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1、(10)申请公布号 CN 102801201 A (43)申请公布日 2012.11.28 CN 102801201 A *CN102801201A* (21)申请号 201210340036.5 (22)申请日 2012.09.14 H02J 7/00(2006.01) H02J 3/28(2006.01) H02J 3/38(2006.01) (71)申请人 南开大学 地址 300071 天津市南开区卫津路 94 号 (72)发明人 赵庚申 赵耀 程如岐 郭天勇 (74)专利代理机构 天津佳盟知识产权代理有限 公司 12002 代理人 侯力 (54) 发明名称 光伏充电桩自动控制系统 (5。
2、7) 摘要 一种光伏充电桩自动控制系统。该系统由 太阳电池板、 Boost 型 DC/DC 电路、 Buck 型 AC/ DC 电路、 DSP 控制系统、 智能控制开关、 转换开关 及检测电路组成。光伏电池阵列发出的直流电经 Boost 电路实现最大功率点跟踪 ； 同时通过调节 DC/DC 电路工作状态而智能调节蓄电池的充电电 流， 该系统还可通过开关控制实现向电动汽车的 交流和直流充电。当光伏发电系统不工作或充电 电流不足时可通过智能开关自动切换交流电向蓄 电池充电， 保证蓄电池随时处于良好的工作状态。 光伏充电桩在家庭光伏屋顶并网使用时， 可通过 电动汽车蓄电池实现电网的错峰调节功能。当光。
3、 伏充电桩离网单独使用时， 蓄电池容量根据实际 情况配置。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种光伏充电桩自动控制系统， 其特征在于 ： 该控制系统包括太阳电池 （1） 、 充放电 控制单元 （2） 、 蓄电池 （3） 、 DSP 控制 （4） 、 逆变单元 （5） 、 传感器 （6） 、 电动汽车充电 （7） ； 其中 太阳电池 （1） 通过由传感器 （6） 和 DSP 控制 （4） 控制的充放电控制单元 （2） 向蓄电。
4、池 （3） 充 电， 同时蓄电池 （3） 单独或通过逆变单元 （5） 向电动汽车充电 （7） 进行直流或交流充电 ； 充放电控制单元 （2）包括 ： 光伏 DC/DC 电路 （21） 、 向蓄电池充电的交流 AC/DC 电路 （22） 、 智能开关 K1（23） 、 智能开关 K2（24） 、 双路转换开关 Kab（25） 和触摸开关 （26） ； 逆变单元 （5） 包括 ： 逆变电路 （51） 和并网控制开关 S(52) ； 传感器 （6） 包括 ： 电流传感器 Ipv（61） 和电压传感器 Vpv（62） ； 电动汽车充电 （7） 包括 ： 交流充电 （71） 、 直流充电 （72） ； 。
5、光伏 DC/DC 单元 （21） 连接智能开关 K1（23） 和 DSP 控制 （4） ， 光伏 DC/DC 单元 （21） 同 时连接太阳电池 （1） ； 交流 AC/DC 单元 （22） 同时连接智能开关 K1（23） 和智能开关 K2（24） ； 智能开关 K1（23） 还同时连接蓄电池 （3） 和 DSP 控制 （4） ； 智能开关 K2（24） 还同时连接 DSP 控制 （4） 、 直流充电 （72） 和交流电网 （8） ； 双路转换开关 （25） 同时连接 DSP 控制 （4） 、 逆 变电路 （51） 、 交流充电 （71） 、 直流充电 （72） 和交流电网 （8） ； 触摸开。
6、关 （26） 连接 DSP 控制 （4） ； 蓄电池 （3） ： 同时连接电压传感器 Vpv（62） 和逆变电路 （51） ； DSP 控制 （4） ： 还同时连接逆变电路 （51） 、 并网控制开关 S(52)、 电流传感器 Ipv（61） 、 电压传感器 Vpv（62） 、 直流充电 （72） ； DSP 控制 （4） 根据电流传感器 Ipv（61） 、 电压传感器 Vpv （62） 检测到的充电电流及蓄电池电压信号生成 PWM 脉冲及控制信号控制光伏 DC/DC 电 路 （21） 、 智能开关 K1（23） 、 智能开关 K2（24） 和双路转换开关 Kab（25） 及并网控制开关 S(。
7、52) 的工作状态， 完成最大功率跟踪和充电自动协调控制 ； 逆变单元 （5） 通过并网控制开关 S(52) 连接交流电网 （8） ； 电动汽车充电 （7） 通过负载 (73) 连接交流电网 （8） ； 并网控制开关S(52)决定逆变电路的工作状态， 而并网控制开关S(52)的状态通过DSP 控制 (4) 控制蓄电池和逆变单元工作状态。 2. 根据权利要求 1 所述的自动控制系统， 其特征在于充放电控制单元 （2） 中的智能开 关 K1（23） 初始状态时， 触点 “a” 连接到触点 “b” ， 即接通光伏 DC/DC 单元 （21） ， 智能开关 K2（24） 为断开， 实现太阳电池向蓄电池。
8、智能充电 ； 当控制系统通过电压传感器 Vpv（62） 检测到蓄电池电压低于设定值时， DSP 控制 （4） 向智能开关 K1（23） 发送控制指令， 使得智能开关 K1（23） 的触点 “a” 和触点 “c” 连接， 智 能开关 K2（24） 闭合， 实现交流电向蓄电池智能充电。 3. 根据权利要求 1 所述的控制系统， 其特征在于 ： 当双路转换开关 Kab（25） 的触点 “b” 、“b ” 同时连接触点 “a” 、“a ” 时， 负载 RFZ(73) 连接交流电网， 电动汽车为交流电网充 电状态， 充电控过程由电动汽车自带的充电机控制 ； 光伏充电桩离网工作时并网控制开关 S（52） 。
9、断开， 当双路转换开关 Kab（25） 的触点 “c” 、“c ” 同时连接触点 “a” 、“a ” ， 负载 RFZ(73) 连接逆变电路输出 , 电动汽车为交流充 电状态， 充电控过程由逆变电路 （51） 和电动汽车自带的充电机共同控制 ； 当双路转换开关 Kab（25） 的触点 “d” 、“d ” 同时连接触点 “a” 、“a ” 时， 负载 RFZ(73) 连接蓄电池 (3) 通过 直流充电 (72) 进行直流充电， 由 DSP 控制 （4） 根据电动汽车动力电池的状态控制直流充电 权 利 要 求 书 CN 102801201 A 2 2/2 页 3 电路自动选择快速充电或标准充电方式。
10、 ； 当双路转换开关 Kab（25） 的触点 “b” 、“b ” 同时连接触点 “a” 、“a ” 时， 负载 RFZ(73) 连接交流电网， 若此时并网控制开关 S(52) 断开， 光伏充电桩以交流电网为用户充电 ； 若并 网控制开关S(52)闭合， 光伏充电桩以并网状态为用户充电 ； 并网控制开关S(52)的状态通 过 DSP 控制 （4） 控制蓄电池 (3) 和逆变电路 （51） 工作状态决定。 触摸开关 (26) 通过 DSP 控制 （4） 控制双路转换开关 Kab（25） 的工作状态。 权 利 要 求 书 CN 102801201 A 3 1/4 页 4 光伏充电桩自动控制系统 技术。
11、领域 0001 本发明为一种新型光伏充电桩自动控制系统， 主要应用于各种电动汽车充电桩， 本发明属新能源及自动控制技术领域。 背景技术 0002 电动汽车以电能代替石油作为动力源， 真正做到了尾气零排放， 具有清洁、 环保、 节能的特点， 是世界汽车工业发展的热点与趋势。 0003 电动汽车充电桩为电动汽车电池提供能量补给， 是电动汽车发展的关键环节。我 国目前使用的充电桩分为交流和直流充电桩两种。 交流充电桩是采用交流充电模式为自带 充电控制装置的电动汽车蓄电池进行充电的充电桩 , 特征是充电机为车载系统 , 目前电 动汽车大部分采用交流充电模式 ； 直流充电桩是采用可控直流为电动汽车动力蓄。
12、电池进行 充电的模式。目前充电桩的电能来源于电网， 而电网的电能主要来源于以煤炭为主的火力 发电， 这样电动汽车仅仅是将化石能源的消耗从汽车转移到煤炭发电， 不能从根本上解决 能源和环境污染问题 ; 另外随着智能电网的发展和完善， 通过智能充电控制实现电动汽车 “削峰填谷” 的作用离不开可再生能源。可再生能源发电时通过光伏充电桩向电动汽车充 电， 在电网用电高峰时电动汽车还可通过光伏充电桩向电网送电。这些功能目前的充电桩 是无法完成的。 因此充电桩的最终发展目标是和可再生能源相结合的多功能电动汽车充电 桩， 而太阳能光伏发电是可再生能源中最具有发展前途的方式。 0004 另外， 光伏充电桩相对。
13、大型充电站而言更加灵活， 可以离网安装在各种停车港湾 或高速公路无服务区地带， 为过路的电动汽车提供应急能源。因此 , 光伏充电桩控制系统 是太阳能应用的一个重要方向， 同时也为电动汽车的普及和发展打下基础。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种新型太阳能光伏发电与充电桩相配合的光伏充电桩自 动控制系统， 解决现有电动汽车充电桩只能利用交流电网进行充电 , 不能从根本上解决能 源再生和环境污染的问题， 同时光伏充电桩可以离网安装在各种停车港湾或高速公路无服 务区地带， 为电动汽车提供应急能源。 0006 本发明是将太阳电池的电能通过智能控制器向蓄电池充电， 用直流电或将直流电 逆变为交流。
14、电配合充电桩为电动汽车充电。系统通过协调控制太阳能电池的最大功率跟 踪、 蓄电池智能充电、 交流、 直流、 并网、 离网等功能的智能切换、 实现电能双向传输及向电 网送电的功能等， 可以保证光伏充电桩稳定为电动汽车充电的同时实现太阳能的最优利 用， 本自动控制系统兼容目前各种交直流充电桩。 0007 本发明可以根据蓄电池的充放电状态智能改变充电电流、 对太阳能电池实现最大 功率跟踪功能等， 同时系统根据太阳能电池发电状态、 接入电动汽车状态、 蓄电池电压、 电 流状态等自动选择大电压、 大电流或涓流模式实现对蓄电池的协调充电管理， 防止蓄电池 过冲过放， 保证蓄电池始终处于最佳充电状态， 提高。
15、蓄电池的使用寿命。在智能电网条件 说 明 书 CN 102801201 A 4 2/4 页 5 下， 智能协调的自动控制系统在蓄电池充满电的情况下可控制光伏发电系统将电能馈入电 网中 ； 在电网电力处于用电高峰时刻由蓄电池或电动汽车为电网提供能量， 可起到调峰作 用。 0008 本发明提供的光伏充电桩自动控制系统包括太阳电池 （1） 、 充放电控制单元 （2） 、 蓄电池 （3） 、 DSP 控制 （4） 、 逆变单元 （5） 、 传感器 （6） 、 电动汽车充电 （7） ； 其中太阳电池 （1） 通过由传感器 （6） 和 DSP 控制 （4） 控制的充放电控制单元 （2） 向蓄电池 （3） 。
16、充电， 同时蓄电 池 （3） 单独或通过逆变单元 （5） 向电动汽车充电 （7） 进行直流或交流充电 ； 0009 充放电控制单元 （2） 包括 ： 光伏 DC/DC 电路 （21） 、 向蓄电池充电的交流 AC/DC 电路 （22） 、 智能开关 K1（23） 、 智能开关 K2（24） 、 双路转换开关 Kab（25） 和触摸开关 （26） ； 0010 逆变单元 （5） 包括 ： 逆变电路 （51） 和并网控制开关 S(52) ； 0011 传感器 （6） 包括 ： 电流传感器 Ipv（61） 和电压传感器 Vpv（62） ； 0012 电动汽车充电 （7） 包括 ： 交流充电电路 （7。
17、1） 、 直流充电电路 （72） ； 0013 光伏 DC/DC 单元 （21） 连接智能开关 K1 （23） 和 DSP 控制 （4） ， 光伏 DC/DC 单元 （21） 同时连接太阳电池 （1） ； 交流 AC/DC 单元 （22） 同时连接智能开关 K1（23） 和智能开关 K2 （24） ； 智能开关 K1（23） 还同时连接蓄电池 （3） 和 DSP 控制 （4） ； 智能开关 K2（24） 还同时 连接 DSP 控制 （4） 、 直流充电 （72） 和交流电网 （8） ； 双路转换开关 （25） 同时连接 DSP 控制 （4） 、 逆变电路 （51） 、 交流充电 （71） 、 。
18、直流充电 （72） 、 和交流电网 （8） ； 触摸开关 （26） 连接 DSP 控制 （4） ； 0014 蓄电池 （3） ： 同时连接电压传感器 Vpv（62） 和逆变电路 （51） ； 0015 DSP 控制 （4） ： 还同时连接逆变电路 （51） 、 并网控制开关 S(52)、 电流传感器 Ipv （61） 、 电压传感器 Vpv（62） 、 直流充电 （72） ； DSP 控制 （4） 根据电流传感器 Ipv（61） 、 电压 传感器 Vpv（62） 检测到的充电电流及蓄电池电压信号生成 PWM 脉冲及控制信号控制光伏 DC/DC 电路 （21） 、 智能开关 K1（23） 、 智。
19、能开关 K2（24） 和双路转换开关 Kab（25） 及并网控 制开关 S(52) 的工作状态， 完成最大功率跟踪和充电自动协调控制 ； 0016 逆变单元 （5） 通过并网控制开关 S(52) 连接交流电网 （8） ； 0017 电动汽车充电 （7） 通过负载 (73) 连接交流电网 （8） ； 0018 并网控制开关 S(52) 决定逆变电路的工作状态， 而并网控制开关 S(52) 的状态通 过 DSP 控制 (4) 控制蓄电池和逆变单元的工作状态决定。 0019 当光伏发电系统不工作或充电电流不足时可通过智能开关 K1（23） 、 K2（24） 自动 切换交流电向蓄电池充电， 保证蓄电池。
20、随时处于良好的工作状态。光伏充电桩在家庭光伏 屋顶并网使用时， 可通过电动汽车蓄电池实现电网的错峰调节功能。 0020 本发明的优点和有益效果是 ： 0021 1、 太阳电池输出电压经 Boost 拓扑调节输出电压并实现最大功率点跟踪 ； 并通过 调节充放电协调控制智能调节蓄电池的充电电流， 同时可改变充电桩的充电方式， 使光伏 发电发挥最大的效能。还可实现蓄电池和电动汽车的交、 直流充电。光伏充电桩在家庭光 伏屋顶并网使用时， 可配合智能电网通过电动汽车蓄电池实现电网的错峰调节功能。 0022 2、 本系统通过实时检测太阳能光伏发电的输出电流， 通过 DSP 控制太阳能光伏发 电系统的最大功。
21、率输出及充电电流， 当光伏发电系统不工作或充电电流不足时可通过智能 开关自动切换交流电向蓄电池充电， 保证蓄电池随时处于良好的工作状态。 说 明 书 CN 102801201 A 5 3/4 页 6 0023 3、 电路中设计了 K1、 K2、 2 个智能控制开关和 Kab、 S 等 2 个转换开关， 其中 2 个智 能开关分别控制交流充电和交流电网的通断， 自动切换交流电向蓄电池充电提高能源的利 用率。充电桩面板的触摸开关通过 DSP 控制转换开关 Kab 实现电动汽车交直流充电模式转 换， 其中直流充电由 DSP 控制还可实现快速充电模式。系统同时通过 DSP 智能控制开关 S 实现系统离。
22、网、 并网功能。 0024 4、 通过调整 PWM 脉冲的占空比控制 DC/DC 单元实现智能充电电流的调整， 使系统 蓄电池与电动汽车车载蓄电池始终处于良好的充电状态和实现最大功率点跟踪功能。 0025 5、 该控制系统采用 DSP 控制电路， 控制精确， 硬件电路简单、 自动化程度高。 附图说明 0026 图 1 总体结构图 ； 0027 图 2 原理框图 ； 0028 图 3 电路原理图 ； 0029 图 4DSP 控制原理图。 0030 图中， 1 太阳电池、 2 充放电控制单元、 21 光伏 DC/DC 电路、 22 向蓄电池充电的交流 AC/DC 电路、 23 智能开关 K1、 2。
23、4 智能开关 K2、 25 双路转换开关 Kab、 26 触摸开关、 3 蓄电池、 4DSP 控制、 5 逆变单元、 51 逆变电路、 52 并网控制开关、 6 传感器、 61 电流传感器、 62 电压传 感器、 7 电动汽车充电、 71 交流充电、 72 直流充电、 73 负载 RFZ、 8 交流电网。 具体实施方式 0031 如图 1 所示新型光伏充电桩自动控制系统， 由充放电控制单元 2、 蓄电池 3、 DSP 控 制 4、 逆变单元 5、 传感器 6、 电动汽车充电 7 组成， 充放电控制单元 2 连接太阳电池 1， 电动 汽车充电系统 7 连接交流电网 8。 0032 图 2 为原理。
24、框图、 图 3 是电路原理图、 图 4 是 DSP 控制原理图。 0033 下面结合附图对本发明作进一步说明 ： 0034 本发明设计有光伏电池阵列的 Boost 型 DC/DC 电路、 交流电向蓄电池充电的整流 及 Buck 型 AC/DC 电路、 智能开关和转换开关等组成。控制系统主要是利用 DSP 通过检测的 电压和电流信号产生控制主电路开关管的 PWM 脉宽调制信号， 并产生相应的智能及转换开 关的控制信号。 0035 本发明在充放电控制单元 2 中设计了两个智能控制开关 K1（23） 、 K2（24） 、 转换 开关 Kab（25） ， 如图 2、 图 3 所示， 自动控制原理如下 。
25、： 0036 充放电控制单元 （2） 中的智能开关 K1（23） 初始状态时， 触点 “a” 连接到触点 “b” ， 即接通光伏 DC/DC 单元 （21） ， 智能开关 K2（24） 为断开， 实现太阳电池向蓄电池智能充电 ； 0037 当控制系统通过电压传感器 Vpv（62） 检测到蓄电池电压低于设定值时， DSP 控制 （4） 向智能开关 K1（23） 发送控制指令， 使得智能开关 K1（23） 的触点 “a” 和触点 “c” 连 接， 智能开关 K2（24） 闭合， 实现交流电向蓄电池智能充电， 系统为太阳能光伏充电状态， 其 智能充电方式受 DSP(4) 控制。 0038 当双路转换。
26、开关 Kab（25）的触点 “b” 、“b ”同时连接触点 “a” 、“a ”时， 负载 RFZ(73) 连接交流电网， 电动汽车为交流电网充电状态， 充电控过程由电动汽车自带的充电 说 明 书 CN 102801201 A 6 4/4 页 7 机控制 ； 0039 光伏充电桩离网工作时并网控制开关 S（52） 断开， 当双路转换开关 Kab（25） 的 触点 “c” 、“c ” 同时连接触点 “a” 、“a ” ， 负载 RFZ(73) 连接逆变电路输出 , 电动汽车为交流 充电状态， 充电控过程由逆变电路 （51） 和电动汽车自带的充电机共同控制 ； 0040 DSP(4) 根据传感器 （。
27、61、 62） 检测到通过 DC/DC(21) 控制的太阳电池输出电流信 号 IPV、 输出电压信号 VPV、（即蓄电池的端电压和充电电流） ， 产生控制电路IGBT管SPV的脉宽 调制信号 PWMPV( 见图 3)， 以实现智能充电控制和实现最大功率点跟踪功能。此时双路转换 开关 Kab（25） 的触点 “d” 、“d ” 同时连接触点 “a” 、“a ” ， 负载 RFZ(73) 连接蓄电池 (3) 通 过直流充电电路 (72) 进行直流充电， 由 DSP 控制 （4） 根据电动汽车动力电池的状态控制直 流充电电路自动选择快速充电或标准充电方式 ； 当蓄电池的端电压到达预设的最大值时， D。
28、SP(4) 控制为涓流充电 ； 当检测到蓄电池的端电压下降到预设定的最小值时， DSP(4) 发送 控制指令使得智能开关 23 的 “a” 端和 “c” 端连接 ； 智能开关 24 触点同时闭合， 此时交流电 通过交流 AC/DC(22) 的 Buck 电路和蓄电池连接， 由 DSP 发出控制 IGBT 管 SJL 的脉宽调制 信号 PWMJL 以实现智能充电控制， 控制方法和光伏充电相同。 0041 当用户通过光伏充电桩控制面板的触摸开关 （26） 选择电动汽车交流充电时， 双路 转换开关 Kab（25） 的触点 “b” 、“b ” 同时连接触点 “a” 、“a ” 时， 负载 RFZ(73。
29、) 连接交流电 网， 此时若S(52)断开， 充电桩以交流电网为用户充电 ； 若S(52)闭合， 光伏充电桩以并网状 态为用户充电。S(52) 的状态通过 DSP 控制蓄电池和逆变器工作状态决定。触摸开关 (26) 通过 DSP 控制 （4） 控制双路转换开关 Kab（25） 的工作状态。 0042 若光伏充电桩离网工作时 （如建在高速公路停车港湾处） ， 用户可通过光伏充电桩 控制面板的触摸开关 （26） 选择电动汽车交流充电， 系统自动转为逆变器交流输出。当选择 电动汽车直流充电时， Kab（25） 触点连接直流充电电路， 由 DSP 根据电动汽车动力电池的 状态控制直流充电电路自动选择快速充电或标准充电方式。 说 明 书 CN 102801201 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102801201 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102801201 A 9 。