本發(fā)明涉及新能源電動汽車充電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶輸入控制的直流功率單元動態(tài)零功率投切算法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著能源短缺和環(huán)境惡化問題日益加劇，電動汽車以其節(jié)能、減排的優(yōu)勢，成為各國競相發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。直流快速充電技術(shù)被廣泛應(yīng)用于新能源電動汽車領(lǐng)域，隨著動力電池技術(shù)升級，其承受的最大充電功率也大幅提升，由于功率元件原因單個直流功率模塊無法滿足動力電池充電，故采用多個AC-DC直流功率單元并聯(lián)的方式來滿足汽車動力電池的直流快充需求。目前的并聯(lián)方式多采用無投切機制的固定并聯(lián)方式，即充電過程中無論電池需求功率大小所有充電模塊都做均流輸出功率，尤其在電池充電后期需求功率較小，使直流功率模塊不能滿載輸出，甚至30％負(fù)載工作，大大降低電能的轉(zhuǎn)換效率，造成至少15％的能源浪費，還縮短了功率模塊的使用效率。另少數(shù)廠家采用模塊直接投切的方法解決低效率問題，但在進(jìn)行功率模塊投切過程中為帶功率投入或切出，使切換部件觸點造成帶載切斷或閉合，加劇觸點損毀程度，使切換部件壽命大大縮短。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種采用功率模塊單獨回路控制算法，零功率切換，成功克服了直流功率單元充電過程中投入和切出時，間斷功率輸出，容易損壞投切器件問題，如投切繼電器、晶閘管等，實現(xiàn)了直流充電樁在整個充電過程充電功率變化平滑，延長了直流充電樁的使用壽命的帶輸入控制的直流功率單元動態(tài)零功率投切算法及系統(tǒng)，具體技術(shù)方案如下：

一種帶輸入控制的直流功率單元動態(tài)零功率投切算法，采用步驟如下：

步驟一：判斷前次投切是否完成，是則進(jìn)入下一步，否則進(jìn)入步驟八；

步驟二：收集目標(biāo)充電車輛充電過程及需求數(shù)據(jù)；

步驟三：判斷是否處于充電過程，否則結(jié)束，返回狀態(tài)字，是則進(jìn)入下一步；

步驟四：獲取當(dāng)前AC-DC功率單元工作狀態(tài)信息；

步驟五：分析充電需求并與當(dāng)前模塊工作狀態(tài)比較；

步驟六：計算充電需求與當(dāng)前狀態(tài)的差異，做投切準(zhǔn)備；

步驟七：判斷是否需要投切動作，否則結(jié)束，返回狀態(tài)字，是則進(jìn)入下一步；

步驟八：調(diào)用投切算法，執(zhí)行投切動作；

步驟九：判斷是否投切完成，否則結(jié)束，返回投切未完成狀態(tài)字，是則進(jìn)入下一步；

步驟十：結(jié)束，返回投切完成狀態(tài)字。

為更好的實現(xiàn)本發(fā)明，可進(jìn)一步為：

所述步驟八具體為，

8.1判斷模塊投切命令，投入則進(jìn)入8.2，切出則進(jìn)入8.13結(jié)束投切算法，返回空閑狀態(tài)；

8.2獲取目標(biāo)模塊編號；

8.3判斷編號是否有效，無效則結(jié)束投切算法，返回錯誤狀態(tài)，有效則進(jìn)入下一步；

8.4閉合對應(yīng)模塊輸入控制器；

8.5判斷控制器狀態(tài)，未完成則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，完成則進(jìn)入下一步；

8.6設(shè)置目標(biāo)模塊輸出電壓到總線電壓；

8.7判斷輸出電壓是否達(dá)標(biāo)，否則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.8閉合投切控制繼電器；

8.9判斷投切繼電器是否關(guān)閉，否則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.10投入模塊數(shù)加1，根據(jù)電池充電需求重新計算每個模塊應(yīng)輸出功率并設(shè)置投入的所有模塊；

8.11判斷目標(biāo)模塊輸出是否正常，否則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.12空閑模塊數(shù)減1，結(jié)束投切算法，返回空閑狀態(tài)，本次投切結(jié)束；

8.13獲取目標(biāo)模塊編號；

8.14判斷編號是否有效，無效則結(jié)束投切算法，返回錯誤狀態(tài)，有效則進(jìn)入下一步；

8.15判斷模塊是否輸出，無輸出則進(jìn)入8.18，正常輸出則進(jìn)入下一步；

8.16關(guān)閉目標(biāo)模塊；

8.17判斷模塊是否關(guān)閉，否則結(jié)束投切算法，返回正在切出狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.18斷開投切繼電器，投入模塊數(shù)減1，根據(jù)電池充電需求重新計算每個模塊應(yīng)輸出功率，并設(shè)置在線模塊；

8.19關(guān)閉目標(biāo)模塊輸入控制；

8.20判斷模塊輸入是否斷開，否則結(jié)束投切算法，返回正在切出狀態(tài)，是則空閑模塊數(shù)量加1，發(fā)送投切控制單元能量泄放指令；

8.21重新配置當(dāng)前在線模塊參數(shù)；

8.22判斷在線模塊是否正常，否則結(jié)束投切算法，返回正在切出狀態(tài)，是則結(jié)束投切算法，返回空閑狀態(tài)，本次投切結(jié)束。

利用上述帶輸入控制的直流功率單元動態(tài)零功率投切算法的系統(tǒng)，包括輸入控制單元，該輸入控制的輸出端分別與AC-DC直流功率單元連接，該AC-DC直流功率單元的輸出端分別對應(yīng)設(shè)置有投切控制單元，每個所述投切控制單元的輸出端為本系統(tǒng)的充電輸出端。

為更好的實現(xiàn)本系統(tǒng)，可進(jìn)一步為：

所述投切控制單元設(shè)置有投切繼電器，該投切繼電器的輸入端上并接有泄放繼電器，該泄放繼電器的輸出端上連接有泄放電阻。其中，投切繼電器為AC-DC模塊功率輸出的控制閘門，它是銜接模塊功率輸出和直流母線的橋梁，也是傳統(tǒng)投切模式的易損器件，其直流觸點壽命直接受投切時刻輸出干路功率影響，投切功率越大其觸點壽命越短，反之增長。而在本發(fā)明中采用0功率投切，有效的延長其生命周期。泄放繼電器和泄放電阻組成完整的剩余能量泄放電路，用于當(dāng)功率模塊切出時泄放存放在功率模塊內(nèi)部輸出端儲能電容內(nèi)的剩余電能。如不進(jìn)行泄放當(dāng)此模塊再次投入直流母線時，當(dāng)母線電壓低于模塊儲能電容電壓，由于不能再輸出干路上串聯(lián)大功率限流電阻，則會在投切繼電器閉合瞬間，模塊輸出儲能電容會以很高的尖峰電流向直流母線放電，直至兩端電壓相等。在這過程中，投切繼電器觸點承受的電流尖峰瞬間達(dá)到上千安培甚至更高，最大成度的損壞投切繼電器，或直接使繼電器觸點粘連，造成投切元件損壞。進(jìn)行電能泄放后，需再次模塊投入總線時，首先讀取母線電壓，限制模塊電流為0.1A，根據(jù)模塊限流精度可以更小，使模塊預(yù)充至總線電壓穩(wěn)定后，控制投切繼電器閉合。由于模塊輸出電壓等于外部母線電壓，故在繼電器閉合瞬間觸點兩端電壓差為0，其切換功率為0，則不會在觸點上產(chǎn)生電流，在整個模塊投入過程中有效的保護了投切繼電器觸點。使繼電器的無故障時間到達(dá)其機械損壞時間。不會因觸點損壞而提前結(jié)束生命周期。

本發(fā)明的有益效果為：整個算法過程模塊化處理，程序調(diào)用簡單，直接調(diào)用函數(shù)句柄，即可完成這個投入過程或整個切出過程，占用中央處理器時間較短，響應(yīng)時間快；提高了直流充電機轉(zhuǎn)換效率,節(jié)省功率模塊待機功耗，延長了功率模塊的使用壽命；功率單元動態(tài)投切方法能有效的保護投切部件，延長投切部件壽命，從而使整個充電樁免維護期限增長；充電樁整個充電輸出過程中無斷點充電，使整個充電曲線平滑連續(xù)，幾個充電周期過后動力電池一致性維護出色，有效的維護了動力電池；產(chǎn)品性能和運維成本上具有競爭力，并且可靠性和穩(wěn)定性都非常出色，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的大功率直流充電樁。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程示意圖；

圖2為發(fā)明中調(diào)用投切算法，執(zhí)行投切動作的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中投切控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。

如圖1和圖2所示：一種帶輸入控制的直流功率單元動態(tài)零功率投切算法，步驟如下：

步驟一：首先判斷前次投切是否完成，是則進(jìn)入下一步，否則進(jìn)入步驟八；

步驟二：收集目標(biāo)充電車輛充電過程及需求數(shù)據(jù)，程序會調(diào)用車輛充電接口驅(qū)動程序，訪問其返回的車輛BMS發(fā)送的充電需求以及充電過程狀態(tài)。在實施例中算法中不涉及驅(qū)動函數(shù)內(nèi)容，只需獲得是否在充電過程中和當(dāng)前時刻充電需求的電壓和電流即可；

步驟三：判斷是否處于充電過程，否則結(jié)束，返回狀態(tài)字，是則進(jìn)入下一步；

步驟四：獲取當(dāng)前AC-DC功率單元工作狀態(tài)信息，模塊可以通過調(diào)用模塊驅(qū)動函數(shù)得到，當(dāng)前輸出直流母線上投入的模塊數(shù)量，每個模塊單獨的設(shè)置電壓、電流、工作狀態(tài)，具體為空閑還是工作、輸出電壓、輸出電流、額定電壓、額定電流等模塊信息然后分組封存刷新。這些信息用于后期進(jìn)行模塊投切分析計算；

步驟五：分析充電需求并與當(dāng)前模塊工作狀態(tài)比較，模塊判斷下一步投切動作趨勢，是將空閑功率模塊投入直流母線，還是從直流母線將功率模塊切出；

步驟六：計算充電需求與當(dāng)前狀態(tài)的差異，做投切準(zhǔn)備；

步驟七：判斷是否需要投切動作，否則結(jié)束，返回狀態(tài)字，是則進(jìn)入下一步；

步驟八：調(diào)用投切算法，執(zhí)行投切動作，模塊判斷下步投切動作趨勢，是將空閑功率模塊投入直流母線，還是從直流母線將功率模塊切出，具體采用以下步驟；

8.1判斷模塊投切命令，投入則進(jìn)入8.2，切出則進(jìn)入8.13結(jié)束投切算法，返回空閑狀態(tài)；

8.2獲取目標(biāo)模塊編號；

8.3判斷編號是否有效，無效則結(jié)束投切算法，返回錯誤狀態(tài)，有效則進(jìn)入下一步；

8.4閉合對應(yīng)模塊輸入控制器；

8.5判斷控制器狀態(tài)，未完成則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，完成則進(jìn)入下一步；

8.6設(shè)置目標(biāo)模塊輸出電壓到總線電壓，電流為0.1A；

8.7判斷輸出電壓是否達(dá)標(biāo)，否則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.8閉合投切控制繼電器；

8.9判斷投切繼電器是否關(guān)閉，否則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.10投入模塊數(shù)加1，根據(jù)電池充電需求重新計算每個模塊應(yīng)輸出功率并設(shè)置投入的所有模塊；

8.11判斷目標(biāo)模塊輸出是否正常，否則結(jié)束投切算法，返回正在投入狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.12空閑模塊數(shù)減1，結(jié)束投切算法，返回空閑狀態(tài)，本次投切結(jié)束；

步驟8.2到8.12為功率模塊的投入過程，本過程中，主要完成的是在充電目標(biāo)車輛電池充電需求大于當(dāng)前所有模塊滿功率輸出時，算法能智能的將空閑功率模塊投入到直流母線中用以接近或達(dá)到電池的當(dāng)前充電需求功率，主要參數(shù)為電流需求。本過程主要用于在充電剛開始階段，充電機從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)初始化啟動過程，分配模塊數(shù)量只有兩個，而隨著充電需求的增加，處理更多的空閑模塊逐個投入。而整個投入過程又分為分析功率模塊、投入功率模塊、驅(qū)動功率模塊三個階段。

具體為步驟8.2到8.5為分析功率模塊，在判定模塊投切命令為投入命令時，首先要解析投入命令中所包含的模塊編號信息即：要將哪一個功率模塊投入到直流母線中，它隨投切命令一起傳遞到方法處理過程中。獲取模塊編號后首先要查看所命令的模塊編號是否存在，是否在本系統(tǒng)中有正常定義，即小于系統(tǒng)最大編號，且未存在模塊報警異常標(biāo)識。在完成編號判定工作后，就閉合本模塊的交流輸入控制器，使其得電進(jìn)行模塊自檢初始化，在獲得交流輸入控制器正常閉合后，調(diào)用模塊驅(qū)動函數(shù)獲得其初始化參數(shù)，其中包括輸入交流電壓范圍，電流范圍，輸出額定功率值，額定電壓值。是否存在其他告警狀態(tài)等一系列性能參數(shù)，并加以判斷是否符合本次投入需求。

步驟8.6到8.9為投入功率模塊，在投入模塊之前為了做到零功率切換，首先需對目標(biāo)模塊預(yù)充電，使其輸出電壓等于交流母線電壓，即投切繼電器初次級觸點處于等電位狀態(tài)，因初次級觸點電位相等則其電位差為0V即電壓為0，此時閉合投切繼電器即可實現(xiàn)0功率閉合。有效的保護了投切繼電器的接觸觸點，使其使用壽命近似于機械壽命。在此過程中調(diào)用模塊輸出預(yù)充電壓過程時間可能和模塊啟動時間和母線電壓高低有關(guān)，為不影響其他程序線程運行，如在一個程序周期內(nèi)為預(yù)充合格，則直接進(jìn)行過程結(jié)束并返回未完成狀態(tài)字，用來到下一個程序周期執(zhí)行時判斷有舊投切未完成狀態(tài)，接著判斷模塊電壓是否預(yù)充至母線電壓。以此類推直至預(yù)充合格。下發(fā)閉合投切繼電器指令。判斷投切控制狀態(tài)正常后，投切動作完成進(jìn)行模塊驅(qū)動處理。

步驟8.10到8.12為驅(qū)動功率模塊，在目標(biāo)功率模塊投入直流母線后，使直流母線在線模塊數(shù)加1，重新進(jìn)行獲取電池充電需求工作，為了使所有模塊進(jìn)行均功率輸出，把充電需求功率直接平均給在線的所有模塊。再設(shè)置完各模塊的配置功率參數(shù)后，由于模塊的接續(xù)緩啟動功能，總的輸出功率會在原輸出功率基礎(chǔ)上線性緩行上升至總設(shè)置功率，實現(xiàn)輸出功率連續(xù)平滑上升，避免了斷崖式功率變換，有效地維護了汽車動力電池穩(wěn)定性。直至采回的目標(biāo)模塊輸出參數(shù)和配置參數(shù)相符后，標(biāo)識本次投入工作完成，以備下次的模塊投切工作正常進(jìn)行。

8.13獲取目標(biāo)模塊編號；

8.14判斷編號是否有效，無效則結(jié)束投切算法，返回錯誤狀態(tài)，有效則進(jìn)入下一步；

8.15判斷模塊是否輸出，無輸出則進(jìn)入8.18，正常輸出則進(jìn)入下一步；

8.16關(guān)閉目標(biāo)模塊；

8.17判斷模塊是否關(guān)閉，否則結(jié)束投切算法，返回正在切出狀態(tài)，是則進(jìn)入下一步；

8.18斷開投切繼電器，投入模塊數(shù)減1，根據(jù)電池充電需求重新計算每個模塊應(yīng)輸出功率，并設(shè)置在線模塊；

8.19關(guān)閉目標(biāo)模塊輸入控制；

8.20判斷模塊輸入是否斷開，否則結(jié)束投切算法，返回正在切出狀態(tài)，是則空閑模塊數(shù)量加1，發(fā)送投切控制單元能量泄放指令；

8.21重新配置當(dāng)前在線模塊參數(shù)；

8.22判斷在線模塊是否正常，否則結(jié)束投切算法，返回正在切出狀態(tài)，是則結(jié)束投切算法，返回空閑狀態(tài)，本次投切結(jié)束。

步驟8.13到8.22為功率模塊的切出過程，主要用于充電后期電池SOC到90％，根據(jù)各個電池廠家不同，數(shù)值不同，以上時電池管理系統(tǒng)要求充電需求降低，進(jìn)入浮充或涓流階段，此時如果所有模塊在線，就會造成每個模塊輸出負(fù)載率很小，拿需求電流30A為例，如6個模塊同時在線則每個模塊應(yīng)輸出5A，其負(fù)載率約為16.7％。致使模塊的輸出效率相對較低，因模塊的最高效率點大都保持在負(fù)載率為70％-100％之間更多的電能直接作用在模塊功率開關(guān)部件的熱損耗上。使充電樁整體的轉(zhuǎn)換效率大大降低。為應(yīng)對這一設(shè)計缺陷。本方案采取切出模塊的方法，使直流母線在線模塊數(shù)量減到最少。并使其接近滿載工作，有效的使模塊輸出功率保持在其最大效率點的負(fù)載率范圍內(nèi)。整個模塊切出過程分為切出準(zhǔn)備、切出模塊和重新配置在線模塊三個階段；

其中步驟8.13到8.15為切出準(zhǔn)備階段，在一個程序執(zhí)行周期內(nèi)判斷當(dāng)前動作為切出時，從函數(shù)傳進(jìn)的參數(shù)中獲取到欲切除模塊的地址編號；然后從內(nèi)部總線中調(diào)取所有在線模塊運行信息，分析尋找出當(dāng)前目標(biāo)模塊是否存在于在線模塊的編號范圍內(nèi)，如果沒有，則結(jié)束本次投切動作返回錯誤狀態(tài)字，以供程序策略重新判斷，或向上級診斷機制反饋錯誤信息。如若存在，則向目標(biāo)模塊發(fā)送關(guān)機指令進(jìn)入下一階段。

8.16到8.20為切出模塊階段，當(dāng)判斷欲切出模塊在當(dāng)前在線模塊中有效后，進(jìn)行關(guān)機處理，檢測當(dāng)前模塊工作狀態(tài)是否關(guān)機過程完成，如未完成則結(jié)束本次程序執(zhí)行周期，并返回“正在執(zhí)行切出”狀態(tài)字，以備下次算法被調(diào)用時直接進(jìn)入到檢測目標(biāo)模塊是否關(guān)機過程，不做原地延時等待，防止無限占用CPU時間而耽誤其他線程程序正常執(zhí)行。直至模塊關(guān)機完成后，斷開投切控制單元的投切繼電器，將直流母線模塊在線數(shù)減一，為不想影響模塊輸出的功率發(fā)生斷崖式波動，需重新根據(jù)動力電池充電需求配置現(xiàn)有在線模塊輸出功率，使模塊按新配置輸出功率，在400ms內(nèi)維持原功率輸出。隨后為節(jié)省切出的功率模塊靜態(tài)待機功耗，直接控制交流輸入控制單元切斷本模塊的交流輸入使其完全失電。使得整個充電樁達(dá)到節(jié)省所有不在線模塊靜態(tài)待機功耗的目的。交流輸入切斷后，由于AC-DC模塊在輸出端有大量的儲能器件，輸出電容，內(nèi)部存有大量剩余電量，無法釋放。若在短時間內(nèi)完成了本輪充電，并進(jìn)行了新的電池接入，新的電池需求電壓低于當(dāng)前模塊內(nèi)儲能元件的帶電低壓，則模塊無法投入新電池的直流母線。因此時模塊電壓高于母線電壓，無法做到模塊電壓和直流母線電壓相等，若強行閉合投切繼電器，則會在繼電器觸電上產(chǎn)生瞬間尖峰電流，造成觸點損傷，嚴(yán)重影響了投切器件的使用壽命。為應(yīng)對此類現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)計剩余能量泄放電路，將模塊內(nèi)剩余能量泄放掉，使其電壓為0V，則下次投入直流母線時，直接對其預(yù)充直流母線電壓即可正常安全使用。泄放完成后，直接歸類到空閑模塊狀態(tài)。

8.21到8.22為重新配置階段，重新配置在線模塊。在切出目標(biāo)模塊后，需重新進(jìn)行所有在線模塊配置，以適應(yīng)新的充電需求。首先獲取到電池管理系統(tǒng)的充電需求，計算直流母線在線模塊數(shù)量，對需求功率進(jìn)行重新平均分配，翻譯成配置命令直接下發(fā)給各個在線模塊。檢查到每個模塊均正常輸出后，結(jié)束本次切出過程。標(biāo)識本次切出工作完成。

步驟九：判斷是否投切完成，否則結(jié)束，返回投切未完成狀態(tài)字，是則進(jìn)入下一步；

步驟十：結(jié)束，返回投切完成狀態(tài)字。

帶輸入控制的直流功率單元動態(tài)零功率投切算法的系統(tǒng)，包括輸入控制單元，該輸入控制的輸出端分別與AC-DC直流功率單元連接，該AC-DC直流功率單元的輸出端分別對應(yīng)設(shè)置有投切控制單元，每個所述投切控制單元的輸出端為本系統(tǒng)的充電輸出端，投切控制單元設(shè)置有投切繼電器，該投切繼電器的輸入端上并接有泄放繼電器，該泄放繼電器的輸出端上連接有泄放電阻。其中投切繼電器，采用500V40A雙路直流繼電器及其驅(qū)動部件，泄放繼電器，采用500V10A單路直流繼電器，AC-DC直流功率模塊，采用500V，15KW恒功率模塊最大輸出電流30A。