帶輸入控制的直流功率單元動態零功率投切算法及系統的製作方法
2024-04-01 03:46:05 1
本發明涉及新能源電動汽車充電技術領域，具體涉及一種帶輸入控制的直流功率單元動態零功率投切算法及系統。
背景技術：
隨著能源短缺和環境惡化問題日益加劇，電動汽車以其節能、減排的優勢，成為各國競相發展的新興產業。直流快速充電技術被廣泛應用於新能源電動汽車領域，隨著動力電池技術升級，其承受的最大充電功率也大幅提升，由於功率元件原因單個直流功率模塊無法滿足動力電池充電，故採用多個AC-DC直流功率單元並聯的方式來滿足汽車動力電池的直流快充需求。目前的並聯方式多採用無投切機制的固定並聯方式，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，尤其在電池充電後期需求功率較小，使直流功率模塊不能滿載輸出，甚至30％負載工作，大大降低電能的轉換效率，造成至少15％的能源浪費，還縮短了功率模塊的使用效率。另少數廠家採用模塊直接投切的方法解決低效率問題，但在進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。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提出一種採用功率模塊單獨迴路控制算法，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零功率投切算法及系統，具體技術方案如下：
一種帶輸入控制的直流功率單元動態零功率投切算法，採用步驟如下：
步驟一：判斷前次投切是否完成，是則進入下一步，否則進入步驟八；
步驟二：收集目標充電車輛充電過程及需求數據；
步驟三：判斷是否處於充電過程，否則結束，返回狀態字，是則進入下一步；
步驟四：獲取當前AC-DC功率單元工作狀態信息；
步驟五：分析充電需求並與當前模塊工作狀態比較；
步驟六：計算充電需求與當前狀態的差異，做投切準備；
步驟七：判斷是否需要投切動作，否則結束，返回狀態字，是則進入下一步；
步驟八：調用投切算法，執行投切動作；
步驟九：判斷是否投切完成，否則結束，返回投切未完成狀態字，是則進入下一步；
步驟十：結束，返回投切完成狀態字。
為更好的實現本發明，可進一步為：
所述步驟八具體為，
8.1判斷模塊投切命令，投入則進入8.2，切出則進入8.13結束投切算法，返回空閒狀態；
8.2獲取目標模塊編號；
8.3判斷編號是否有效，無效則結束投切算法，返回錯誤狀態，有效則進入下一步；
8.4閉合對應模塊輸入控制器；
8.5判斷控制器狀態，未完成則結束投切算法，返回正在投入狀態，完成則進入下一步；
8.6設置目標模塊輸出電壓到總線電壓；
8.7判斷輸出電壓是否達標，否則結束投切算法，返回正在投入狀態，是則進入下一步；
8.8閉合投切控制繼電器；
8.9判斷投切繼電器是否關閉，否則結束投切算法，返回正在投入狀態，是則進入下一步；
8.10投入模塊數加1，根據電池充電需求重新計算每個模塊應輸出功率並設置投入的所有模塊；
8.11判斷目標模塊輸出是否正常，否則結束投切算法，返回正在投入狀態，是則進入下一步；
8.12空閒模塊數減1，結束投切算法，返回空閒狀態，本次投切結束；
8.13獲取目標模塊編號；
8.14判斷編號是否有效，無效則結束投切算法，返回錯誤狀態，有效則進入下一步；
8.15判斷模塊是否輸出，無輸出則進入8.18，正常輸出則進入下一步；
8.16關閉目標模塊；
8.17判斷模塊是否關閉，否則結束投切算法，返回正在切出狀態，是則進入下一步；
8.18斷開投切繼電器，投入模塊數減1，根據電池充電需求重新計算每個模塊應輸出功率，並設置在線模塊；
8.19關閉目標模塊輸入控制；
8.20判斷模塊輸入是否斷開，否則結束投切算法，返回正在切出狀態，是則空閒模塊數量加1，發送投切控制單元能量洩放指令；
8.21重新配置當前在線模塊參數；
8.22判斷在線模塊是否正常，否則結束投切算法，返回正在切出狀態，是則結束投切算法，返回空閒狀態，本次投切結束。
利用上述帶輸入控制的直流功率單元動態零功率投切算法的系統，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設置有投切控制單元，每個所述投切控制單元的輸出端為本系統的充電輸出端。
為更好的實現本系統，可進一步為：
所述投切控制單元設置有投切繼電器，該投切繼電器的輸入端上並接有洩放繼電器，該洩放繼電器的輸出端上連接有洩放電阻。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幹路功率影響，投切功率越大其觸點壽命越短，反之增長。而在本發明中採用0功率投切，有效的延長其生命周期。洩放繼電器和洩放電阻組成完整的剩餘能量洩放電路，用於當功率模塊切出時洩放存放在功率模塊內部輸出端儲能電容內的剩餘電能。如不進行洩放當此模塊再次投入直流母線時，當母線電壓低於模塊儲能電容電壓，由於不能再輸出幹路上串聯大功率限流電阻，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。進行電能洩放後，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，根據模塊限流精度可以更小，使模塊預充至總線電壓穩定後，控制投切繼電器閉合。由於模塊輸出電壓等於外部母線電壓，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其機械損壞時間。不會因觸點損壞而提前結束生命周期。
本發明的有益效果為：整個算法過程模塊化處理，程序調用簡單，直接調用函數句柄，即可完成這個投入過程或整個切出過程，佔用中央處理器時間較短，響應時間快；提高了直流充電機轉換效率,節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，幾個充電周期過後動力電池一致性維護出色，有效的維護了動力電池；產品性能和運維成本上具有競爭力，並且可靠性和穩定性都非常出色，遠遠高於一般的大功率直流充電樁。
附圖說明
圖1為本發明的流程示意圖；
圖2為發明中調用投切算法，執行投切動作的流程示意圖；
圖3為本發明中系統結構示意圖；
圖4為本發明中投切控制單元的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範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，是則進入下一步，否則進入步驟八；
步驟二：收集目標充電車輛充電過程及需求數據，程序會調用車輛充電接口驅動程序，訪問其返回的車輛BMS發送的充電需求以及充電過程狀態。在實施例中算法中不涉及驅動函數內容，只需獲得是否在充電過程中和當前時刻充電需求的電壓和電流即可；
步驟三：判斷是否處於充電過程，否則結束，返回狀態字，是則進入下一步；
步驟四：獲取當前AC-DC功率單元工作狀態信息，模塊可以通過調用模塊驅動函數得到，當前輸出直流母線上投入的模塊數量，每個模塊單獨的設置電壓、電流、工作狀態，具體為空閒還是工作、輸出電壓、輸出電流、額定電壓、額定電流等模塊信息然後分組封存刷新。這些信息用於後期進行模塊投切分析計算；
步驟五：分析充電需求並與當前模塊工作狀態比較，模塊判斷下一步投切動作趨勢，是將空閒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：計算充電需求與當前狀態的差異，做投切準備；
步驟七：判斷是否需要投切動作，否則結束，返回狀態字，是則進入下一步；
步驟八：調用投切算法，執行投切動作，模塊判斷下步投切動作趨勢，是將空閒功率模塊投入直流母線，還是從直流母線將功率模塊切出，具體採用以下步驟；
8.1判斷模塊投切命令，投入則進入8.2，切出則進入8.13結束投切算法，返回空閒狀態；
8.2獲取目標模塊編號；
8.3判斷編號是否有效，無效則結束投切算法，返回錯誤狀態，有效則進入下一步；
8.4閉合對應模塊輸入控制器；
8.5判斷控制器狀態，未完成則結束投切算法，返回正在投入狀態，完成則進入下一步；
8.6設置目標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標，否則結束投切算法，返回正在投入狀態，是則進入下一步；
8.8閉合投切控制繼電器；
8.9判斷投切繼電器是否關閉，否則結束投切算法，返回正在投入狀態，是則進入下一步；
8.10投入模塊數加1，根據電池充電需求重新計算每個模塊應輸出功率並設置投入的所有模塊；
8.11判斷目標模塊輸出是否正常，否則結束投切算法，返回正在投入狀態，是則進入下一步；
8.12空閒模塊數減1，結束投切算法，返回空閒狀態，本次投切結束；
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車輛電池充電需求大於當前所有模塊滿功率輸出時，算法能智能的將空閒功率模塊投入到直流母線中用以接近或達到電池的當前充電需求功率，主要參數為電流需求。本過程主要用於在充電剛開始階段，充電機從空閒狀態轉為充電狀態初始化啟動過程，分配模塊數量只有兩個，而隨著充電需求的增加，處理更多的空閒模塊逐個投入。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。獲取模塊編號後首先要查看所命令的模塊編號是否存在，是否在本系統中有正常定義，即小於系統最大編號，且未存在模塊報警異常標識。在完成編號判定工作後，就閉合本模塊的交流輸入控制器，使其得電進行模塊自檢初始化，在獲得交流輸入控制器正常閉合後，調用模塊驅動函數獲得其初始化參數，其中包括輸入交流電壓範圍，電流範圍，輸出額定功率值，額定電壓值。是否存在其他告警狀態等一系列性能參數，並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，首先需對目標模塊預充電，使其輸出電壓等於交流母線電壓，即投切繼電器初次級觸點處於等電位狀態，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，使其使用壽命近似於機械壽命。在此過程中調用模塊輸出預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，為不影響其他程序線程運行，如在一個程序周期內為預充合格，則直接進行過程結束並返回未完成狀態字，用來到下一個程序周期執行時判斷有舊投切未完成狀態，接著判斷模塊電壓是否預充至母線電壓。以此類推直至預充合格。下發閉合投切繼電器指令。判斷投切控制狀態正常後，投切動作完成進行模塊驅動處理。
步驟8.10到8.12為驅動功率模塊，在目標功率模塊投入直流母線後，使直流母線在線模塊數加1，重新進行獲取電池充電需求工作，為了使所有模塊進行均功率輸出，把充電需求功率直接平均給在線的所有模塊。再設置完各模塊的配置功率參數後，由於模塊的接續緩啟動功能，總的輸出功率會在原輸出功率基礎上線性緩行上升至總設置功率，實現輸出功率連續平滑上升，避免了斷崖式功率變換，有效地維護了汽車動力電池穩定性。直至採回的目標模塊輸出參數和配置參數相符後，標識本次投入工作完成，以備下次的模塊投切工作正常進行。
8.13獲取目標模塊編號；
8.14判斷編號是否有效，無效則結束投切算法，返回錯誤狀態，有效則進入下一步；
8.15判斷模塊是否輸出，無輸出則進入8.18，正常輸出則進入下一步；
8.16關閉目標模塊；
8.17判斷模塊是否關閉，否則結束投切算法，返回正在切出狀態，是則進入下一步；
8.18斷開投切繼電器，投入模塊數減1，根據電池充電需求重新計算每個模塊應輸出功率，並設置在線模塊；
8.19關閉目標模塊輸入控制；
8.20判斷模塊輸入是否斷開，否則結束投切算法，返回正在切出狀態，是則空閒模塊數量加1，發送投切控制單元能量洩放指令；
8.21重新配置當前在線模塊參數；
8.22判斷在線模塊是否正常，否則結束投切算法，返回正在切出狀態，是則結束投切算法，返回空閒狀態，本次投切結束。
步驟8.13到8.22為功率模塊的切出過程，主要用於充電後期電池SOC到90％，根據各個電池廠家不同，數值不同，以上時電池管理系統要求充電需求降低，進入浮充或涓流階段，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輸出5A，其負載率約為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載率為70％-100％之間更多的電能直接作用在模塊功率開關部件的熱損耗上。使充電樁整體的轉換效率大大降低。為應對這一設計缺陷。本方案採取切出模塊的方法，使直流母線在線模塊數量減到最少。並使其接近滿載工作，有效的使模塊輸出功率保持在其最大效率點的負載率範圍內。整個模塊切出過程分為切出準備、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為切出準備階段，在一個程序執行周期內判斷當前動作為切出時，從函數傳進的參數中獲取到欲切除模塊的地址編號；然後從內部總線中調取所有在線模塊運行信息，分析尋找出當前目標模塊是否存在於在線模塊的編號範圍內，如果沒有，則結束本次投切動作返回錯誤狀態字，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，則向目標模塊發送關機指令進入下一階段。
8.16到8.20為切出模塊階段，當判斷欲切出模塊在當前在線模塊中有效後，進行關機處理，檢測當前模塊工作狀態是否關機過程完成，如未完成則結束本次程序執行周期，並返回「正在執行切出」狀態字，以備下次算法被調用時直接進入到檢測目標模塊是否關機過程，不做原地延時等待，防止無限佔用CPU時間而耽誤其他線程程序正常執行。直至模塊關機完成後，斷開投切控制單元的投切繼電器，將直流母線模塊在線數減一，為不想影響模塊輸出的功率發生斷崖式波動，需重新根據動力電池充電需求配置現有在線模塊輸出功率，使模塊按新配置輸出功率，在400ms內維持原功率輸出。隨後為節省切出的功率模塊靜態待機功耗，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。使得整個充電樁達到節省所有不在線模塊靜態待機功耗的目的。交流輸入切斷後，由於AC-DC模塊在輸出端有大量的儲能器件，輸出電容，內部存有大量剩餘電量，無法釋放。若在短時間內完成了本輪充電，並進行了新的電池接入，新的電池需求電壓低於當前模塊內儲能元件的帶電低壓，則模塊無法投入新電池的直流母線。因此時模塊電壓高於母線電壓，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生瞬間尖峰電流，造成觸點損傷，嚴重影響了投切器件的使用壽命。為應對此類現象發生，設計剩餘能量洩放電路，將模塊內剩餘能量洩放掉，使其電壓為0V，則下次投入直流母線時，直接對其預充直流母線電壓即可正常安全使用。洩放完成後，直接歸類到空閒模塊狀態。
8.21到8.22為重新配置階段，重新配置在線模塊。在切出目標模塊後，需重新進行所有在線模塊配置，以適應新的充電需求。首先獲取到電池管理系統的充電需求，計算直流母線在線模塊數量，對需求功率進行重新平均分配，翻譯成配置命令直接下發給各個在線模塊。檢查到每個模塊均正常輸出後，結束本次切出過程。標識本次切出工作完成。
步驟九：判斷是否投切完成，否則結束，返回投切未完成狀態字，是則進入下一步；
步驟十：結束，返回投切完成狀態字。
帶輸入控制的直流功率單元動態零功率投切算法的系統，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設置有投切控制單元，每個所述投切控制單元的輸出端為本系統的充電輸出端，投切控制單元設置有投切繼電器，該投切繼電器的輸入端上並接有洩放繼電器，該洩放繼電器的輸出端上連接有洩放電阻。其中投切繼電器，採用500V40A雙路直流繼電器及其驅動部件，洩放繼電器，採用500V10A單路直流繼電器，AC-DC直流功率模塊，採用500V，15KW恆功率模塊最大輸出電流30A。