CN106314172A - 一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩 - Google Patents

Abstract

一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，包括主MCU单元，且该主MCU单元通过总数据线分布连接有读卡单元、三相充电回路单元、输入单元、显示单元、计量单元、电磁仓单元、语音引导单元、备用电源单元、防雷漏电单元、通讯单元、倾角检测单元，所述三相充电回路单元接入三相电网，所述三相电网连接有无功补偿装置。与现有技术相比，本发明的备用电源单元可有效的使充电桩进行正常工作，维护了充电的完整性，同时，当再次来电时，可对备用电源单元进行循环充电，以延长备用电源单元与车载电池寿命；且采用的无功补偿装置，使电网及时达到平衡状态，大大降低了无功功率的消耗，而且降低了传统补偿设备的高成本，也提高了充电效率以及电能利用率。

Description

一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩

技术领域

本发明涉及交流充电桩三相电补偿设备技术领域，特别涉及一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩。

背景技术

汽车曾被誉为改变世界的机器，在给我们带来快捷交通方式的同时，也产生了能源安全、环境污染和全球气候变暖等一系列问题。目前，节能减排已成为全球汽车产业的首要任务，发展新能源汽车已成为全球汽车工业的战略方向，新能源汽车有望成为再次改变世界的机器。

电动汽车作为新能源开发的突出代表，已经成为取代传统动力汽车、引领汽车行业新时代的重要发展方向。当下，世界汽车行业正积极投身于电动汽车的开发和推广过程中，各国政府和企业在电动汽车领域投入了大量人力、物力和财力。中国在三纵三横研发布局的政策引导下，电动汽车事业发展也十分迅速。

电池和充电技术是电动汽车开发的瓶颈，其商业开发及其运营方式在某种意义上决定了电动汽车的推广程度和商业化的空间。同时，充电站也是新能源汽车时代的先声。在新能源政策支持下，预计2011-2015年我国年均新能源汽车需求量将达到35万辆，2015年需求量将达97万辆。作为新能源汽车的基础设施，电动汽车充电站有望先于新能源汽车市场爆发。

交流充电桩作为电动汽车的运行提供能源补给，是电动汽车发展所必须的重要配套基础设施。

交流充电桩对具有车载充电机的电动乘用车辆提供交流充电电源，交流充电桩一般建设在停车场或路边，具有功率较小、占地面积不大，建设容易，布点灵活、一次性投入小等特点。虽然建设单个交流充电桩很简单，但交流充电桩要形成网络才能满足电动汽车普及的需要。

但整个充电设施行业也处于起步及技术摸索阶段，目前市面上的交流充电桩从外观结构、电气设计、控制机理都存大很大的改进空间。尤其是三相充电回路单元连接的三相电网，现有的充电桩几乎都是单相负载，且用户的用电具有不同时性，这使得配变***极易出现三相不平衡的情形，且不平衡度严重超标，不平衡度过高达到34％，同时使得无功功率居高不下，造成严重的电力浪费。

现有的充电桩低压配电***普通采用的是投切电容器，其存在补偿台阶，极易出现过补或者欠补，补偿效果差。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，能够对现有的充电桩所连接的配电端出现的不平衡进行补偿，使各相电流或者电压基本达到平衡状态，以使其无功功率明显降低，提高充电效率以及电能利用率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，包括主MCU单元，且该主MCU单元通过总数据线分布连接有读卡单元、三相充电回路单元、输入单元、显示单元、计量单元、电磁仓单元、语音引导单元、备用电源单元、防雷漏电单元、通讯单元、倾角检测单元，所述读卡单元、充电回路单元、输入单元、显示单元、计量单元、电磁仓单元、语音引导单元、备用电源单元、防雷漏电单元、通讯单元、倾角检测单元分别与主MCU单元连接，所述的显示单元包括操作显示模块和设备状态显示模块，所述三相充电回路单元接入三相电网，所述三相电网连接有无功补偿装置。

优选地，所述无功补偿装置包括

控制器；

信号采集器，电连接于电网的三相母线，检测三相母线的电压/电流信号，并通讯连接于所述控制器；

IGBT驱动，电性连接于所述控制器并由其驱动；

两串联的链节，每个链节均包括有两个以上并联的逆变电路以及末端与各逆变电路并联的直流电容；

三相母线分别通过一连接线路连接至两链节之间的串联线路，各相线路中均包括有串联的电抗器与断路器。

优选地，无功补偿装置还包括有三避雷器，分别电性连接于各所述断路器与各所述电抗器之间的线路。

优选地，所述控制器、所述IGBT驱动、各所述电抗器以及各所述链节封装于一个SPC柜体内，形成一SPC模块。

优选地，其特征在于，所述SPC柜体设置有XA～XN多个接线端子，以与各相母线电性连接。

优选地，所述信号采集器通过无线或有线的方式通讯连接于所述控制器。

优选地，所述的备用电源单元包括充电电路子单元、放电电路子单元与12V/5A的铅酸电池。

优选地，通讯单元包括上行通讯单元和下行通讯单元，所述交流充电桩通过上行通讯单元与后台监控***进行通讯，所述交流充电桩通过下行通讯单元与车载充电机进行通讯。

优选地，所述的上行通讯单元包括以太网、GPRS/CDMA、RS232、红外中的一种或多种。

优选地，所述的下行通讯单元包括PWM信号总线、CAN总线、RS485之间的一种或多种。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，备用电源单元可有效的使充电桩进行正常工作24小时，维护了充电的完整性，减少因停电引发的充电投诉，同时，当再次来电时，可对备用电源单元进行循环充电，以延长备用电源单元与车载电池寿命；另外它还解决了原来金属键盘防水、与充电桩整机衔接的问题、充电桩人机交互防水问题、以及键盘使用寿命的问题；且采用的无功补偿装置，使电网及时达到平衡状态，大大降低了无功功率的消耗，而且降低了传统补偿设备的高成本，同时提高了充电效率以及电能利用率。

附图说明

图1为本发明基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩的电路框图；

图2是本发明的封装后的连接示意图；

图3是本发明的电流补偿原理示意图；

图4为本发明的电压支撑原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

如图1所示，一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，包括主MCU单元，且该主MCU单元通过总数据线分布连接有读卡单元、三相充电回路单元、输入单元、显示单元、计量单元、电磁仓单元、语音引导单元、备用电源单元、防雷漏电单元、通讯单元、倾角检测单元，所述读卡单元、充电回路单元、输入单元、显示单元、计量单元、电磁仓单元、语音引导单元、备用电源单元、防雷漏电单元、通讯单元、倾角检测单元分别与主MCU单元连接，所述的显示单元包括操作显示模块和设备状态显示模块，所述三相充电回路单元接入三相电网，所述三相电网连接有无功补偿装置。

下面分别介绍充电桩各单元的组成与功能：

读卡单元：兼容各种接触及非接触式IC卡，有效的对用户卡进行读写，将用户信息反馈给充电机充主MCU；

输入单元：“电容式触摸感应式键盘”置于亚克力面板后面，通过触摸亚克力面板，有效的将人机交互的信息传送到充电桩主MCU；

电磁仓单元：电磁仓主要是用于连接充电插头，并确认充电插头是否完全连接，并且在整个充电的过程中，将仓门闭锁，以确保整个充电过程的安全，同时防止充电枪被人盗走；

语音引导单元：根据整个充电过程，对任何一个阶段的工作进行语音引导，以便用户更简便的完成整个充电过程；

显示单元：主要由一个7寸液晶屏，三个“运行”、“充电”、“故障”指示灯构成，显示充电记录、报警信息、电池信息、***信息、蓄电池的电量。也可以设置设备参数、单价。指示灯在充电时：“运行”、“充电”指示灯会常亮，液晶屏幕上显示“正在充电”。待机时：“运行”指示灯会常亮；液晶屏幕上显示“待机”。故障状态：“故障”指示灯会常亮，液晶屏幕上显示“故障”；

计量单元：根据现行的时段费率，对用户的充电电量进行准确计量，同时将用电量进行计算；

存储单元：本地固态存储器高达32M，将用户信息，充电信息、电动汽车的各项参数进行本地保存，可保存3个月以上的用户有效数据；

充电回路单元：主要用于强电的分合；

防雷漏电单元：包含两大块：一是防雷模块，另一方面漏电模块；由于充电桩大多安装在户外，当电源线遭受雷击后，防雷模块装电源进线处，防雷模块的作用是用来保护电力***中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。防雷模块是在感应到线路上高压后瞬间把线路和“地”联通，泄放雷电流的。达到保护充电桩的目的。漏电模块，当被保护的线路的相线直接或者通过非预期负载对大地接通，而产生近似正弦波并且其有效值是缓慢变化的剩余电流，当该电流大于一定数值时，漏电保护器切断该线路，漏电保护器在实现时，可以采用零序电流互感器，其作用是反映漏电电流信号，故构成整个漏电保护器的检测部分；还有用于测量放大漏电电流信号部分，构成漏电保护器的比较、控制部分；可以采用交流接触器构成漏电保护的执行部分。在当充电桩发生漏电时，快速与电源分离，确保人身及整个用电环境的安全；

备用电源单元：包含充电电路、放电电路、12V/5A的铅酸电池，在供电状态，充电电路对220V电路进行降压、整流，同时判断电池的电压，如果欠压，则对其进行充电；当充电桩处于停电状态，铅酸电池能通过放电电路对整个充电桩进行供电，目前铅酸电池的容量能确保充电桩24小时内能刷卡结算，从电磁仓取出充电电缆；

通讯单元：通讯模块包含上行：以太网、GPRS/CDMA、RS232、红外；下行包含CAN、RS485；下行采用RS485与电能表连接；交流充电桩通过CAN总线与车载充电机进行通讯，通过CAN通讯握手的方式判断充电机是否与交流充电桩正确连接，如未正确连接，则无法启动充电过程；获得蓄电池的相关参数信息，如蓄电池电压、剩余电量、电池温度等。交流充电桩上行可以通过GPRS/CDMA或以太网与后台监控***通讯，将充电信息上传给主站，以便于主站对整个充电***进行管理。

倾角检测单元：充电桩内部有倾角检测设计，当充电桩因为被车辆碰撞，发生角度倾斜时，能自动切断主电源回路，以保护人生及整个用电环境的安全。

主MCU：采用32位RISC芯片，通过CAN总线、485总线、以太网进行数据的采集，传输的数据和采集的数据作出判断，并根据准照标准协议进行与后台保持网络的连接承担起通讯管理功能。根据要求控制***协条处理所有模块任务。

无功补偿装置：如图2所示，其主要由控制器1、信号采集器2、IGBT驱动3以及两个链式结构所组成的SVG模块所组成。

所述控制器1为控制运算中心，其内部具有DSP数字信号处理芯片以及PWM信号发生器，并且支持远程数据传输功能，该功能由485通讯接口来完成。

所述IGBT驱动3能够输出足够大的推/挽电流，以足够快地对IGBT门极电容充放电，以足够快地开通或者关闭IGBT，这种调频响应的开关特性可实现对电压或者电流的实时补偿。

所述的信号采集器2可以采集三相母线端的电压或者电流信号，并通过无线或者有线的方式将采集的电压信号或者电流信号传递至所述控制器1内控DSP计算分析，然后根据所述控制器1的设置来控制PWM信号发生器发出控制信号给IGBT使逆变电路产生满足要求的无功补偿电流。

当所述信号采集器2为采集三相母线端的电流信号的CT(电流互感器)时，为以下工作过程：

如图3所示，CT(电流互感器)用于检测电网与不平衡负载之间的三相母线上的电流信号，如初始状态下检测到的三相母线之间的电流分为5A、10A、15A，CT将检测到的各相电流信号发送给所述控制器1进行处理分析，并根据控制器1设定的数值来判断***是否处于不平衡状态，同时计算出达到平衡状态时各相母线所需转换的电流值，然后通过所述控制器1内的PWM信号发生器将驱动信号发送给所述IGBT驱动并使其开始动作，将三相母线上的不平衡电流从电流大的相转移到电流小的相(如图2中箭头指示的电流方向)，最终使三相均达到设定值的平衡状态。

当所述信号采集器2为采集三相母线端的电压信号时，其工作过程如下：

如图4所示，与三相母线连接的连接线路6与各相母线的连接节点处分别为一补偿点，在各补偿点处设置一能够检测电压信号的信号采集器2，在对补偿点的电压进行采样后，所述信号采集器2将电压信息传递给所述控制器1，所述控制器1经由内部的DSP数字信号处理芯片处理后判断各补偿点的电压信号是否超过或者小于设定值，当检测到的电压信号超过调压上限时，所述控制器1驱动所述IGBT使由各逆变电路组成的SVG模块输出感性电流，从而降低电压；当检测到的电压信号低压调压下限时，所述控制器1驱动所述IGBT使由各逆变电路组成的SVG模块输出容性电流(如图3中箭头指示方向，为容性电流输出方向)，当需要输出容性电流时，可以专门设置备用电压补偿线11与所述母线连接，以提升该相母线上的电压，最终使各相电压稳定在正常范围内。

所述控制器1、所述IGBT驱动3、各所述电抗器7以及各所述由逆变电路4和直流电容5组成的链节封装于一个SPC柜体8内，形成一SPC模块9，在所述SPC柜体8上设置有多个接线端子901，各接线端子901分别与各所述电抗器7的外侧电性连接，并通过各所述接线端子901可以方便地与所述电网的三相母线电性连接。

结合图4所示，所述SPC柜体901设置有XA、XB、XC以及XN等多个接线端子，其中的XA、XB、XC接线端子901可与三相母线的各火线电性连接，其中的XN可与电网的零线连接，还可设置一PE接线端子，用于接地。

进一步地，为保证本发明的稳定性，在三相母线与各电抗器7之间设置有避雷器10，其一端与各相母线电连接，另一端为公共接地端，还包括有三避雷器，分别电性连接于各所述断路器与各所述电抗器之间的线路。

应用本无功补偿装置后，针对充电桩的用电电网，在安装本无功补偿装置前三相电流不平衡严重，不平衡电流约为50A，零线电流达到44A；补偿后三相电流基本平衡，不平衡电流约为2A，零线电流下降至15A，不平衡度由34％降到1％。

该交流充电桩所包括备用电源单元工作原理为：该交流充电桩提供了AC220V/7kw的交流供电能力，在供电状态，充电电路对220V电路进行降压、整流，同时判断电池的电压，如果欠压，则对其进行充电；当充电桩处于停电状态，铅酸电池能通过放电电路对整个充电桩进行供电，目前铅酸电池的容量能确保充电桩24小时内能刷卡结算，从电磁仓取出充电电缆。

请参照图2，电动汽车直流充电机充电流程如下：

1)用户持用户卡，在交流充电桩上刷卡，交流充电桩读出用户信息，通过“轻触式感应键盘”输入密码，同时将用户信息上传到主站，并作出相应的权限认定；

2)交流充电桩主控制模块判断用户是否正确，是否有足够的剩余金额，如果用户正确并有足够的金额，则打开插座门锁，提示连接充电插头；

3)请参照图3和4，交流充电桩主控制模闭合图四S1,发出±12V PWM信号，当车载充电机接收到PWM信号时，确认充电枪与充电插座连接到位，检测点1的电压发生变化，同时车载充电机确认本身与电池连接是否正常，如果正常闭合S2，检测点1的电压再次发生变化。主控制模块收到充电插头连接成功，电池连接正常信号，主控制模块确认可以充电，同时闭锁电磁仓，并显示在液晶屏上。

4)用户通过“轻触式感应键盘”，根据液晶屏提示的信息，按照自己的情况配置参数，选择自动充满模式、金额模式、电量模式、时间模式中的一种，输入相应的参数，确认充电。

5)充电过程中，主控制模块定时检测车载充电机充电状态，当出现过压、欠压、漏电等异常时，充电机立即停止通电，报警灯亮，并将报警信息上传到充电管理服务主站。

6)电池充满结束充电或手动结束充电，同时结算充电金额，结束本次充电。交流充电桩将相关信息通过以太网或GRPS/CDMA等方式上传到主站。

综上本发明的结构与原理可知，本发明的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，备用电源单元可有效的使充电桩进行正常工作24小时，维护了充电的完整性，减少因停电引发的充电投诉，同时，当再次来电时，可对备用电源单元进行循环充电，以延长备用电源单元与车载电池寿命；另外它还解决了原来金属键盘防水、与充电桩整机衔接的问题、充电桩人机交互防水问题、以及键盘使用寿命的问题；且采用的无功补偿装置，使电网及时达到平衡状态，大大降低了无功功率的消耗，而且降低了传统补偿设备的高成本，同时提高了充电效率以及电能利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，包括主MCU单元，且该主MCU单元通过总数据线分布连接有读卡单元、三相充电回路单元、输入单元、显示单元、计量单元、电磁仓单元、语音引导单元、备用电源单元、防雷漏电单元、通讯单元、倾角检测单元，所述读卡单元、充电回路单元、输入单元、显示单元、计量单元、电磁仓单元、语音引导单元、备用电源单元、防雷漏电单元、通讯单元、倾角检测单元分别与主MCU单元连接，所述的显示单元包括操作显示模块和设备状态显示模块，所述三相充电回路单元接入三相电网，所述三相电网连接有无功补偿装置，所述信号采集器通过无线或有线的方式通讯连接于所述控制器。

2.如权利要求1所述的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，所述无功补偿装置包括

控制器；

信号采集器，电连接于电网的三相母线，检测三相母线的电压/电流信号，并通讯连接于所述控制器；

IGBT驱动，电性连接于所述控制器并由其驱动；

两串联的链节，每个链节均包括有两个以上并联的逆变电路以及末端与各逆变电路并联的直流电容；

三相母线分别通过一连接线路连接至两链节之间的串联线路，各相线路中均包括有串联的电抗器与断路器。

3.如权利要求1或2所述的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，无功补偿装置还包括有三避雷器，分别电性连接于各所述断路器与各所述电抗器之间的线路。

4.如权利要求1或2所述的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，所述控制器、所述IGBT驱动、各所述电抗器以及各所述链节封装于一个SPC柜体内，形成一SPC模块。

5.如权利要求1所述的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，所述的备用电源单元包括充电电路子单元、放电电路子单元与12V/5A的铅酸电池。

6.如权利要求1所述的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，通讯单元包括上行通讯单元和下行通讯单元，所述交流充电桩通过上行通讯单元与后台监控***进行通讯，所述交流充电桩通过下行通讯单元与车载充电机进行通讯。

7.如权利要求6所述的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，所述的上行通讯单元包括以太网、GPRS/CDMA、RS232、红外中的一种或多种。

8.如权利要求6所述的基于三相负荷不平衡自动调节的交流充电桩，其特征在于，所述的下行通讯单元包括PWM信号总线、CAN总线、RS485之间的一种或多种。