本实用新型涉及电动汽车充电控制技术领域，特别涉及一种储能式数控直流充电桩。
背景技术：
随着全球工业化、城市化的进程，汽车作为二次工业革命后的产物自发明应用以来一直处于持续增长的过程中。传统燃油汽车尾气的大量排放、对石油资源的过度消耗导致了能源危机、气候变暖和城市雾霾(PM2.5)等问题。
电动汽车是以电力为动力源，以电动机取代燃油发动机的交通工具，不仅能够实现零排放、低噪声和无污染，而且可以大量节省日益枯竭的石油能源。近年来电动汽车不断在其储能系统以及动力系统方面取得了阶段性的发展，其良好的低碳环保特性，满足了人类低碳、低能耗的绿色需求，是未来汽车技术发展的主攻方向。因此致力于电动汽车产业先进技术的研发，以加快电动汽车产业市场化的步伐，使节能、环保和高效的电动汽车早日成为人类舒适便捷出行的交通工具，已成为当下发展的趋势。
电动汽车的应用与推广首先需要完善配套的充电基础服务设施，其是电动汽车能源补给的保障，对电动汽车行业的发展具有举足轻重的作用。目前电动汽车主要有常规交流充电、直流快速充电、无线充电和更好电池组4种常用的电能补给方式。直流快充方式克服了电能补给时间过长的问题，能够实现大功率直流快充，对有效拓长电动汽车行程、促进电动汽车推广与发展具有深远意义，因此近年来直流充电桩技术的研究与优化一直备受关注。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种储能式数控直流充电桩，其具有额定输出功率大、工作效率高、输出电压连续可调等特性，能实现恒流、恒压和浮充的“三段式”充电模式，设有通信端口，具有通信和人机交互功能，同时将充电桩和电池储能技术相结合，可以满足不同容量车载电池负载的充电要求。
(二)技术方案
一种储能式数控直流充电桩，包括隔离型全桥拓扑单元、RCD吸收单元、检测与保护单元、MCU单元、驱动单元、通信单元和储能单元；
DC650V直流电源接入所述隔离型全桥拓扑单元，经整流变压之后，输出300～500V连续可调的DC电压，分别连接所述RCD吸收单元和所述检测与保护单元；
所述RCD吸收单元抑制所述隔离型全桥拓扑单元产生的震荡尖峰电压，输出给车载电池负载充电，同时输出连接所述检测与保护单元；
所述检测与保护单元对所述隔离型全桥拓扑单元的输入电压进行检测与欠压保护，对所述车载电池负载的输入电压和电流分别采样并提供过压和过流保护，所述检测与保护单元的输出信号送入所述MCU单元；
所述MCU单元对所述检测与保护单元的输出信号进行A/D转换，处理后产生所述驱动单元的PWM控制信号，所述MCU单元输出分别连接所述驱动单元和所述通信单元；
所述驱动单元与所述隔离型全桥拓扑单元相连，输出驱动信号给所述隔离型全桥拓扑单元的功率开关器件；
所述MCU单元通过所述通信单元与车载RS485总线通信连接，并识别所述车载电池负载的特性；
所述储能单元输入DC650V进行电量存储，输出与所述车载电池负载相连，可对所述车载电池负载充电。
进一步的，所述隔离型全桥拓扑单元包括高频逆变器电路、高频变压器电路和全桥整流电路；所述高频逆变器电路包括第一～第四功率开关管；所述高频变压器电路包括高频变压器、第一电容和第一电感；所述全桥整流电路包括第一～第四二极管、第二电容和第二电感。
进一步的，所述RCD吸收单元包括第五二极管、第三电感、第一电阻、第三和第四电容。
进一步的，所述检测与保护单元包括电压采样及过压保护电路、电流检测电路和多路输入或门逻辑保护电路；所述电压采样及过压保护电路包括第一和第二运算放大器、第五电容和第二～第四电阻，其中所述第一和第二运算放大器选用OP07Z；所述电流检测电路包括电流传感器、第六和第七电容，其中所述电流传感器选用带隔离的霍尔电流传感器ACS712ELCRT-30A-T；所述多路输入或门逻辑保护电路包括三极管、第五～第七电阻、第八和第九电容。
进一步的，所述MCU单元选用单片机DSPIC33FJ32GS606。
进一步的，所述驱动单元选用双通道高压高速电压型功率开关器件栅极驱动器2ED020I12-F。
进一步的，所述通信单元为RS485接口电路，包括电平转换芯片、连接器、第一和第二发光二极管、第八和第九电阻，其中所述电平转换芯片选用MAX485。
进一步的，所述储能单元包括第五和第六功率开关管、第六和第七二极管、第四电感、第十电容和储能电池组，其中所述储能电池组为大容量铅酸电池。
(三)有益效果
本实用新型提供了一种储能式数控直流充电桩，采用隔离型全桥拓扑和数字移相控制，具有额定输出功率大、工作效率高、输出电压范围宽且连续可调等特性，能实现恒流、恒压和浮充的“三段式”充电模式，设有通信端口，具有通信和人机交互功能，同时将充电桩和电池储能技术相结合，使现有的配电系统无需进行太大的增容改造，就可承受较多电动汽车快速大电流充电的要求，节约了电能，减少了电费支出，使用灵活，在直流充电场合具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的系统结构框图。
图2为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的隔离型全桥拓扑单元电路原理图。
图3为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的RCD吸收单元电路原理图。
图4为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的电压采样及过压保护电路原理图。
图5为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的电流检测电路原理图。
图6为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的多路输入或门逻辑保护电路原理图。
图7为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的通信单元电路原理图。
图8为本实用新型所涉及的一种储能式数控直流充电桩的储能单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种储能式数控直流充电桩，包括隔离型全桥拓扑单元、RCD吸收单元、检测与保护单元、MCU单元、驱动单元、通信单元和储能单元；DC650V直流电源接入隔离型全桥拓扑单元，经整流变压之后，输出300～500V连续可调的DC电压，分别连接RCD吸收单元和检测与保护单元；RCD吸收单元抑制隔离型全桥拓扑单元产生的震荡尖峰电压，输出给车载电池负载充电，同时输出连接检测与保护单元；检测与保护单元对隔离型全桥拓扑单元的输入电压进行检测与欠压保护，对车载电池负载的输入电压和电流分别采样并提供过压和过流保护，检测与保护单元的输出信号送入MCU单元；MCU单元对检测与保护单元的输出信号进行A/D转换，处理后产生驱动单元的PWM控制信号，MCU单元输出分别连接驱动单元和通信单元；驱动单元与隔离型全桥拓扑单元相连，输出驱动信号给隔离型全桥拓扑单元的功率开关器件；MCU单元通过通信单元与车载RS485总线通信连接，并识别车载电池负载的特性；储能单元输入DC650V进行电量存储，输出与车载电池负载相连，并对车载电池负载充电。
DC650V从电网侧经单相或三相整流及PFC(功率因数校正)处理后取得。
针对蓄电池的充电控制策略已广泛研究，完整的“三段式”充电可针对不同电池负载的特性分阶段切换到不同充电模式：充电开始阶段，如检测到电池电压低于第一参考电压，此时为保护电池在充电过程中不受损坏，应防止瞬时充电电流过大，选用恒流充电模式，在该模式下充电电流保持不变，电压缓慢上升；待恒流充电一段时间，此时如检测到电池电压已上升至第二参考电压，充电模式由恒流转换到恒压充电，该模式下充电电压保持不变，充电电流逐渐减小；恒压充电一定时间，如检测到充电电流已低于参考电流时，表明蓄电池已基本充满，为防止长时间过充而损坏电池，转入浮充模式直至充电完毕，在浮充模式下充电电压仅略高于蓄电池额定电压，该模式有助于缓解电池充电过程中的极化效应。本直流充电桩采用“三段式”充电方式对电动汽车的车载电池负载进行充电。
理论上大功率变换器的功率转换能力与参与功率转换的开关管数量成正比。直流充电桩一般工作在高压大功率场合，因此采用隔离型全桥拓扑。如图2所示，隔离型全桥拓扑单元包括高频逆变器电路、高频变压器电路和全桥整流电路；高频逆变器电路包括功率开关管VT1～VT4；高频变压器电路包括高频变压器T1、电容C1和电感L1；全桥整流电路包括二极管D1～D4、电容C2和电感L2。输入侧DC650V由全桥逆变的4个功率开关管VT1～VT4逆变成交流方波后流过高频变压器T1，再通过4个二极管D1～D4，对高频变压器T1二次侧方波进行全桥整流及输出LC滤波，实现降压型DC-DC变换。电容C1为隔直电容，用于防止高频变压器T1工作过程的直流偏置而致磁饱和。电感L1为谐振电感，配合高频变压器T1自身的漏感以改善全桥拓扑中置后臂实现ZVS(零电压)软开关的条件。同一桥臂上下开关管(VT1、VT3与VT2、VT4)互补导通且留有一定死区时间，防止在切换过程中桥臂直通而出现短路故障；处于同一对角上的两个开关管(VT1、VT4与VT2、VT3)在移相控制下错开一定角度(移相角)后同时开通。高频变压器T1一次侧电压以及一次侧电流在一个周期内正负交替且无直流偏置。
在大功率DC-DC变换器中，整流二极管在反向恢复期间容易产生震荡尖峰电压，其最高值能达到输出电压的2倍，如不加以抑制易对整流二极管造成永久性损坏，因此在隔离型全桥拓扑单元输出端添加无源RCD尖峰吸收电路。如图3所示，RCD吸收单元包括二极管D5、电感L3、电阻R1、电容C3和C4。该吸收电路简单，无需复杂控制电路，且电路中吸收的能量部分能通过电阻R1输出给车载电池负载，有效地提高了转换效率。当整流桥输出电压Urect在反向恢复期间产生尖峰震荡时，二极管D5阳极电压明显高于电容C3两端的电压而正向导通，尖峰电压被电容C3钳位，在此期间电容C3两端电压上升；当整流器输出侧震荡消失后钳位二极管D5反向截止，电容C3两端电压由上升开始改为下降。整个工作过程中，电容C1所吸收的电能通过电阻R1与输出端形成回路并放电，电阻R1消耗部分能量的同时也将能量传递给车载电池负载，给车载电池负载进行充电。
在充电过程中，需要对隔离型全桥拓扑单元的输入电压进行检测与欠压保护，对车载电池负载的输入电压和电流分别采样并提供过压和过流保护。检测与保护单元包括电压采样及过压保护电路、电流检测电路和多路输入或门逻辑保护电路。如图4所示，电压采样及过压保护电路包括运算放大器U2和U3、电容C5和电阻R2～R4，其中运算放大器U2和U3选用OP07Z。对隔离型全桥拓扑单元的输入电压进行采样得Uin，通过比例积分放大运算电路后输出Uin1送入MCU单元的AD采样端，同时将Uin1进一步与比较电路基准Uref比较后输出逻辑电平Uin2，作为多路输入或门逻辑保护电路的输入信号，当Uin1＞Uref时，Uin2为高电平将触发保护。如图5所示，电流检测电路包括电流传感器U4、电容C6和C7，其中电流传感器U4选用带隔离的霍尔电流传感器ACS712ELCRT-30A-T。车载电池负载的输入电流I1从U4的IP1+和IP2+脚流入后经IP1-和IP2-引脚流出电流I2，输出电流采样信号Iout经积分放大后输出给MCU单元的AD采样端，同时也作为多路输入或门逻辑保护电路的输入信号。如图6所示，多路输入或门逻辑保护电路包括三极管Q1、电阻R5～R7、电容C8和C9。多路输入或门逻辑保护电路的输入信号为各采样电路的保护信号，输出端EN连接驱动单元的使能端，当有输入信号为高电平时，三极管Q1导通，输出端EN将由高电平VCC被拉低为低电平从而闭锁驱动单元的使能端，起到快速保护的作用。
MCU单元选用单片机DSPIC33FJ32GS606，是16位数字信号处理器，工作电压3.0～3.6V，宽温度范围-40～+125℃，多达9路独立计时的高速PWM通道，10位高速ADC和10位高速DAC，2个高速UART，2个SPI,CAN2.0控制器，2个I2C等，外围接口非常丰富。检测与保护单元采样的信号，经ADC采样端A/D转换后输入至单片机内部进行处理，产生相应的PWM控制信号控制驱动单元。在驱动单元进行功率输出前，单片机通过通信单元与车载电池管理系统进行通信并识别该车载电池负载的特性，然后制定出相应的充电策略，通过数字移相控制驱动单元工作。
良好的驱动器应具有抗干扰能力强和故障保护等特性，对功率开关管工作的稳定性和安全性有着至关重要的作用。驱动单元选用双通道高压高速电压型功率开关器件栅极驱动器2ED020I12-F。单片机产生的PWM控制信号输出给驱动器U1，在驱动被使能的情况下，PWM控制信号经放大后驱动桥臂各功率开关管工作。2ED020I12-F自带内部逻辑保护电路，当同一桥臂两路驱动信号输入同时为高电平时将自动闭锁驱动器U1，以防止桥臂直通。驱动器U1还自带一个通用运算放大器和一个比较器，可用于桥臂的过流保护。同时结合驱动器U1自身的欠压保护功能，具有很好的安全保护特性。
直流充电桩在开始给车载电池负载充电前，首先要识别电池负载的特性并针对不同电池负载制定出相应的充电策略。选用不同充电模式需要通过通信单元来完成。如图7所示，通信单元为RS485接口电路，包括电平转换芯片U5、连接器J1、发光二极管LED1和LED2、电阻R8和R9。单片机和车载电池负载通过RS485总线进行通信，因此单片机的串口输入/输出需要经过MAX485进行电平转换后才能接到RS485总线上，采样速率由单片机控制。直流充电桩选用RS485进行通信，具有接口简单、组网方便、传输距离远等特点。单片机通过MAX485与车载电池管理系统通信，通过通信握手协议识别车载电池负载的特性。同时单片机通过MAX485还能与其它外部拓展设备通信，实现友好的人机交互功能。
目前智能配电网和智能配电居民小区建设还很不普及和完善，已有的配电系统容量不能满足较多电动汽车的充电需要。增加容量将会涉及投资、多部门协调及复杂的施工改造等问题，而且还会导致负荷峰谷差变大，降低利用率，从而限制电动汽车的进一步推广。因而在传统的直流充电桩内增加大容量储能单元，可以在不改变配电网的前提下，实现对较多电动汽车的快速充电。如图8所示，储能单元包括功率开关管VT5和VT6、二极管D6和D7、电感L4、电容C10和储能电池组E1，其中储能电池组E1为大容量铅酸电池。储能单元电路为Buck-Boost变换电路，输入为DC650V。当对储能电池组E1充电时，功率开关管VT5和二极管D7导通，电路工作于降压斩波模式；当储能电池组放电时，即对车载电池负载进行充电，功率开关管VT6和二极管D6导通，电路工作于升压斩波模式。通过电压或电流闭环，均可实现储能电池组E1的恒压或恒流充放电功能，换言之，即可实现通过储能电池组E1对车载电池负载进行恒压或恒流充电。该变换电路结构简单，具有双向功率输送能力。
本实用新型提供了一种储能式数控直流充电桩，采用隔离型全桥拓扑和数字移相控制，具有额定输出功率大、工作效率高、输出电压范围宽且连续可调等特性，能实现恒流、恒压和浮充的“三段式”充电模式，设有通信端口，具有通信和人机交互功能，同时将充电桩和电池储能技术相结合，使现有的配电系统无需进行太大的增容改造，就可承受较多电动汽车快速大电流充电的要求，节约了电能，减少了电费支出，使用灵活，在直流充电场合具有很好的应用前景。
上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。