CN113783260B - 一种基于模块化dc/dc变换器的电池换电站及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站及控制方法，包括：DC/AC变换器、以及由第一滤波器和多个子模块组成的模块化DC/DC变换器；多个子模块级联连接后经过第一滤波器接到DC/AC变换器的直流母线上；所述子模块由一个电池组通过一个直流断路器连接到一个半桥电路上组成，可以节省大部分的PCS无源器件成本并提高效率，同时没有环流，而且不存在多并联结构的稳定性问题。同时，本发明提出的基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，可以实现SOC不一致的电池组的随机热插拔。

Description

一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站及控制方法
技术领域
本发明属于电池换电站技术领域，尤其涉及一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
电动汽车或电动自行车电池换电站可以给相应的电动载运工具进行快速电能补充，传统的换电站结构如附图1所示。在这一结构中每个电池组接入一个独立的功率变换***(power conversion system，以下简称PCS)。每个PCS通常包括一个两电平/三电平的DC/AC变换器和一个非隔离型的DC/DC变换器。多个PCS并联到公共交流母线上，并通过工频变压器实现并网。
然而，使用大量的PCS会导致换电站成本高，而且当进行电池组拔出更换时，每个PCS需要首先与交流母线断开，***待充电电池组后才能再并网进行充电，不能实现电池组的热插拔。
此外，这种换电站结构中存在环流，会导致电流不均分使得某些PCS电流过载而退出运行，降低整体的效率和稳定性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，与传统的多个PCS并联的换电站结构相比，可以节省大部分的PCS无源器件成本并提高效率，同时没有环流，而且不存在多并联结构的稳定性问题。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，包括：DC/AC变换器、以及由第一滤波器和多个子模块组成的模块化DC/DC变换器；
多个子模块级联连接后经过第一滤波器接到DC/AC变换器的直流母线上；
所述子模块由一个电池组通过一个直流断路器连接到一个半桥电路上组成。
进一步的，所述DC/AC变换器依次通过第二滤波器、交流断路器和变压器连接到中高压电网上。
进一步的，所述第一滤波器为由电感和电容组成的LC滤波器。
进一步的，所述直流母线的电压的稳态值由所述DC/AC变换器根据并网的交流电网电压来决定。
进一步的，所述模块化DC-DC变换器中的子模块分为工作组和备用组两大类，工作组中有K个子模块，其余子模块则归入备用组中；
其中，工作组和备用组中的子模块数量根据模块化DC/DC变换器允许的最大占空比、最小占空比和所述电池组的最小端电压值决定。
进一步的，所述模块化DC/DC变换器使用载波移相脉冲宽度调制方法。
本发明还公开了一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，包括正常工作情况下的排序选择控制，具体为：
将所有电池组的SOC在每个时段开始时进行动态排序和选择；
在充电过程中，选择SOC较低的K个子模块进入工作组，剩余SOC较高的子模块进入备用组；
在放电过程中，选择SOC较高的K个子模块进入工作组，剩余SOC较低的子模块进入备用组。
进一步的，在充电过程中，根据工作组中K个电池组的总充电恒功率确定电感电流参考值，将电感电流控制输出的参考波传输至调制器，为工作组中的K个子模块生成调制信号；
或者，
在放电过程中，根据工作组中K个电池组的总放电恒功率确定电感电流参考值，将电感电流控制输出的参考波传输至调制器，为工作组中的K个子模块生成调制信号。
进一步的，还包括极端工况下的SOC均衡控制，具体为：当充电期间换电站中只剩下K个尚未充满电的电池组时或者当放电期间充电站中只剩下K个非空电池组时，进行SOC均衡控制。
进一步的，所述SOC均衡控制，包括：
计算K个尚未充满电或非空的电池组的SOC平均值；
根据所述SOC平均值和每个电池组的SOC之间的偏差量，使用比例控制器来修改每个子模块的调制参考波，使得工作组中，充电时SOC越高的电池组的平均充电电流越小，而放电时SOC越高的电池组的平均放电电流越大。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明的基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，相较于传统结构的换电站，可以节省大部分的PCS无源器件成本并提高效率；同时，这一结构中没有环流；此外，这种级联***中不存在多并联结构的稳定性问题。
本发明的基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，可以实现SOC不一致的电池组的随机热插拔。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是传统换电站的结构图；
图2是本发明实施例一的基于模块化DC/DC变换器的电池换电站结构图；
图3是本发明实施例二的基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
参见附图2所示，本实施例公开了一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，包括：DC/AC变换器、以及由第一滤波器和多个子模块组成的模块化DC/DC变换器；多个子模块级联连接后经过第一滤波器接到DC/AC变换器的直流母线上；子模块由一个电池组通过一个直流断路器连接到一个半桥电路上组成。与传统的多个PCS并联的换电站结构相比，可以节省大部分的PCS无源器件成本并提高效率，同时没有环流，而且不存在多并联结构的稳定性问题，能够降低成本、提高效率和稳定性，。
子模块由电池组、直流断路器、半桥电路组成，一个子模块由一个电池组通过一个直流断路器连接到一个半桥电路上组成，电池两端没有并联滤波电容器来避免插拔电池组时引起大的冲击电流。
多个子模块级联连接后经过第一滤波器接到DC/AC变换器的直流母线上，第一滤波器为LC滤波器(包括电感Ldc和电容Cdc)。
DC/AC变换器依次通过第二滤波器、交流断路器和变压器连接到中高压电网上。
直流母线电压的稳态值udc由DC/AC变换器根据并网的交流电网电压来决定。
模块化DC-DC变换器中的N个子模块分为工作组和备用组两大类；设模块化DC-DC变换器中共有N个子模块，并将其分为两大类：K个子模块(电池组)被分入工作组，剩余R个子模块(电池组)被分入备用组。K和R的值可以根据公式(1)来确定。工作组和备用组中的子模块数量根据模块化DC/DC变换器允许的最大占空比、最小占空比和电池组的最小端电压值决定。
式中，ceil/floor是向上/向下取整函数，dmax/dmin是模块化DC/DC变换器允许的最大/最小占空比，ubat,min是电池组的最小端电压值，N是模块化DC-DC变换器中的子模块总数。
对模块化DC/DC变换器使用载波移相脉冲宽度调制方法。
本发明基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，可以用于电动载运工具(电动汽车/电动自行车)的电池换电，可以节省大部分的PCS无源器件成本并提高效率；同时，这一结构中没有环流；此外，这种级联***中不存在多并联结构的稳定性问题。
实施例二
参见附图3所示，本实施例的目的是提供一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，包括：正常工作情况下的排序选择控制和极端工况下的荷电状态(State-of-charge，以下简称SOC)均衡控制。
正常工作情况下的排序选择控制：将所有N个电池组的SOC在每个时段开始时进行动态排序和选择。在充电过程中，即当电感电流iL<0时，SOC较低的K个子模块将被选入工作组，剩余SOC较高的R个子模块将被选入备用组。当放电时，即当电感电流iL>0时，将选择SOC较高的K个子模块进入工作组，而剩余SOC较低的R个子模块被选入备用组。
在充电过程中，根据工作组中K个电池组的总充电恒功率确定电感电流参考值，将电感电流控制输出的参考波传输至调制器，为工作组中的K个子模块生成调制信号。
在放电过程中，根据工作组中K个电池组的总放电恒功率确定电感电流参考值，将电感电流控制输出的参考波传输至调制器，为工作组中的K个子模块生成调制信号。
具体的，由于DC/AC逆变器可以将直流母线电压的稳态值udc保持为常数，模块化DC/DC变换器中的电感电流iL通过比例积分(Proportional-Integral,PI)控制器来追踪根据电池充电/放电总功率Pch */Pdis *确定的电感电流参考值iL *，进而控制充/放电功率，iL *可以通过公式(2)进行计算：
式中，Pbat,ch */Pbat,dis *是每个电池组的充电/放电恒功率参考值，K即工作组中的子模块(电池组)数量。
在该实施例中，将电感电流控制输出的参考波传输至调制器，为工作组中的K个子模块生成调制信号。而其余R个子模块将被旁路，只需在有换电需求时操作相应的直流断路器即可进行电池组热插拔。
在该实施例中，在充电过程中，一旦从R个可热插拔子模块中取出一个满电电池组，就需要向换电站中再放入一个电量较低的电池组，并且由于其较低的SOC值，该子模块将从下一个时段开始被选择进入要充电的工作组中。而在放电过程中，将暂停换电服务，禁止从换电站中插拔任何电池组，以节省放电容量。一旦工作组中有一个电池组的SOC值低于备用组中任意一个电池组的SOC，该子模块将被旁路，并被SOC值更高的子模块所取代。
极端工况下的SOC均衡控制：在充电过程中，在一些特定的时间段内，当没有换电需求时，满电电池组数量只会增加，换电站中最终只剩下K个尚未充满电的电池组。如附图3所示，当充电期间换电站中只剩下K个尚未充满电的电池组时，要进行SOC均衡控制。
在该实施例中，在放电过程中，随着放电的进行，充电站中将逐渐只剩下K个非空电池组。当工作组中最后的K个非空电池组中有一个电池组电量达到SOC下限值时，整个***的放电都需要停止，并使其余(K-1)个子模块中的电池组不能完全放电。因此，此时也会进行SOC均衡控制，以使SOC较高的电池组放电更多，而SOC较低的电池组放电更少。
其中，SOC均衡控制包括：
将最后K个尚未充满电(充电时)/尚未放空(放电时)的电池组的SOC平均值SOCave计算出来，如公式(3)所示：
根据SOC平均值SOCave和第j个电池组的SOC值SOCj之间的偏差量，使用比例控制器(Proportional,P)来修改第j个子模块的调制参考波，使得工作组中，充电时SOC越高的电池组的平均充电电流越小(即电池组的SOC值和充电电流之间是一个反相关关系)，而放电时SOC越高的电池组的平均放电电流越大(即电池组的SOC值和放电电流之间是一个正相关关系)，即，使得工作组中：充电时SOC较高电池组的平均充电电流较小，而SOC较低电池组的平均充电电流较大；而放电时SOC较高的电池组平均放电电流较大，而SOC较低的电池组平均放电电流较小。
在该实施例中，比例控制器的参数可以在每个时间段进行调整，以确保在SOC差异不断减小的情况下仍然保持恒定的均衡速度。
以上实施例的装置中涉及的各步骤与实施例一中的结构相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关结构说明部分。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，其特征是，包括：DC/AC变换器、以及由第一滤波器和多个子模块组成的模块化DC/DC变换器；
多个子模块级联连接后经过第一滤波器接到DC/AC变换器的直流母线上；
所述子模块由一个电池组通过一个直流断路器连接到一个半桥电路上组成；
所述DC/AC变换器依次通过第二滤波器、交流断路器和变压器连接到中高压电网上；
所述模块化DC-DC变换器中的子模块分为工作组和备用组两大类，工作组中有K个子模块，其余子模块则归入备用组中；
其中，工作组和备用组中的子模块数量根据模块化DC/DC变换器允许的最大占空比、最小占空比和所述电池组的最小端电压值决定。
2.如权利要求1所述的一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，其特征是，所述第一滤波器为由电感和电容组成的LC滤波器。
3.如权利要求1所述的一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，其特征是，所述直流母线的电压的稳态值由所述DC/AC变换器根据并网的交流电网电压来决定。
4.如权利要求1所述的一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，其特征是，所述模块化DC/DC变换器使用载波移相脉冲宽度调制方法。
5.一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，采用权利要求1-4任一项所述的基于模块化DC/DC变换器的电池换电站，其特征是，包括正常工作情况下的排序选择控制，具体为：
将所有电池组的SOC在每个时段开始时进行动态排序和选择；
在充电过程中，选择SOC较低的K个子模块进入工作组，剩余SOC较高的子模块进入备用组；
在放电过程中，选择SOC较高的K个子模块进入工作组，剩余SOC较低的子模块进入备用组。
6.如权利要求5所述的一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，其特征是，在充电过程中，根据工作组中K个电池组的总充电恒功率确定电感电流参考值，将电感电流控制输出的参考波传输至调制器，为工作组中的K个子模块生成调制信号；
或者，
在放电过程中，根据工作组中K个电池组的总放电恒功率确定电感电流参考值，将电感电流控制输出的参考波传输至调制器，为工作组中的K个子模块生成调制信号。
7.如权利要求5所述的一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，其特征是，还包括极端工况下的SOC均衡控制，具体为：当充电期间换电站中只剩下K个尚未充满电的电池组时或者当放电期间充电站中只剩下K个非空电池组时，进行SOC均衡控制。
8.如权利要求7所述的一种基于模块化DC/DC变换器的电池换电站的控制方法，其特征是，所述SOC均衡控制，包括：
计算K个尚未充满电或非空的电池组的SOC平均值；
根据所述SOC平均值和每个电池组的SOC之间的偏差量，使用比例控制器来修改每个子模块的调制参考波，使得工作组中，充电时SOC越高的电池组的平均充电电流越小，而放电时SOC越高的电池组的平均放电电流越大。
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