CN102055790A - 充换电系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充换电系统及其运行方法。其中，该系统包括运行管理中心设备，用于对所辖区域内充换电业务信息进行管理；充换电和控制设备，通过通信网络与运行管理中心设备相连，通过无线局域网和CAN总线与终端设备相连，用于对电池进行充换电、对充换电站进行控制以及识别终端设备；终端设备，通过通信网络与运行管理中心设备相连，用于提供终端设备的运行状态。本发明通过网络将分散孤立的终端设备和充换电设施相互联通，从而使得运行管理中心设备能够方便地获取各个设备的运行状态，以实现充换电系统对各个设备的全面监控和管理。进一步地，本发明还能为电动汽车产业的发展奠定基础。

Description

充换电系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，特别地，涉及一种充换电系统及其运行方法。

背景技术

当前，电动汽车产业正处在起步阶段，电动汽车相关的充电设施正在大力推广建设中。目前的充换电设施分散建设，相互之间没有信息联通，而且在电池、车载终端等终端设备运行时管理系统无法采集其运行信息。所以，目前急需将所有终端设备和充电设施等与管理网络联通起来，以满足对终端设备和充电设施进行监控和管理的需求。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种充换电系统及其运行方法，能够将所有终端设备和充电设施与运行管理中心设备相联通，从而能够有效地对终端设备和充电设施进行监控和管理。

根据本发明的一方面，提出了一种充换电系统，包括运行管理中心设备，用于对所辖区域内充换电业务信息进行管理；充换电和控制设备，通过通信网络与运行管理中心设备相连，通过无线局域网和CAN总线与终端设备相连，用于对电池进行充换电、对充换电站进行控制以及识别终端设备；终端设备，通过通信网络与运行管理中心设备相连，用于提供终端设备的运行状态。

根据本发明系统的一个实施例，运行管理中心设备包括省级运行管理服务器，用于对省级网络内充换电业务的运行进行监控和管理，并汇集充换电业务信息；总部级运行管理服务器，通过光纤网络与一个以上省级运行管理服务器相连，用于对跨省的充换电业务信息进行中转和协调。

根据本发明系统的另一实施例，终端设备包括电池，设置有GPS定位器、GPRS无线模块以及电池管理系统，通过无线网络与运行管理中心设备相连，用于通过GPS定位器获取电池的定位信息、通过电池管理系统采集电池的状态信息、并通过GPRS无线模块将电池的定位信息和电池的状态信息传输至运行管理中心设备。

根据本发明系统的又一实施例，终端设备包括电池，设置有电池管理系统，用于采集电池的状态信息；车载终端，设置有GPS定位器和GPRS无线模块，通过CAN总线通信网络与电池相连，通过无线网络与运行管理中心设备相连，用于通过GPS定位器获取车载终端的定位信息，接收电池的状态信息，并通过GPRS无线模块将车载终端的定位信息和电池的状态信息传输至运行管理中心设备。

根据本发明系统的再一实施例，终端设备包括电动汽车，设置有GPS定位器和GPRS无线模块，通过无线网络与运行管理中心设备相连，用于通过GPS定位器获取电动汽车的定位信息、并通过GPRS无线模块将电动汽车的定位信息传输至运行管理中心设备。

根据本发明系统的再一实施例，终端设备上贴有RFID标签，以识别终端设备的身份。

根据本发明系统的再一实施例，充换电和控制设备包括充电站，通过光纤网络与运行管理中心设备相连；电池更换站，通过光纤网络与运行管理中心设备相连；站外充电桩，通过无线网络或光纤网络与运行管理中心设备相连。

根据本发明系统的再一实施例，充电站包括通过以太网相连的监控系统、交流充电桩、安防系统、计量计费系统、直流充电机以及充电站现场作业系统。

根据本发明系统的再一实施例，电池更换站包括通过以太网相连的监控系统、充电系统、计量计费系统、电池更换系统、安防系统以及换电站现场作业系统。

根据本发明系统的再一实施例，站外充电桩包括分散或集中安装的充电桩，分散安装的充电桩通过无线网络与运行管理中心设备相连，集中安装的充电桩组成局域网并通过有线网络或无线网络与运行管理中心设备相连。

根据本发明系统的再一实施例，交流充电桩包括充电控制模块、电度表、人机交互模块和通信模块，充电控制模块和人机交互模块通过RS232接口与通信模块相连，电度表通过485接口与通信模块相连。

根据本发明系统的再一实施例，通信模块包括状态量采集单元、模拟量采集单元、保护单元以及通信处理单元。

根据本发明系统的再一实施例，直流充电机包括整流柜和直流充电桩。

根据本发明系统的再一实施例，整流柜包括充电机控制器和整流设备。

根据本发明系统的再一实施例，整流柜还包括直流计量计费设备。

根据本发明系统的再一实施例，安防系统包括安防工作站、嵌入式硬盘录像机以及前端设备。前端设备包括红外对射报警器、充电站消防报警主机、温度探测器、摄像头门禁控制器以及门禁上的读卡器和磁力锁。

根据本发明系统的再一实施例，CAN总线通信网络包括通过CAN总线相连的电池管理系统、车辆仪表、车载终端以及电机控制器。

根据本发明的另一方面，还提出了一种上述充换电系统的运行方法，包括终端设备通过无线网络将运行状态发送至运行管理中心设备；在终端设备靠近充换电和控制设备时，利用CAN总线控制充换电和控制设备中的充电设备对电池的充电，通过无线局域网识别终端设备，并通过通信网络将读取的终端设备的信息传输至运行管理中心设备；运行管理中心设备根据来自终端设备以及充换电和控制设备的信息对终端设备以及充换电和控制设备进行监管，并通过互联网将终端设备以及充换电和控制设备互联。

根据本发明方法的一个实施例，运行状态包括终端设备的定位信息以及电池的状态信息，终端设备包括电池、车载终端以及电动汽车，终端设备通过无线网络将运行状态发送至运行管理中心设备的步骤包括通过辅助GPS方式获取终端设备的定位信息；利用电池中的电池管理系统采集电池的状态信息；通过无线网络将终端设备的定位信息以及电池的状态信息发送至运行管理中心设备。

根据本发明方法的另一实施例，终端设备包括电池、车载终端以及电动汽车，该方法还包括车载终端通过无线网络向运行管理中心设备发送服务请求消息，服务请求消息包括路况查询、附近充换电站查询以及路线查询中的至少一种；运行管理中心设备在数据库中查询所汇集的信息，并对所汇集的信息进行分析，将分析得到的服务信息通过无线网络发送至车载终端。

根据本发明方法的又一实施例，该方法还包括在电池充电异常时，由电池中的电池管理系统通过CAN总线将充电异常情况告知充换电和控制设备，由充换电和控制设备中的控制设备控制是否继续对电池进行充电；在电池放电异常时，通过无线网络将放电异常情况传输至运行管理中心，由运行管理中心通过终端设备中的车载终端将控制命令发送给电池管理系统，以终止电池的放电。

本发明通过网络将分散孤立的终端设备和充换电设施相互联通，从而使得运行管理中心设备能够方便地获取各个设备的运行状态，以实现充换电系统对各个设备的全面监控和管理。进一步地，本发明还能为电动汽车产业的发展奠定基础。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：

图1是本发明充换电系统的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明充换电系统的另一实施例的结构示意图。

图3是本发明充换电系统的再一实施例的结构示意图。

图4是本发明终端设备网络构建示意图。

图5是本发明CAN总线通信网络示意图。

图6是本发明充换电系统的再一实施例的结构示意图。

图7是本发明充电站站内网络构建示意图。

图8是本发明交流充电桩的一个实例的结构示意图。

图9是本发明直流充电机的一个实例的结构示意图。

图10是本发明电池更换站站内网络构建示意图。

图11是本发明安防系统的一个实例的结构示意图。

图12是本发明安防系统的另一实例的结构示意图。

图13是本发明计量计费系统的一个实例的结构示意图。

图14是本发明充换电系统的再一实施例的结构示意图。

图15是图1所示充换电系统运行方法的一个实施例的流程示意图。

图16是本发明充换电系统运行方法的另一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。

物联网指的是将各种信息传感设备(例如，射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置)与互联网结合起来形成一个巨大的网络，其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，使系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。

本发明利用射频识别装置、互感器、GPS无线定位模块等实现对终端设备和充换电设施的感知，利用有线通信网络与无线通信网络实现充电设施与管理网络的互联互通。

图1是本发明充换电系统的一个实施例的结构示意图。

如图1所示，该实施例的充换电系统可以包括：

运行管理中心设备101，用于对所辖区域内充换电业务信息进行管理，其中，所辖区域是指公司总部所管辖的所有地理区域，充换电业务信息可以包括终端设备的运行状态、充换电信息以及终端设备身份识别信息等；

充换电和控制设备102，通过通信网络与运行管理中心设备101相连，通过无线局域网与终端设备相连，以与充换电站内其他通信网进行信息交互，通过CAN总线与终端设备相连，用于对电池进行充电、对充换电站进行控制；

终端设备103，通过通信网络与运行管理中心设备101相连，用于提供终端设备的运行状态，例如，电池的状态信息以及终端设备的定位信息等终端设备的状态。

在充换电和控制设备中的充电机与电池中的电池管理系统(Battery Management System，BMS)物理相连以进行充电时，可以包括以下过程：

首先，上电并通过人工设定CAN(Controller Area Network)标识符格式和通讯波特率后，BMS和充电机进入握手阶段。

在握手阶段，BMS首先检测低压辅助电源电压是否正常，如果不正常，BMS向充电机发送错误报文，充电机关闭低压辅助电源的输出，如果正常，双方在该阶段进行握手，确定电池信息(包括电池类型和电池生产日期)及充电机相关信息(包括充电机编号和充电插头编号)。

在握手阶段完成后，BMS和充电机进入配置阶段。在此阶段，充电机向BMS发送充电机最大输出能力报文，BMS根据充电机最大输出能力判断是否能够进行充电。

在配置阶段完成后，BMS和充电机进入充电阶段。在整个充电阶段，BMS通过实时向充电机发送电池充电级别需求来控制整个充电过程。充电机根据电池充电级别需求来调整充电电压和充电电流以确保充电过程正常进行，除此之外，BMS和充电机还相互发送各自的充电状态，并且BMS在充电阶段首次发送报文时，优先发送电池充电状态报文。BMS根据充电过程是否正常、电池状态是否满足BMS自身设定的充电结束条件以及是否收到充电机中止充电报文来判断是否结束充电；充电机根据充电过程是否正常、是否到达人为设定的充电参数值以及是否收到BMS中止充电报文来判断是否结束充电。

当BMS和充电机停止充电后，双方进入充电结束阶段。在该阶段BMS向充电机发送整个充电过程中的充电统计数据，包括初始充电状态、终了充电状态、电池单体(模块)最低电压、电池单体(模块)最高电压，充电机收到BMS的充电统计数据后，停止低压辅助电源的输出。

该实施例通过网络将分散孤立的终端设备和充换电设施相互联通，从而使得运行管理中心设备能够方便地获取各个设备的运行状态，以使充换电系统全面、快速、准确及直观地掌握终端设备和充换电设施的运行状况，为电动汽车产业的发展奠定基础。

图2是本发明充换电系统的另一实施例的结构示意图。

如图2所示，与图1中的实施例相比，该实施例的充换电系统中的运行管理中心设备201可以包括：

省级运行管理服务器2011，用于对省级网络内充换电业务的运行进行监控和管理，并汇集来自终端设备以及充换电和控制设备的充换电业务信息；

总部级运行管理服务器2012，通过光纤网络与一个以上省级运行管理服务器相连，用于对跨省的充换电业务信息进行中转和协调。

具体地，运行管理中心设备对某特定地理区域内的相关充换电业务的运行进行管理，其提供与相关的电网运行管理系统的信息交互接口，该运行管理中心设备又可以分为省级运行管理服务器和总部级运行管理服务器。

省级运行管理服务器对本网省公司相关充换电业务的运行进行监控和管理，汇集所辖区域的用户商务信息、结算信息、运行信息以及客服信息，并对这些信息提供海量存储，实现站间数据共享，并在深度分析的基础上负责区域内全局性业务的决策和调度，例如，可以包括计费结算、运行管理、资产管理、物流调配和客户服务。此外，省级运行管理服务器还向总部级运行管理服务器提交包括运营状况和资产状况等在内的宏观统计信息。

总部级运行管理服务器是国家电网所辖区域内唯一的中央级监控管理系统。总部级运行管理服务器一般不参与各地充换电业务的具体运营决策，其从各省级运行管理服务器收集汇总运营状况和资产状况等宏观统计信息，作为规划全系统业务发展和建设的依据。总部级运行管理服务器主要负责跨省业务的信息中转和协调，并制定跨省业务的计费结算以及资产关系的处理原则。

该实施例可以通过省级运行管理服务器和总部级运行管理服务器实现对充换电过程的监控和管理，以及省间业务的中转与协调。

在本发明充换电系统的又一实施例中，终端设备可以包括电池，其上设置有GPS定位器、GPRS无线模块以及电池管理系统，通过无线网络与运行管理中心设备相连，用于通过GPS定位器和GPS卫星获取电池的定位信息、通过电池管理系统采集电池的状态信息、并通过GPRS无线模块将电池的定位信息和电池的状态信息传输至运行管理中心设备。

在本发明充换电系统的再一实施例中，终端设备可以包括电动汽车，其上设置有GPS定位器和GPRS无线模块，通过无线网络与运行管理中心设备相连，用于通过GPS定位器获取电动汽车的定位信息、并通过GPRS无线模块将电动汽车的定位信息传输至运行管理中心设备。

图3是本发明充换电系统的再一实施例的结构示意图。

如图3所示，与图1中的实施例相比，该实施例的充换电系统中的终端设备301可以包括：

电池3011，设置有电池管理系统，用于采集电池的状态信息，其中，电池的状态信息可以包括电池电压值、电池电流值、电池荷电状态值、电池箱内温度最高值和电池箱内温度最低值等；

车载终端3012，设置有GPS定位器和GPRS无线模块，通过CAN总线通信网络与电池相连，通过无线网络与运行管理中心设备相连，用于通过GPS定位器获取车载终端的定位信息、接收电池的状态信息、并通过GPRS无线模块将车载终端的定位信息和电池的状态信息传输至运行管理中心设备。

在上述实施例中，运行管理中心设备中设置有GPRS无线模块，以接收来自终端设备的信息。

可选地，终端设备上可以贴有RFID标签，以进行终端设备的身份识别。

图4是本发明终端设备网络构建示意图。

如图4所示，终端设备的网络构建主要包括设备身份标识标签与识别网络、车内CAN总线通信网络、电池管理系统与充电机之间的通信网络、车载终端与运行管理中心之间的无线通信网络等。

设备身份标识标签与识别网络是指通过在终端设备上贴上RFID标签，在充电站、电池更换站、配送点、仓库、重要路口等地点安装或架设识别装置，由这些标签和识别装置组成的网络。

图5是本发明CAN总线通信网络示意图。

如图5所示，车内CAN总线通信网络是指通过CAN总线相连的BMS 401、车辆仪表402、电机控制器403以及车载终端404等组成的通信网。BMS将采集到的电压、电流、温度、SOC、充电状态、故障信息等内容提供给车载终端、车辆仪表等，同时接收其它模块发出的充电控制命令信息；车载终端从电池管理系统中获取电池信息、温度等，从电机控制器获取电机状态，并通过一定指令(例如，车载终端发送给电池管理系统的终止工作命令)控制其它模块的运行模式。当运行管理中心设备发现电动汽车或电池处在非正常运行状态时，将通过车载终端发送终止工作指令给电池管理系统，电池管理系统中断电池给电机的供电。

BMS与充电机通信网络是指在充电过程中，BMS与充电机之间形成的通信接口。

车载终端与运行管理中心设备之间的无线通信网是指在车载终端上安装GSM、GPRS或3G通信模块，借助无线通信运营商的基础通道实现与运行管理中心设备的互联。

图6是本发明充换电系统的再一实施例的结构示意图。

如图6所示，与图1中的实施例相比，该实施例的充换电系统中的充换电和控制设备501可以包括：

充电站5011，通过光纤网络与运行管理中心设备相连；

电池更换站5012，通过光纤网络与运行管理中心设备相连；

站外充电桩5013，通过无线网络或光纤网络与运行管理中心设备相连。

具体地，充换电和控制设备在终端设备基础之上，针对充电站、电池更换站、站外充电桩等充电设施以及流动的电池、电动汽车等对象进行管理。充换电和控制设备中所涉及的网络主要包括充电站、电池更换站等站内通信网络、站外充电桩的通信网络、地市公司光纤通信网、以及流动的电池、电动汽车等组成的临时网络。

在一个实例中，充电站可以包括通过以太网相连的监控系统、交流充电桩、安防系统、计量计费系统、直流充电机以及充电站现场作业系统。其中，充电站现场作业系统可以包括配电系统、直流电源供电系统、整流系统、有源滤波系统、运行管理系统等。

图7是本发明充电站站内网络构建示意图。

如图7所示，充电站中的控制设备是充电站的控制中心和通信枢纽。负责与充电站后台系统交换数据；完成充电机的充电控制；与BMS通信获取电池状态和运行信息；获取电能计量表信息，完成充电计费和充电过程的联动控制；将计量计费、充电机工作信息传送给直流充电桩，获取并执行直流充电桩上送的控制命令等。

配电系统监控负责针对充电站配电系统的监控及保护功能的实现，通过通信管理机与充电站后台系统实现双向数据交换。

通信管理机是充电站监控系统的通信核心，负责配电系统监控、充电站监控后台、安防系统、计量计费系统及充电机之间的数据交换；负责向安防系统转发报警信号实现视频监控联动；负责向充电站上级监控系统转发本站相关信息。

安防系统完成充电站的视频监控以及消防、门禁和周界安全的监控，通过通信管理机获取配电系统监控及充电机的相关告警信息，用以完成视频联动监控。

图8是本发明交流充电桩的一个实例的结构示意图。

如图8所示，该实施例的交流充电桩601包括充电控制模块6011、电度表6012、人机交互模块6013和通信模块6014，充电控制模块和人机交互模块通过RS232接口与通信模块相连，电度表通过485接口与通信模块相连。

其中，通信模块除了具备通信单元外，还可以包括状态量采集单元、模拟量采集单元、保护单元以及通信处理单元。

具体地，充电控制模块可以对充电桩充电过程进行控制，并在需要时点亮告警灯，急停按钮可以让充电桩紧急停止充电。

人机交互模块可以是充电桩显示器，其可以提供友好的人机操作界面和快捷简单的操作方式，满足客户按照不同的方式对电动汽车进行充电的要求，可以显示当前充电状态，充电电量和充电费用，友好地用户界面可以让客户进行相应的选择。

该电度表可以是1.0级电度表，能够精确计量充电汽车所充电量，电度表具有2路485通讯功能，其中一路485通讯口与通信模块实时通讯，将电量在液晶上显示并可以上传至后台监控，另一路485通讯口直接上传至电量采集终端，方便供电公司的计量监测。

状态量采集单元最大可以采集6路状态量，状态量输入电压为24V，6路状态量分别是YX1运行监控状态，YX2跳合闸状态监视，YX4急停状态监视，YX5充电接头监视，YX3、YX6备用，采集的状态量可以上传到后台告警处理。

模拟量采集单元最多可以采集6路模拟量，分别为3路交流电压，3路交流电流，单相充电桩只有一相测量有用，采集的模拟量可以上传到后台处理。

保护单元具有输出过压、欠压、过负荷保护功能。当采集的电压超过过压保护定值或低于欠压保护定值，充电桩停止充电。当采集的电流量超过负荷电流定值发出告警信号。漏电保护断路器可以保证在充电过程中发生漏电等紧急故障情况下切断所有电源。当发生意外状况需要紧急停止充电时，可以通过急停按钮来中断充电。

通信处理单元可以提供多组通讯接口，例如，RS232接口、485接口和CAN总线接口，用于与监控后台、用电信息采集终端等多个通讯终端进行可靠地通信。

该交流充电桩能够提供可靠的电气安全防护功能，具有安全稳定性，能够保证长期可靠的运行。另外，该交流充电桩还提供了多组通讯接口，可用于与监控后台、用电信息采集终端等多个通讯终端进行可靠通讯。

图9是本发明直流充电机的一个实例的结构示意图。

如图9所示，该实施例的直流充电机701包括整流柜7011和直流充电桩7012。

可选地，整流柜可以包括充电机控制器和整流设备。

进一步地，整流柜还可以包括直流计量计费设备，以实现对直流电的计量和计费。

该直流充电机输入电源为三相五线AC380V，通过充电机内部集成功率因数校正，最大程度地减小了谐波对电网的污染。此外，该直流充电机是根据采用锂动力电池电动车辆的充电需求而专门设计的，其采用国际先进的软开关技术，具有转换效率高、输出电流稳定、可靠性高、寿命长等特点，并且还具有过热保护、短路保护、高低压保护、缺相保护以及充电安全保护。当整流柜内部温度超过80度时，充电电流自动减少，超过85度时整流柜保护性关机，此时无电流输出，待温度下降到约80度时再自动恢复充电；当整流柜输出发生意外短路时，内部电路会限制短路电流，同时，串联的熔断保险能迅速切断跟外部电路的连接，等短路故障排除并更换保险后即可重新充电；当输入交流电压高于或低于额定输入电压范围，整流柜自动关机，电压正常后再自动恢复工作；当输入的三相交流电压的某一相或两相断开时，缺相保护电路会启动，自动关闭整流柜电源；在充电过程中，出现人员违规带电流拔下连接器时，整流柜能瞬间切断电流输出以防发生人身安全事故。另外，直流充电机采用模块化设计，多个模块并联工作，具有强大的容错性，可以方便地对单个模块替换维修。由于具有CAN现场总线，能够完成与BMS、充电桩和电流后台监控系统的实时通信，从而对锂动力电池的充电进行优化和可靠的保护。

在另一实例中，电池更换站可以包括通过以太网相连的监控系统、充电系统、计量计费系统、电池更换系统、安防系统以及换电站现场作业系统。其中，换电站现场作业系统可以包括配电系统、有源滤波系统、运行管理系统等。

图10是本发明电池更换站站内网络构建示意图。

如图10所示，该电池更换站可以包括通过以太网相连的充电柜、电池更换系统、安防系统、配电系统、计量系统、通讯管理机、计量管理机、监控服务器、安防工作站、监控工作站和计费工作站。其中，配电系统与通讯管理机通过CAN总线相连，计量系统通过RS485分别与通信管理机和计量管理机相连。

在又一实例中，站外充电桩可以包括分散或集中安装的充电桩，分散安装的充电桩通过无线网络与运行管理中心设备相连，集中安装的充电桩组成局域网并通过有线网络或无线网络与运行管理中心设备相连。

图11是本发明安防系统的一个实例的结构示意图。

如图11所示，该实施例的安防系统801可以包括安防工作站8011、嵌入式硬盘录像机8012以及前端设备8013。前端设备8013可以包括红外对射报警器、充电站消防报警主机、温度探测器、摄像头门禁控制器以及门禁上的读卡器和磁力锁。

图12是本发明安防系统的另一实例的结构示意图。

如图12所示，该安防系统包括与嵌入式硬盘录像机相连的红外对射报警器、充电站消防报警主机、温度探测器、湿度探测器、室外高速球、室外中速球、高清半球、门禁控制器(与磁力锁、读卡器相连)、安防工作站、打印机以及充电站管理监控工作站，适用于从小型到大型的各类充电站，其监测范围包括但不限于：充电站区域内场景情况；充电站内常规敞开式刀闸的分合状态；充电站内变压器等重要运行设备的外观状态；充电站内主要室内场景情况，并实现双向通话；充电站内主要室内温度、湿度合场地电缆沟的水浸情况；充电站防盗自动监控，可进行周界、室内、门禁的报警及安全布/撤防；充电站内消防系统报警联动，并对消防系统运行状态进行监视；实现对空调等设备的远方状态监视和控制。

该安防系统通过信息的共享和综合处理实现故障告警、异常告警、监控联动、实时录像、异常录像等一系列功能，提高充电站的运行维护水平，完善事故分析手段，可与其他系统无缝地成为一个保护、测控、监视、安防一体化的系统。

图13是本发明计量计费系统的一个实例的结构示意图。

如图13所示，计量计费系统主要由计量部分和计费部分组成，计量部分由关口电表、直流电表、交流电表(含三相表与单相表)以及用电采集终端组成；计费部分主要由计费工作站与服务器组成。

充电站内由用电采集终端负责采集各个关口电表、直流电表、交流电表的实时电量信息，通过本地工业以太网与计费工作站通讯，将整个充电站的总电量、各充电机的每次充电电量传送到后台进行处理，并把电量和计费信息存储到数据库服务器中；通过用电采集终端完成与用电信息采集系统或上级监控中心的通信，确保上级系统能够实时获取充电站内的电量信息。

充电站内计量方式主要有以下几种：

(1)网供计量：高供高计，在10kV侧设置计量装置，电度表准确度等级为有功0.5S和无功2.0级，电压互感器等级为0.2级，电流互感器等级为0.2S级；电表通过RS485/CAN总线等通讯方式实时传输信息到用电采集终端。网供计量方式适用于独立核算用户建立的充电站所用电量的计量。

(2)直流充电机和电动汽车之间的计量：采用直流计量，安装多功能直流电能表，对充电过程进行计量，并将计量信息传递给充电机和用电采集终端，用于后台计费系统计算、存储以及充电桩人机接口的显示。

(3)在交流充电桩上设置智能交流电度表，准确度等级为有功0.5S级。通过RS485/CAN总线等通讯方式将计量信息传递给用电采集终端与充电机，用于后台计费系统计算、存储以及充电桩人机接口的显示。

(4)在直流充电机交流侧设置智能交流电度表，并通过RS485/CAN总线通讯方式将计量信息传递给用电采集终端，并通过用电采集终端上传给充电站监控系统或上级监控系统，在数据库中保存每个充电机的计量数据。

关于计费方式，在当前尚未出台针对充电站充电电价相关政策的情况下，可考虑设立独立的税控收费系统，电价按其他类电价计费。在充电站监控系统通信管理机上预留通信接口，待电价政策确定后，可通过通信接口与上级监控系统通信获取实时电价信息，根据实时电价结合计量部分采集的电量值实时计算出电费金额。

计量计费系统还具有充电控制联动功能，其可以按照电量或金额控制充电：

(1)按电量充电

充电机给电动汽车充电时预先设置充电电量，计量系统实时采集该汽车充电电量，当充电电量达到预先设定的数值时，充电机切断输出电源，停止本次充电过程。

(2)按金额充电

充电机给电动汽车充电时预先设置本次充电所用金额，计量系统实时采集该汽车充电电量并通过不同时段费率计算出电费，当充电电量的费用达到预先设定的数值时，充电机切断输出电源，停止本次充电过程。

图14是本发明充换电系统的再一实施例的结构示意图。

如图14所示，该充换电系统包含运行管理中心设备1、充换电和控制设备2以及终端设备3。

(1)运行管理中心设备1对某特定地理区域内的相关充/换电业务的运行进行管理，其可以包含总部级运行管理服务器4和省级运行管理服务器5。省级运行管理服务器与总部级运行管理服务器之间通过光纤骨干传输网络进行通信。

(2)充换电和控制设备2在终端设备3基础之上，针对充电站、电池更换站、站外充电桩等充电设施以及流动的电池、电动汽车等对象进行管理。充换电和控制设备中所涉及的网络主要包括充电站7、电池更换站8等的站内通信网络、站外充电桩9的通信网络、地市公司光纤通信网6，以及流动的电池、电动汽车组成的临时网络。

其中，充电站7的站内通信网包含由交流充电桩15、直流充电机18、安防系统16、计量计费系统17、监控系统14和现场作业系统19组成的工业以太网27，以及站内各种终端设备组成的各种网络。

如图7所示，工业以太网27由服务器、监控工作站、计费工作站、视频工作站、打印机、用电采集终端、通信管理机以及其它可直接接入以太网的控制器、电能表、测控装置等组成，并通过通信网关13与运行管理中心设备1进行互联。

交流充电桩15包括充电控制模块、电度表、人机交互模块和通信模块等组成。其中，通信模块包括状态量采集单元、模拟量采集单元、保护单元以及通信处理单元。充电控制模块具有4路空节点开出，其中1个为常闭接点，另外3个为常开接点，可以对充电桩充电过程进行控制，并在需要时点亮告警灯。急停按钮可以让充电桩紧急停止充电。电度表采用1.0级电度表，精确计量充电汽车所充电量，电度表具有2路485通讯功能，其中一路485通讯口与桩通信模块实时通信，将电量在液晶上显示并通过CAN总线方式上传至通信管理机，再由通信管理机上传给后台；另外一路485通讯口直接上传至用电采集终端。状态量最大可以采集6路，输入电压为24V，6路状态量分别是运行监控状态、跳合闸状态监视、急停状态监视、充电接头监视以及两个备用的状态量。模拟量可以采集6路，分别为3路交流电压和3路交流电流，单相充电桩只有一相测量有用。保护单元具有输出过压、欠压、过负荷保护功能。当采集的电压超过过压保护定值或低于欠压保护定值，充电桩停止充电。当采集的电流量超过负荷电流定值发出告警信号。漏电保护断路器可保证在充电过程中发生漏电等紧急故障情况下切断所有电源。人机交互模块包括充电桩显示器和读卡器。显示器提供友好的人机操作界面和快捷简单的操作方式，而桩内安装的读卡器，用于读取客户非接触式CPU卡信息，两者结合起来可以满足客户按照不同的方式对电动汽车进行充电的要求，可以显示当前充电状态、充电电量和充电费用，可以让客户进行相应的充电方式选择。通信处理单元将从桩内采集到的状态量、模拟量、保护信号等以CAN总线方式上传到通信管理机，再由通信管理机上传给后台。

直流充电机18主要包括整流柜和直流充电桩两部分，整流柜内可以包括充电机控制器、整流设备、计量计费设备等。如图7所示，直流充电机中的直流充电桩以及在接在充电桩上充电的电动汽车电池管理系统通过CAN总线方式与控制器连接，控制器将CAN总线的通信数据以以太网的方式接入到工业以太网27内。直流充电机上的交流电表具有2路485通讯功能，其中一路485通信接口连接到控制器，由控制器接入到工业以太网27中；另一路485通信接口则直接上传至用电采集终端。

如图12所示，安防系统16可以包含安防工作站、嵌入式硬盘录像机以及各种前端设备。安防工作站是挂在工业以太网27网络上的机器节点，用于安防监控的管理。嵌入式硬盘录像机具备485接口、RS232接口、音频输入、视频输入及以太网接口等。前端设备包括红外对射报警器、充电站消防报警主机、温度探测器、摄像头门禁控制器及门禁上的读卡器和磁力锁等。

如图13所示，计量计费系统可以包括计费工作站、读卡器、用电信息采集终端以及各种电表等。其中，计费工作站是工业以太网上27的一个节点，是计量计费系统的一个后台系统，实现的功能包含电卡发卡子系统、充值子系统、管理子系统，支付环境子系统和业务管理子系统等。读卡器是通过RS232连接到计费工作站上的一个读卡终端，用于读写电卡信息。站内的各种电表，包括关口电表、直流电表、三相交流电表、单相交流电表等，通过485接口将电量数据上传到用电信息采集终端。用电采集终端是具备485接口和以太网接口的信息采集设备，485接口用于集中接收各个电表数据，以太网接口则用于将采集到的数据上传到后台工作站或上级监控中心。

监控系统14是指挂接在工业以太网27上的一个监控后台系统，包含服务器和监控后台机。监控系统14实现站内配电保护监控、交流充电桩监控、直流充电机监控、安防监控、有源滤波监控、交直流电源监控等。

电池更换站8站内通信网包含由监控系统20、充电系统21、计量计费系统22、电池更换系统23、安防系统24、现场作业系统25等组成的工业以太网26，以及站内各种终端设备组成的各种网络。

工业以太网26的构建方法与充电站7中的工业以太网27的构建方法类同。

监控系统20的构建方法与充电站7中的监控系统14的构建方法类同。

充电系统21是指电池更换站8内集中充电的充电柜和与充电柜之间用CAN总线连接的电池柜。充电柜具备以太网通信接口和CAN总线通信接口，以太网接口用于与监控后台机系统通信，CAN总线通信接口用于与电池柜上充电电池中的电池管理系统通信。

计量计费系统22的构建方法与充电站7内的计量计费系统17的构建方法类同。

电池更换系统23是指充电电池在充电、更换过程中的管理。充电电池指电池更换站8内待充电的电池、正充电的电池和已充电待更换的电池。电池上装设有电池管理系统和电子识别标签(RFID)。电池管理系统通过CAN总线通信口实现充电时与充电机之间的通信。电子识别标签实现电池身份识别，通过站内的无线识别读写器，实现电池在电池更换站内充电与换电作业过程中的自动化。

安防系统24的构建方法与充电站7中的安防系统16的构建方法类同。

站外充电桩9的通信网络是指安装在智能小区、停车场的分散或集中的充电桩。对于分散的充电桩可以根据具体情况灵活采用通信方式。单个充电桩通过其上装有的无线通讯模块(因其所在地域的不同，可以采用GPRS、CDMA1x、3G等无线通信网络31)将充电桩连接至运行管理中心设备，在条件具备时，也可以采用光纤方式传输。对于集中在一起的多个充电桩，可通过现场总线、光纤等有线网络组网，或通过WIFI、Zigbee、433MHz微功率网30等组成区域无线网络，并经区域通信网关13传至运行管理中心设备。

地市公司光纤通信网6是指由地市公司管辖区域内，各充电站、电池更换站、站外充电桩等组成的光纤通信网。

流动的电池、电动汽车组成的临时网络是指站内的电池和电动汽车的在充电站7、电池更换站8或站外充电桩9内的通信方式。当电池和电动汽车从站外进入站内，完成了管理层的认证后，便将其通信模式直接切换到本站中来，其通信方式主要是在电动汽车与非车载充电机之间的CAN总线通信；电动汽车、电池等与站内其它通信网通过站内无线局域网络进行信息交互；信息的感知与获取主要利用RFID标识、无线传感、微功率无线通信等技术实现，其中，微功率无线通信技术可以包括Zigbee、433MHz微功率无线网、adhoc、蓝牙等。

终端设备3可以包括电动汽车12、电池10和车载终端11等。如图4所示，终端设备中所涉及的网络主要包括设备身份标识标签与识别网络、车内CAN总线通信网络、电池管理系统与充电机通信网络、车载终端与运行管理中心设备之间的无线通信网等。设备身份标识标签与识别网络是指通过在终端设备上贴上RFID标签，在包括充电站、电池更换站、配送点、仓库、重要路口等地方安装架设识别装置，由这些标签和识别设备组成的网络。车内CAN总线通信网络是指电池管理系统、车辆仪表、电机控制器、车载终端等组成的CAN总线通信网。电池管理系统与充电机通信网络是指充电过程中，电池管理系统与充电机之间形成的通信接口。车载终端与运行管理中心设备之间的无线通信网是指在车载终端上安装GSM、GPRS或3G等通信模块，借助无线通信运营商的基础通道实现与运行管理中心的互联。

图15是图1所示充换电系统运行方法的一个实施例的流程示意图。

如图15所示，该实施例可以包括以下步骤：

S902，终端设备通过无线网络将运行状态发送至运行管理中心设备；

S904，在终端设备靠近充电设备时，利用CAN总线控制充电设备对电池的充电，通过无线局域网识别终端设备，并通过通信网络将读取的终端设备的信息传输至运行管理中心设备，其中，终端设备(即，电池)与充电设备之间的CAN总线用于对充电过程进行控制和监视；

S906，运行管理中心设备根据来自终端设备以及充换电和控制设备的信息对终端设备以及充换电和控制设备进行监管，并通过互联网将终端设备以及充换电和控制设备互联。

该实施例通过网络将分散孤立的终端设备和充换电设施相互联通，从而使得运行管理中心设备能够方便地获取各个设备的运行状态，以使充换电系统全面、快速、准确及直观地掌握终端设备和充换电设施的运行状况，为电动汽车产业的发展奠定基础。

在本发明方法的另一实施例中，运行状态可以包括终端设备的定位信息以及电池的状态信息，终端设备可以包括电池、车载终端以及电动汽车；终端设备通过无线网络将运行状态发送至运行管理中心设备的步骤可以包括：

通过辅助GPS方式获取终端设备的定位信息；

利用电池中的电池管理系统采集电池的状态信息；

通过无线网络将终端设备的定位信息以及电池的状态信息发送至运行管理中心设备。

图16是本发明充换电系统运行方法的另一实施例的流程示意图。

在该实施例中，终端设备可以包括电池、车载终端以及电动汽车；如图16所示，该实施例可以包括以下步骤：

S1002，终端设备通过无线网络将运行状态发送至运行管理中心设备；

S1004，在终端设备靠近充电设备时，利用CAN总线控制充电设备对电池的充电，通过无线局域网识别终端设备，并通过通信网络将读取的终端设备的信息传输至运行管理中心设备；

S1006，运行管理中心设备根据来自终端设备以及充换电和控制设备的信息对终端设备以及充换电和控制设备进行监管，并通过互联网将终端设备以及充换电和控制设备互联；

S1008，车载终端通过无线网络向运行管理中心设备发送服务请求消息，服务请求消息可以包括路况查询、附近充换电站查询以及路线查询中的至少一种；

S1010，运行管理中心设备在数据库中根据所汇集的信息进行查询，并对所汇集的信息进行分析，将分析得到的服务信息通过无线网络发送至车载终端。

在本发明方法的又一实施例中，在电池充电异常时，由电池中的电池管理系统通过CAN总线将充电异常情况告知充换电和控制设备，并由充换电和控制设备中的控制设备控制控制充电设备对电池终止充电；在电池放电异常时，通过无线网络将放电异常情况传输至运行管理中心，运行管理中心可以通过终端设备中的车载终端将控制命令发送给电池管理系统，以终止电池的放电，其中，充电异常情况包括电池总电压超过预定值、单体电压超过预定值、电池或电子元件温度过高、电池管理系统硬件故障、高压电绝缘薄弱以及连接器过温故障等；放电异常情况包括电池或电子元件温度过高、电池管理系统硬件故障以及电池欠压等。

以上通过物联网技术将电池、车载终端、电动汽车、充电桩、充电机等设备与运行管理中心设备集成于一体，使充换电系统能够全面、快速、准确、直观地掌握充电设施运行状况，为整个充换电系统的资产管理、物流配送、计费结算及客户服务等运营管理应用提供基础数据，提高了充换电系统的监视精度及管理效率，具有很好的产业前景。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (22)

1.一种充换电系统，其特征在于，包括运行管理中心设备、充换电和控制设备以及终端设备，其中，

所述运行管理中心设备，用于对所辖区域内充换电业务信息进行管理；

所述充换电和控制设备，通过通信网络与所述运行管理中心设备相连，通过无线局域网和CAN总线与所述终端设备相连，用于对电池进行充换电、对充换电站进行控制以及识别所述终端设备；

所述终端设备，通过通信网络与所述运行管理中心设备相连，用于提供终端设备的运行状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运行管理中心设备包括：

省级运行管理服务器，用于对省级网络内充换电业务的运行进行监控和管理，并汇集充换电业务信息；

总部级运行管理服务器，通过光纤网络与一个以上省级运行管理服务器相连，用于对跨省的充换电业务信息进行中转和协调。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述终端设备包括：

电池，设置有GPS定位器、GPRS无线模块以及电池管理系统，通过无线网络与所述运行管理中心设备相连，用于通过所述GPS定位器获取电池的定位信息、通过所述电池管理系统采集电池的状态信息、并通过所述GPRS无线模块将所述电池的定位信息和所述电池的状态信息传输至所述运行管理中心设备。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述终端设备包括：

电池，设置有电池管理系统，用于采集电池的状态信息；

车载终端，设置有GPS定位器和GPRS无线模块，通过CAN总线通信网络与所述电池相连，通过无线网络与所述运行管理中心设备相连，用于通过所述GPS定位器获取车载终端的定位信息、接收所述电池的状态信息、并通过所述GPRS无线模块将所述车载终端的定位信息和所述电池的状态信息传输至所述运行管理中心设备。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述终端设备包括：

电动汽车，设置有GPS定位器和GPRS无线模块，通过无线网络与所述运行管理中心设备相连，用于通过所述GPS定位器获取电动汽车的定位信息、并通过GPRS无线模块将所述电动汽车的定位信息传输至所述运行管理中心设备。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述终端设备上贴有RFID标签，以识别所述终端设备的身份。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充换电和控制设备包括：

充电站，通过光纤网络与所述运行管理中心设备相连；

电池更换站，通过光纤网络与所述运行管理中心设备相连；

站外充电桩，通过无线网络或光纤网络与所述运行管理中心设备相连。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述充电站包括通过以太网相连的监控系统、交流充电桩、安防系统、计量计费系统、直流充电机以及充电站现场作业系统。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电池更换站包括通过以太网相连的监控系统、充电系统、计量计费系统、电池更换系统、安防系统以及换电站现场作业系统。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述站外充电桩包括分散或集中安装的充电桩，分散安装的充电桩通过无线网络与所述运行管理中心设备相连，集中安装的充电桩组成局域网并通过有线网络或无线网络与所述运行管理中心设备相连。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述交流充电桩包括充电控制模块、电度表、人机交互模块和通信模块，所述充电控制模块和人机交互模块通过RS232接口与所述通信模块相连，所述电度表通过485接口与所述通信模块相连。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述通信模块包括状态量采集单元、模拟量采集单元、保护单元以及通信处理单元。

13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述直流充电机包括整流柜和直流充电桩。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述整流柜包括充电机控制器和整流设备。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述整流柜还包括直流计量计费设备。

16.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述安防系统包括安防工作站、嵌入式硬盘录像机以及前端设备。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述前端设备包括红外对射报警器、充电站消防报警主机、温度探测器、摄像头门禁控制器以及门禁上的读卡器和磁力锁。

18.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述CAN总线通信网络包括通过CAN总线相连的电池管理系统、车辆仪表、车载终端以及电机控制器。

19.一种充换电系统的运行方法，其特征在于，包括：

终端设备通过无线网络将运行状态发送至运行管理中心设备；

在所述终端设备靠近充换电和控制设备时，利用CAN总线控制所述充换电和控制设备中的充电设备对电池的充电，通过无线局域网识别所述终端设备，并通过通信网络将读取的终端设备的信息传输至所述运行管理中心设备；

所述运行管理中心设备根据来自所述终端设备以及所述充换电和控制设备的信息对所述终端设备以及所述充换电和控制设备进行监管，并通过互联网将所述终端设备以及所述充换电和控制设备互联。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述运行状态包括终端设备的定位信息以及电池的状态信息，所述终端设备包括电池、车载终端以及电动汽车，所述终端设备通过无线网络将运行状态发送至运行管理中心设备的步骤包括：

通过辅助GPS方式获取所述终端设备的定位信息；

利用所述电池中的电池管理系统采集电池的状态信息；

通过无线网络将所述终端设备的定位信息以及电池的状态信息发送至所述运行管理中心设备。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述终端设备包括电池、车载终端以及电动汽车，所述方法还包括：

所述车载终端通过无线网络向所述运行管理中心设备发送服务请求消息，所述服务请求消息包括路况查询、附近充换电站查询以及路线查询中的至少一种；

所述运行管理中心设备在数据库中查询所汇集的信息，并对所汇集的信息进行分析，将分析得到的服务信息通过无线网络发送至所述车载终端。

22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在电池充电异常时，由所述电池中的电池管理系统通过CAN总线将充电异常情况告知所述充换电和控制设备，并由所述充换电和控制设备中的控制设备控制所述充电设备对所述电池终止充电；

在所述电池放电异常时，通过无线网络将放电异常情况传输至所述运行管理中心，由所述运行管理中心通过所述终端设备中的车载终端将控制命令发送给所述电池管理系统，以终止所述电池的放电。

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