。本公開(kāi)大致涉及電動(dòng)車輛充電站，并且更具體地涉及高功率電動(dòng)車輛充電站。

背景技術(shù)：

1、電動(dòng)車輛(electric?vehicles，ev)的數(shù)量正在迅速增長(zhǎng)。隨著ev數(shù)量的這種迅速增加，每年將需要部署數(shù)百萬(wàn)個(gè)充電器。盡管這些充電器中的許多將是可以利用現(xiàn)有電網(wǎng)(grid)連接的低功率家用(residential)充電器，但是它們中的許多將是高功率直流快速充電器(direct?current?fast?chargers，dcfc)，其電力汲取(draw)目前高達(dá)350kw。一些應(yīng)用(諸如電動(dòng)卡車)可以利用高得多的功率消耗，諸如3mw。這些新的、更高的電力充電要求可能對(duì)我們的電網(wǎng)造成壓力，并且需要昂貴、耗時(shí)且復(fù)雜的安裝過(guò)程，其包括帶來(lái)額外的配電線路、采購(gòu)大型變壓器以及在支付高峰用電量(power?consumption)的昂貴需求費(fèi)用。

2、作為升級(jí)電網(wǎng)連接以支持這些高功率充電器的替代方案，可以在ev充電站站點(diǎn)處安裝模塊化能量存儲(chǔ)系統(tǒng)作為減輕這些升級(jí)要求的直接解決方案。這些模塊化能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以從現(xiàn)有電網(wǎng)連接以低功率充電來(lái)累積能量，然后當(dāng)電動(dòng)車輛進(jìn)入充電站時(shí)以高功率放電。利用這種方法，功率不會(huì)以這種較高功率速率從電網(wǎng)汲取。相反，來(lái)自電網(wǎng)的較低功率汲取在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)對(duì)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行充電。然后，該所存儲(chǔ)的能量可以被利用來(lái)增加高功率充電器所需的輸出功率。因此，電網(wǎng)從未“看到(see)”高功率汲取，并且可以顯著減少安裝充電器的成本和時(shí)間。

3、此外，模塊化能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以被安裝在ev充電站站點(diǎn)處，以避免在高峰時(shí)間期間或者在部分或完全的電力電網(wǎng)(power?grid)斷電期間從電網(wǎng)汲取電力。我們國(guó)家的(一個(gè)或多個(gè))電力電網(wǎng)的許多部分已經(jīng)處于或接近最大容量，特別是在一天中的某些時(shí)間。在高峰時(shí)間期間從電網(wǎng)汲取更多電力可能導(dǎo)致或加劇電網(wǎng)過(guò)載。此外，一些電力公司對(duì)在高峰時(shí)間期間汲取的電力收取更多的費(fèi)用。能夠使用存儲(chǔ)的能量可以在高峰時(shí)間或斷電期間為充電器供電，而不是在高峰時(shí)間從電網(wǎng)汲取電力。

4、可以在該應(yīng)用中使用諸如鋰離子電池的電化學(xué)電池，但是將會(huì)需要進(jìn)行從電網(wǎng)到電池的交流(ac)到直流(dc)(或ac/dc)轉(zhuǎn)換，隨后進(jìn)行從電池到dcfc的dc/ac轉(zhuǎn)換，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的dcfc通常被設(shè)計(jì)為接受來(lái)自電網(wǎng)的ac輸入電力。然后，dcfc本身將ac轉(zhuǎn)換回dc以供車輛接受?？梢允褂媒M合的電池/dcfc系統(tǒng)，使得電網(wǎng)ac被一次性轉(zhuǎn)換為dc。然而，這可能會(huì)限制或除去支持現(xiàn)有dcfc硬件或擴(kuò)展到現(xiàn)有dcfc設(shè)施的可能性。

5、傳統(tǒng)的飛輪(flywheel)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)具有高循環(huán)(circle)壽命和高功率密度的附加益處，這兩者對(duì)于ev充電都是重要的。然而，當(dāng)涉及電力電子器件時(shí)，它們通常涉及與電化學(xué)解決方案相同的復(fù)雜性。因?yàn)轱w輪以可變速度快速旋轉(zhuǎn)(spin)，所以它需要從固定的60hz電網(wǎng)頻率轉(zhuǎn)換到其在輸入處的可變頻率。此外，在輸出處，它需要從可變頻率轉(zhuǎn)換到dcfc接受的固定60hz頻率。這兩個(gè)步驟都需要ac/dc/ac轉(zhuǎn)換和昂貴的電力電子器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、申請(qǐng)人已經(jīng)創(chuàng)建了用于使用飛輪進(jìn)行能量存儲(chǔ)的高功率電動(dòng)車輛充電站的新且有用的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。雖然考慮將用于電動(dòng)車輛的充電站作為本公開(kāi)的一種可能的實(shí)施方式，但所公開(kāi)的設(shè)備、系統(tǒng)和方法能夠用于其他高功率充電站。

2、在至少一個(gè)實(shí)施例中，可以完全限制或除去電力電子器件。在至少一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在電力輸入處使用線啟動(dòng)同步電機(jī)(line-start?synchronous?motor，lssm)，電網(wǎng)供應(yīng)的ac信號(hào)可以被用以在電機(jī)的整個(gè)速度范圍內(nèi)對(duì)該電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁(excite)，通常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(revolutions?per?minute，rpm)表示。在較低頻率下，lssm可以充當(dāng)感應(yīng)電機(jī)，其中滑差(slip)頻率會(huì)造成轉(zhuǎn)子(rotor)上的扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子的頻率接近電網(wǎng)頻率時(shí)，電機(jī)可以充當(dāng)同步電機(jī)，其中主要相互作用在轉(zhuǎn)子的dc場(chǎng)與到定子(stator)的電網(wǎng)供應(yīng)信號(hào)的ac場(chǎng)之間。

3、在至少一個(gè)實(shí)施例中，可以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子以使得最大速度匹配電網(wǎng)頻率。在至少一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)較大直徑轉(zhuǎn)子的利用能夠用以存儲(chǔ)足夠的能量，盡管最大rpm較低。在至少一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子操作可以主要發(fā)生在最大速度的50％與100％之間，使得滑差頻率不必太顯著地增加并且不會(huì)引起來(lái)自電網(wǎng)的大的涌入(inrush)電流。換句話說(shuō)，通過(guò)避免低轉(zhuǎn)子/飛輪rpm，電網(wǎng)不需要提供通常與lssm相關(guān)聯(lián)的高涌入電流。

4、在至少一個(gè)實(shí)施例中，可變頻率和/或可變電壓輸出直接連接到dcfc的輸入。在至少一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子處的頻率和/或電壓范圍被配置為在dcfc的ac/dc轉(zhuǎn)換器的操作范圍內(nèi)，并且不低于將會(huì)導(dǎo)致ac/dc轉(zhuǎn)換器上的循環(huán)之間的過(guò)度能量累積的閾值。

5、在至少一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自電網(wǎng)的電力可以被存儲(chǔ)在飛輪和/或轉(zhuǎn)子中。在至少一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自電網(wǎng)的電力可以與存儲(chǔ)在dcfc處的飛輪和/或轉(zhuǎn)子中的電力合并(combine)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，從電網(wǎng)汲取的電力被限制，存儲(chǔ)在飛輪和/或轉(zhuǎn)子中的電力在dcfc處與之合并，以便提供所需的輸出電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，所有輸出電力可以直接從飛輪和/或轉(zhuǎn)子汲取。在至少一個(gè)實(shí)施例中，從電網(wǎng)汲取的電力可以被限制，使得飛輪和/或轉(zhuǎn)子隨著從其汲取輸出電力而減慢。在至少一個(gè)實(shí)施例中，在從電網(wǎng)汲取的電力被限制并且輸出電力超過(guò)該限制的情況下，飛輪和/或轉(zhuǎn)子可以被配置為隨著從系統(tǒng)汲取輸出電力而減慢或降低速度。

6、在至少一個(gè)實(shí)例中，并網(wǎng)(grid-connected)同步電機(jī)還可以穩(wěn)定電網(wǎng)。例如，lssm可以被設(shè)計(jì)為以60赫茲(hz)或3600rpm的頻率空轉(zhuǎn)(idle)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，如果電網(wǎng)頻率低于飛輪頻率，則電力可以從飛輪流出(flow?out)到電網(wǎng)中。飛輪“空轉(zhuǎn)”頻率可以取決于位置和電網(wǎng)頻率進(jìn)行調(diào)整和/或選擇(例如，在美國(guó)通常使用60hz，而在英國(guó)通常使用50hz)。

7、在至少一個(gè)實(shí)施例中，用于存儲(chǔ)輸入電力并提供輸出電力(諸如用于電動(dòng)車輛充電)的系統(tǒng)，可以包括交流電機(jī)、飛輪和交流發(fā)電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)和發(fā)電機(jī)可以是同一機(jī)器。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以電耦合到交流電源。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以具有轉(zhuǎn)子并且可以被配置為從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，飛輪可以機(jī)械耦合到電機(jī)外部的轉(zhuǎn)子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以具有機(jī)械耦合到飛輪的轉(zhuǎn)子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以被配置為電耦合到控制器以用于向負(fù)載供電。

8、在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以是線啟動(dòng)同步電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以是同步發(fā)電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載可以是電動(dòng)車輛。

9、在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以被配置為向控制器供應(yīng)ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為將ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力以用于輸送到負(fù)載。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為以第一水平從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以被配置為以一個(gè)或多個(gè)其他水平(諸如高于第一水平的第二水平)向控制器供應(yīng)ac電力。

10、在至少一個(gè)實(shí)施例中，用于存儲(chǔ)輸入電力并提供輸出電力(諸如用于電動(dòng)車輛充電)的系統(tǒng)，可以包括交流電機(jī)和飛輪。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為電耦合到交流電源。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以具有轉(zhuǎn)子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，飛輪可以機(jī)械耦合到電機(jī)外部的轉(zhuǎn)子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，飛輪可以被配置為機(jī)械存儲(chǔ)通過(guò)電機(jī)從電源接收到的電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，其中電機(jī)可以被配置為電耦合到控制器以用于向負(fù)載供電。

11、在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以是線啟動(dòng)同步電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載可以是電動(dòng)車輛。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為向控制器供應(yīng)ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以將ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力以用于輸送到負(fù)載。

12、在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為以第一水平從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為以另一水平(諸如高于第一水平的第二水平)向控制器供應(yīng)ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為將來(lái)自飛輪的電力添加到從電源接收的ac電力，以便以第二水平向控制器供應(yīng)ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為將從電源接收的ac電力限制到第一水平。

13、在至少一個(gè)實(shí)施例中，一種用于存儲(chǔ)輸入電力并提供輸出電力(諸如用于電動(dòng)車輛充電)的系統(tǒng)，可以包括控制器、交流電機(jī)和飛輪。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為電耦合到交流電源和負(fù)載。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為將ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力以用于輸送到負(fù)載。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以電耦合到控制器。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以具有轉(zhuǎn)子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為通過(guò)控制器從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，飛輪可以機(jī)械耦合到轉(zhuǎn)子，諸如在電機(jī)外部或外部。在至少一個(gè)實(shí)施例中，飛輪可以被配置為機(jī)械存儲(chǔ)通過(guò)電機(jī)從電源接收的電力。

14、在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以是線啟動(dòng)同步電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為從控制器接收ac電力并向控制器供應(yīng)ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載可以是電動(dòng)車輛。

15、在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為以第一水平從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為以高于第一水平的第二水平向負(fù)載供應(yīng)dc電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為將來(lái)自飛輪的電力添加到從電源接收的ac電力，以便以第二水平向負(fù)載供應(yīng)dc電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為將從電源接收的ac電力限制到第一水平。

16、在至少一個(gè)實(shí)施例中，一種用于存儲(chǔ)輸入電力并提供輸出電力(諸如用于電動(dòng)車輛充電)的系統(tǒng)，可以包括控制器和至少一個(gè)飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，該控制器被配置為電耦合到交流電源和負(fù)載，該飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)被配置為機(jī)械存儲(chǔ)從電源接收的電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為將ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力以用于輸送到負(fù)載。在至少一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以包括機(jī)械耦合到轉(zhuǎn)子的飛輪，以及電耦合到控制器且機(jī)械耦合到轉(zhuǎn)子的交流電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以被配置為從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載可以是電動(dòng)車輛。

17、在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以是線啟動(dòng)同步磁阻電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)還可以被配置為向控制器供應(yīng)ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括多個(gè)飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

18、在至少一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)還可以包括電耦合到控制器且機(jī)械耦合到轉(zhuǎn)子的交流發(fā)電機(jī)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以被配置為向控制器供應(yīng)ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，交流發(fā)電機(jī)可以是同步交流發(fā)電機(jī)。

19、在至少一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子可以由至少一個(gè)高溫超導(dǎo)磁軸承(bearing)支撐。例如，轉(zhuǎn)子可以由一個(gè)高溫超導(dǎo)磁軸承在較上端軸向支撐，和/或由另一個(gè)高溫超導(dǎo)磁軸承在較下端軸向支撐。在至少一個(gè)實(shí)施例中，飛輪可以由至少一個(gè)磁懸浮軸承支撐。例如，飛輪可以由排斥模式(repulsion?mode)永磁體懸浮軸承從下方支撐，和/或由吸引模式(attraction?mode)永磁體懸浮軸承從上方支撐。

20、在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為以第一水平從電源接收ac電力，并且以第二水平向負(fù)載供應(yīng)dc電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，第二水平可以高于第一水平。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為將來(lái)自飛輪的電力添加到從電源接收的ac電力，以便以第二水平向負(fù)載供應(yīng)dc電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以被配置為將從電源接收的ac電力限制到一個(gè)或多個(gè)水平(諸如第一水平)。

21、在至少一個(gè)實(shí)施例中，用于存儲(chǔ)輸入電力并提供輸出電力(諸如用于電動(dòng)車輛充電)的系統(tǒng)可以包括控制器、線啟動(dòng)同步交流電機(jī)、飛輪、同步交流發(fā)電機(jī)或其任何組合。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以電耦合到交流電源和/或負(fù)載。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以將ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力以用于以第一水平輸送到負(fù)載。

22、在至少一個(gè)實(shí)施例中，線啟動(dòng)同步交流電機(jī)可以電耦合到交流電源。在至少一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)可以具有第一轉(zhuǎn)子，并且/或者可以以第二水平從電源接收ac電力。在至少一個(gè)實(shí)施例中，第二水平可以低于第一水平。在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以將從電源接收的ac電力限制到第二水平。在至少一個(gè)實(shí)施例中，飛輪可以機(jī)械耦合到電機(jī)外部的第一轉(zhuǎn)子。

23、在至少一個(gè)實(shí)施例中，同步交流發(fā)電機(jī)可以具有機(jī)械耦合到飛輪的第二轉(zhuǎn)子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以電耦合到控制器以用于向負(fù)載供電。在至少一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載可以是電動(dòng)車輛。在至少一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可以向控制器供應(yīng)ac電力。