运行方法，包括用户自行选择交流慢充、直流快充；

（1）如果选择交流慢充，若电网负荷处于高峰期，第一接触器闭合，第二接触器、第三接触器和第四接触器断开，电动车交流慢充；

（2）如果选择交流慢充：若电网负荷低谷期，混合储能未充足，第一接触器、第二接触器、第四接触器闭合，第三接触器断开，电动车交流慢充、混合储能系统充电；

（3）如果选择交流慢充：若电网负荷低谷期，混合储能充足，第一接触器闭合，第二接触器、第三接触器、第四接触器断开，电动车交流慢充；

（4）如果选择直流快充，若电网负荷处于高峰期，第二接触器、第三接触器闭合、第一接触器、第四接触器断开，电动车直流快充；

（5）如果选择直流快充，若电网负荷处于低谷期，混合储能未充足，第二接触器、第三接触器、第四接触器闭合、第一接触器断开，电动车直流快充、混合储能系统充电；

（6）如果选择直流快充，若电网负荷处于低谷期，混合储能充足，第二接触器、第三接触器闭合、第一接触器、第四接触器断开，电动车直流快充；

（7）电动汽车未充电时，混合储能充足，第一接触器、第二接触器、第三接触器、第四接触器全部断开；

（8）电动汽车未充电时，混合储能不充足，第二接触器、第四接触器闭合、第一接触器、第三接触器断开，混合储能充电。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过控制系统选取不同充电方式，适用用户不同充电需求。经混合储能模块实现对电动车的快速充电，解决了小区工频变压器增容困难，短时快充问题，并缓解用电高峰时段的电网负荷。同时配备混合储能协调控制系统，实时进行锂电池与超级电容负荷之间调配，提高混合储能系统整体性能，以延长储能系统的使用寿命。通过锂电池储能，实现能量密度大、储能时间长的优点；通过超级电容储能，实现功率密度大、响应速度快、循环周期寿命长的优点。综合解决了单一储能技术无法兼顾高功率密度、高能量密度、长使用寿命、安全性等问题。

附图说明

图1为本发明充电桩系统结构框图。

图2为本发明混合储能协调控制系统流程图。

图3为本发明优化整体调节能力的协调控制示意图。

图4为本发明储能系统负荷状态图。

图5为本发明混合储能系统协调控制策略的整体控制流程图。

图6为本发明充电桩系统控制运行图。

实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业的常规条件。本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例

一种家用混合储能充电桩系统，如图1所示，包括电流电压采集模块、智能充电桩控制模块、交流慢充系统、直流快充系统和混合储能系统，具体组成如下：

电流电压采集模块与输入交流电网连接，实时监测交流电网负荷，若交流电网负荷超过额定负荷，则断开与交流电网的连接。

智能充电桩控制模块根据电流电压采集模块提供的实时信息及交流慢充系统、直流快充系统、混合储能系统反馈信息，向交流慢充系统、直流快充系统、混合储能系统进行交流电能分配；混合储能系统能够将直流快充系统提供的直流电进行优化分配储能，最后分配给直流快充系统。

交流慢充系统包括第一接触器和交流慢充模块，若选择交流慢充，则交流电能分配给交流慢充系统；第一接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制交流电能进入交流慢充模块；交流慢充模块能够对外界电池进行充电，并且实时监测自身运行状态，将异常信息反馈给智能充电桩控制模块。

直流快充系统包括第二接触器、第三接触器、整流模块和直流快充模块；第二接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制交流电进入整流模块；整流模块对分配到的交流电进行滤波和整流得到直流电，同时将直流电提供给直流快充模块和混合储能系统中的混合储能协调控制系统；第三接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制直流电进入直流快充模块；直流快充模块能够对外界电池进行充电，并且实时监测自身运行状态，将异常信息反馈给智能充电桩控制模块。

混合储能系统包括第四接触器、混合储能协调控制系统、锂电池、超级电容和混合储能模块；第四接触器通过智能充电桩控制模块进行线圈吸合控制，控制流模块提供的直流电进入混合储能协调控制系统，混合储能协调控制系统对超级电容和锂电池功率优化分配，选择交流电网负荷低谷期对超级电容和锂电池进行充电，延长锂电池寿命和提升整体储能容量利用率，降低混合储能系统的费用；混合储能模块能够将超级电容和锂电池的电能分配给直流快充系统中的直流快充模块，并且实时监测自身运行状态，将异常信息反馈给智能充电桩控制模块。

上述混合储能充电桩系统中，智能充电桩控制模块选用兆芯KX-6640MA处理器。整流模块采用桥式整流电路将交流输入整流为直流输出，在通过DC-DC 全桥功率转换输出。电流电压采集模块采用 LM358 差分运放，经过分压电阻组成的分压电路进行采样，输入电压是输出电压的15倍，分压电阻采用的是精密电阻，根据采样的电压值计算出流过的电流，通过控制器的 A/D 模数转换为数字量，再进行均值滤波处理，实现电流值的采样。交流慢充模块、直流快充模块、混合储能模块均采用PF6000功率监测仪监测各充电模块运行状态。

上述混合储能充电桩系统的协调控制方法，如图2所示，包括如下：

（1）在混合储能系统运行控制中，首先通过高通滤波控制将混合储能系统功率P的高频波动分量和非高频波动分量分配给超级电容储能和锂电池储能；

（2）然后基于锂电池充放电状态进行超级电容储能 SOC调整，以优化整体调节能力；

（3）再根据两种储能所处 SOC区域和充放电状态调整功率，实现过充过放保护配合；

（4）最后，以满足功率指令为目标进行两种储能的最大充放电功率限制配合。

进一步的，具体方法如下所述。

优化整体调节：

在锂电池放电(

S

当

当

P

过充过放保护配合：

如图4所示，当储能系统处于过放警戒区域时，采用如式(3.1)所示的公式对输出功率进行调整， 使荷电状态处于正常区域；当储能系统处于过充警戒区域时，采用如式(3.2)所示的公式对输出功率进行调整，使荷电状态处于正常区域。

式(3.1)

式(3.2)

S

最大功率限制保护配合：

在锂电池储能系统和超级电容储能系统同时达到充电功率限值或同时达到放电功率限值时，修改混合储能系统的功率指令，按混合储能系统的最大充电功率或最大放电功率进行。若锂电池或超级电容的输出功率越限时，则固定在限值处，越限部分由另一储能分担；若输出功率均在最大充放电功率限制范围内，则不进行调整。

综上，本发明混合储能系统协调控制策略的整体控制流程图，如图5所示。

上述混合储能充电桩系统的控制运行方法，如图6所示，包括用户自行选择交流慢充、直流快充；

（1）如果选择交流慢充，若电网负荷处于高峰期，第一接触器闭合，第二接触器、第三接触器和第四接触器断开，电动车交流慢充；

（2）如果选择交流慢充：若电网负荷低谷期，混合储能未充足，第一接触器、第二接触器、第四接触器闭合，第三接触器断开，电动车交流慢充、混合储能系统充电；

（3）如果选择交流慢充：若电网负荷低谷期，混合储能充足，第一接触器闭合，第二接触器、第三接触器、第四接触器断开，电动车交流慢充；

（4）如果选择直流快充，若电网负荷处于高峰期，第二接触器、第三接触器闭合、第一接触器、第四接触器断开，电动车直流快充；

（5）如果选择直流快充，若电网负荷处于低谷期，混合储能未充足，第二接触器、第三接触器、第四接触器闭合、第一接触器断开，电动车直流快充、混合储能系统充电；

（6）如果选择直流快充，若电网负荷处于低谷期，混合储能充足，第二接触器、第三接触器闭合、第一接触器、第四接触器断开，电动车直流快充；

（7）电动汽车未充电时，混合储能充足，第一接触器、第二接触器、第三接触器、第四接触器全部断开；

（8）电动汽车未充电时，混合储能不充足，第二接触器、第四接触器闭合、第一接触器、第三接触器断开，混合储能充电。

本发明提供了一种思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。