CN102891505A - 充电设备、智能运输工具充电系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种充电设备、智能运输工具充电系统及其操作方法，该充电系统包含一充电设备、一电表以及一云端服务器。该充电设备连接于一电网与一电动汽车之间，以利用该电网进行供电，并对该电动汽车提供充电。该电表操作性连接于该电网与该充电设备之间，且与该电网进行通信，以获得该电网提供至该充电设备的供电信息。该云端服务器操作性连接该电网，且通过一网关装置与该充电设备操作性连接，以接收该电网的供电信息与该电动汽车的充电信息。其中，该充电设备根据该电网的供电信息与该电动汽车的充电信息，以对该电动汽车进行智能充电。本发明还提供了上述充电系统的操作方法。

Description

充电设备、智能运输工具充电系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种智能充电系统及其操作方法，特别是一种充电设备、智能运输工具充电系统及其操作方法。
背景技术
传统的电动汽车供电设备(electric vehicle supply equipment，EVSE)的设计与发展，并没有与电网通信结合。并且，迄今为止的重点乃在于电源保护、电费计算以及安全可靠的功能。虽然这些功能提供了电动汽车充电所需要的最低要求，但是电动汽车供电设备(EVSE)必须能适应未来的变化，才会变得更具有能力。
基于一些原因，未来的电动汽车供电设备需要与电网连接，而当中最主要的原因乃在于电力负载管理(utility load management)的需要。由于插电式电动汽车(plug-in electric vehicles，PEVs)或混合动力电动汽车(hybridelectric vehicles，HEVs)大规模的使用，因此直接或间接造成电网负载的增加。假如能够对电网负载提供有效地管理，例如，将充电时间转移至离峰时段或对发电与配电网络提供更好的利用与运转，如此，再无需再增设新的发电厂。此外，智能充电(smart charging)也能够使得区域配电资产(localdistribution asset)，例如变压器(transformer)得到更好地利用。对电力事业公司(utility companies)而言，能避免随着负载多样化(loaddiversification)与尖峰负载管理智能化(intelligent peak-loadmanagement)而造成区域变压器容量的提升，是达到成本规避(cost avoidance)的主要策略。
除此之外，最重要的是，插电式电动汽车的消费者也能够受惠于智能EVSE。利用将插电式电动汽车的充电时间调整至夜间，不仅能使得发电成本下降，在某些情况下，也具有负值的区域边际价格(locational marginal price，LMP)，然而，这通常伴随着风力发电的使用。智能EVSE也能够接受直流快速充电，这将有助于插电式电动汽车使用者解决充电时间的问题。因此，智能充电(smart charging)将开启插电式电动汽车的价值，并且将其推广至大众市场。综上所述，智能EVSE系为电动汽车未来的核心组件。
智能充电的需求与EVSE成本问题两者是密不可分的。现有通信协定(communication protocol)的使用，例如CDMA调变解调变(CDMA modems)以及蜂巢式网络通信(cellular network communication)，是系统成本主要的来源。如果每个EVSE都使用蜂巢式网络通信作为主要电网通信的来源，将会使得成本太高。因此，智能EVSE需要一个最佳化的通信策略，使最大限度地减少整体成本，同时对电动汽车充电和电网负载提供更有效地管理。次要相关的问题在于EVSE本身的硬体成本。根据美国电动汽车协会(Plug-In America)对于二级(level 2，L2)所订定的规格，经UL认证的EVSE其成本介于1,000美元和4,500美元之间。但事实上，这样的成本是阻碍电动汽车在市场被广为采用的原因之一，而且，上述的成本尚未包括电网通信的软件与硬件。若将这种硬件加上多种形式的通信协定，例如CDMA、Wi-Fi……等等，将会是造成成本增加的来源。
因此，如何设计出一种智能运输工具充电系统及其操作方法，使得该充电设备根据该电网的供电信息与该电动汽车的充电信息，以对该电动汽车进行智能充电，乃为本申请所欲行克服并加以解决的一大课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种充电设备、智能运输工具充电系统及其操作方法，使得该充电设备根据该电网的供电信息与该电动汽车的充电信息，以对该电动汽车进行智能充电。
为了实现上述目的，本发明提供了一种充电设备，连接于一电网与一电动汽车之间；其中，该充电设备包含：
一测量单元，连接该电网，以测量该电网的一输出电压与一输出电流；
一通信单元，接收该电网的一输出电压与一输出电流信息、该电动汽车所需的一充电电压与一充电电流信息以及该电网的一负载状况信息；
一控制单元，连接该测量单元与该通信单元；
其中，该控制单元在符合一充电授权条件下，根据该输出电压与该输出电流信息、该充电电压与该充电电流信息以及该负载状况信息，以控制该电网通过一充电连接单元对该电动汽车进行适应性充电。
上述的充电设备，其中，该充电授权条件为一充电请求授权模式，其包含：当该电动汽车通过该通信单元提供一充电请求命令给该电网时，该电网根据其负载状况，以判断是否接受该充电请求命令，其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接受该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。
上述的充电设备，其中，该充电授权条件为一充电许可授权模式，其包含：当该电网通过该通信单元提供一充电许可命令给该电动汽车时，该电动汽车根据该输出电压与该输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该输出电压与该输出电流符合该充电电压与该充电电流时，该电动汽车接受该充电许可命令。
上述的充电设备，其中，该充电授权条件为一充电通知授权模式，其包含：当该电动汽车通过该通信单元提供一充电确认命令给该电网时，该电网根据该充电电压与该充电电流，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该充电电压与该充电电流符合该输出电压与该输出电流，该电网接受该充电确认命令。
上述的充电设备，其中，该充电连接单元为一具有电力线通信(power linecommunication，PLC)的SAE J1772充电接头。
上述充电设备，其中，该通信单元具有ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙(blue tooth)通信协定的功能。
上述的充电设备，其中，该充电设备进一步包含：
一显示单元，连接该控制单元，以显示该电网对该电动汽车的供电状况；及
一保护单元，连接该控制单元，以提供接地故障保护、过电流保护或过电压保护。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种智能运输工具充电系统，其中，包含：
一充电设备，连接于一电网与一电动汽车之间，以利用该电网进行供电，并对该电动汽车提供充电；
一电表，操作性连接于该电网与该充电设备之间，且与该电网进行通信，以获得该电网提供至该充电设备的一输出电压与一输出电流信息；及
一云端服务器，操作性连接该电网，且该云端服务器进一步通过一网关装置与该充电设备操作性连接，以接收该输出电压与该输出电流信息与该电动汽车所需的一充电电压与一充电电流信息；
其中，该充电设备根据该输出电压与该输出电流信息、该充电电压与该充电电流信息以及该电网的一负载状况信息，且在符合一充电授权条件下，对该电动汽车进行适应性充电。
上述的智能运输工具充电系统，其中，该充电授权条件为一充电请求授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供一充电请求命令给该电网时，该电网根据其负载状况，以判断是否接受该充电请求命令，其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接受该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。
上述的智能运输工具充电系统，其中，该充电授权条件为一充电许可授权模式，其包含：当该电网通过该充电设备提供一充电许可命令给该电动汽车时，该电动汽车根据该输出电压与该输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该输出电压与该输出电流符合该充电电压与该充电电流时，该电动汽车接受该充电许可命令。
上述的智能运输工具充电系统，其中，该充电授权条件包含一充电通知授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供一充电确认命令给该电网时，该电网根据该充电电压与该充电电流，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该充电电压与该充电电流符合该输出电压与该输出电流，该电网接受该充电确认命令。
上述的智能运输工具充电系统，其中，该电表为一智能电表，且该充电设备与该电表通过无线区域通信协定进行通信；且该充电设备与该电表通过ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙(blue tooth)通信协定进行通信；且该网关装置为ZigBee通信网关器、Wi-Fi通信网关器或蓝牙(blue tooth)通信网关器。
上述的智能运输工具充电系统，其中，当该充电设备与该云端服务器通过该ZigBee通信网关器选择性连接，该充电设备与该ZigBee通信网关器通过ZigBee通信协定进行通信，且该云端服务器与该ZigBee通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信；其中，当该充电设备与该云端服务器通过该Wi-Fi通信网关器选择性连接，该充电设备与该Wi-Fi通信网关器通过Wi-Fi通信协定进行通信，且该云端服务器与该Wi-Fi通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信；其中，当该充电设备与该云端服务器通过该蓝牙(blue tooth)通信网关器选择性连接，该充电设备与该蓝牙(blue tooth)通信网关器通过蓝牙(blue tooth)通信协定进行通信，且该云端服务器与该蓝牙(blue tooth)通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种智能运输工具充电操作方法，通过一电网对一电动汽车充电；其中，所述操作方法包含下列步骤：
a、提供一充电设备，且该充电设备连接于该电网与该电动汽车之间；
b、该电动汽车提供一充电请求命令，且通过该充电设备传送至该电网，以对该电网提出充电请求；
c、该电网提供一充电许可命令，且通过该充电设备传送至该电动汽车，以允许该电动汽车进行充电；
d、该电动汽车提供一充电确认命令，且通过该充电设备传送至该电网，以对该电网提出充电通知；及
e、该电网通过该充电设备对该电动汽车充电。
上述的智能运输工具充电操作方法，其中，在步骤b中，当该电动汽车对该电网提出该充电请求命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电请求授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供该充电请求命令给该电网时，该电网根据其负载状况，以判断是否接受该充电请求命令，其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接受该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。
上述的智能运输工具充电操作方法，其中，在步骤c中，当该电网对该电动汽车提出该充电许可命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电许可授权模式，其包含：当该电网通过该充电设备提供该充电许可命令给该电动汽车时，该电动汽车根据该输出电压与该输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该输出电压与该输出电流符合该充电电压与该充电电流时，该电动汽车接受该充电许可命令。
上述的智能运输工具充电操作方法，其中，在步骤d中，当该电动汽车对该电网提出该充电确认命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电通知授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供该充电确认命令给该电网时，该电网根据该充电电压与该充电电流信息，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该充电电压与该充电电流符合该输出电压与该输出电流，该电网接受该充电确认命令。
上述的智能运输工具充电操作方法，其中，所述操作方法进一步包含：
提供一电表，操作性连接于该电网与该充电设备之间，且与该电网进行通信，以获得该电网提供至该充电设备的输出电压与输出电流信息；及
提供一云端服务器，操作性连接该电网，且通过一网关装置与该充电设备操作性连接，以接收该电网的输出电压与输出电流信息与该电动汽车所需的充电电压与充电电流信息。
上述的智能运输工具充电操作方法，其中，该充电设备与该电表通过ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙(blue tooth)通信协定进行通信；且该网关装置为ZigBee通信网关器、Wi-Fi通信网关器或蓝牙(blue tooth)通信网关器。
上述的智能运输工具充电操作方法，其中，该充电设备与该云端服务器通过该ZigBee通信网关器选择性连接；该充电设备与该ZigBee通信网关器通过ZigBee通信协定进行通信，且该云端服务器与该ZigBee通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信；其中当该充电设备与该云端服务器通过该Wi-Fi通信网关器选择性连接，该充电设备与该Wi-Fi通信网关器通过Wi-Fi通信协定进行通信，且该云端服务器与该Wi-Fi通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信；其中，当该充电设备与该云端服务器通过该蓝牙(blue tooth)通信网关器选择性连接，该充电设备与该蓝牙(blue tooth)通信网关器通过蓝牙(blue tooth)通信协定进行通信，且该云端服务器与该蓝牙(blue tooth)通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信。
本发明的技术效果在于：
1、简单且精简的通信接口；
2、该智能充电设备封装提供了电力事业公司与插电式电动汽车之间必要功能，并且系统的组件数量减少百分之五十；
3、通过廉价的、可替换的网关与云端服务器通信，能够对未来的通信更具适应性；
4、邻近充电设备的间具有智慧与自动的通信；
5、不需要AMI电表的估测演算法；
6、单一制造商提供该智能充电设备作为车载型充电器，能够最大限度地降低PLC发展的风险；
7、该智能充电设备提供PEV与电力事业公司之间重要数据的收集，并且提供对使用者与电力事业公司来说更具智慧的充电方法；
8、可通过低价的网关提供使用者通信选择操作；
9、提供电力事业公司与该充电设备之间的安全加密通信；
10、通用的架构能够使已公开的智能充电设备被应用在未来的V2G(vehicle-to-grid)概念；及
11、相较于需要天线的GPRS而言，ZigBee使用上更为低价。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一充电设备的框图；
图2为本发明一智能运输工具充电系统的示意图；
图3为本发明智能运输工具充电系统第一实施例的结构框图；
图4为本发明该智能运输工具充电系统第二实施例的结构框图；
图5为本发明该智能运输工具充电系统第三实施例的结构框图；
图6为本发明该智能运输工具充电系统第四实施例的结构框图；
图7为本发明的充电设备的正视图；
图8为本发明智能运输工具充电系统操作方法的流程图。
组件其中，附图标记
10     充电设备
102    测量单元
104    通信单元
106    控制单元
108    充电连接单元
110    充电设备
112    保护单元
20     电网
30     电动汽车
40     电表
50     端服务器
60     网关装置
S100～S400 步骤
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
本发明包含一种实现住宅用途的智能充电设备的低成本最佳化方法。此最佳化方法考虑到一些智能电网化的充电设备的成本最佳化策略，包括设计一个精简的智能充电设备架构、解决区域变压器过载的问题、开发智能充电设备和PEV之间的通信演算法、采用ZigBee无线技术、整合多种特色、结合多种功能在一个微处理器中、与电力事业公司连结的移动与位置相关通信、提供可选择的Wi-Fi通信、提供自动检测，以及使用大量生产能力的设计理念。
精简的智能充电设备架构需要与区域的低成本无线网络连接，像是充电设备与家庭区域网络通信网关(home area network gateway，HAN gateway)之间的连接或是充电设备与家庭能源网关(home energy gateway，HEG)之间的连接，能够最大限度地减少通信需求和充电设备的成本。通过建立端对端(EVSE-to-EVSE，E2E)的通信网络，使得社区区域网络(neighborhood areanetwork，NAN)解决了区域变压器过载的问题。其中，社区区域网络中的充电设备在不需要通过任何与电力事业公司的沟通下，能够有智能地彼此沟通，并且，通过判断最佳的充电顺序，以防止变压器过载。值得一提，上述的新型通信演算法，主要包含两层结构：(1)利用社区区域网络端对端的通信策略，来解决变压器过载的问题；(2)利用与电力事业公司的双向通信，来解决电力超载的问题。其中，ZigBee无线技术被用来作为EVSE提供所有功能，并且达到低成本要求的通信技术。至于整合多种特色方面，可将原本不同制造商生产包装的电源保护、收入级计量(revenue grade metering)……等等整合在一起，如此能够减少组件数量(整个系统预估可减少约百分之五十)、最大限度地减少重复的电路，进而使得成本降低。关于结合多种功能是通过由一个微处理器处理，以减少电路板层的成本并且提高微处理器的控制与演算能力。另外，通过便宜的、可替换的网关实现与电力事业公司连结的移动与位置相关通信。可选择的Wi-Fi(802.11)通信能够支援没有家庭能源网关(HEG)的家庭使用。此外，也提供网关自动检测、智能电表基础建设(advanced metering infrastructure，AMI)以及其他智能充电设备。
请参见图1，图1为本发明一充电设备的框图。该充电设备10连接于一外部交流电网与一电动汽车之间。该充电设备10包含一测量单元102、一通信单元104及一控制单元106。该测量单元102连接该外部交流电网，以测量该外部交流电网的一输出电压与一输出电流大小。该通信单元104接收该外部交流电网的一供电信息、该电动汽车的一充电信息以及该电网的负载状况信息。其中，该外部交流电网的该供电信息包含该交流电网的一输出电压与一输出电流信息；该电动汽车的该充电信息包含该电动汽车所需的一充电电压与一充电电流信息；该电网的负载状况信息为该电网处于重载或轻载的操作状况。另外，该通信单元104具有ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙(bluetooth)通信协定的功能。该控制单元106连接该测量单元102与该通信单元104。其中，该控制单元106根据该外部交流电网的供电信息与该电动汽车的充电信息，控制该外部交流电网通过一连接于该电动汽车与该控制单元106的一充电连接单元108，对该电动汽车充电。其中，该充电连接单元108为一具有电力线通信(power line communication，PLC)的SAE J1772充电接头。此外，该控制单元106控制连接于该控制单元106的一显示单元110，显示该外部交流电网对该电动汽车的供电状况。另外，该充电设备10进一步包含一保护单元112，以提供接地故障保护、过电流保护或过电压保护。
请参见图2，为本发明一智能运输工具充电系统的示意图。该智能运输工具充电系统主要包含一充电设备10、一电表40及一云端服务器50。该充电设备10连接于一电网20与一电动汽车30之间，以利用该电网20进行供电，并对该电动汽车30提供充电。该电表40操作性连接于该电网20与该充电设备10之间，且与该电网20进行通信，以获得该电网20提供至该充电设备20的供电信息。该云端服务器50操作性连接该电网20，且通过一网关装置60与该充电设备10操作性连接，以接收该电网20的供电信息与该电动汽车30的充电信息。其中，该充电设备10根据该电网20的供电信息与该电动汽车30的充电信息，且在符合一充电授权条件下，以对该电动汽车30进行智能充电。
其中，该充电授权条件包含：一充电请求授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供一充电请求命令给该电网时，该电网根据电网负载状况，以判断是否接受该充电请求命令；其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接收该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。一充电许可授权；当该电网通过该充电设备提供一充电许可命令给该电动汽车时，该电动汽车根据该电网的该输出电压与该输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该电网的该输出电压与该输出电流符合该电动汽车所需的该充电电压与该充电电流时，该电动汽车接受该充电许可命令；当该电网的该输出电压与该输出电流无法符合该电动汽车所需的该充电电压与该充电电流，该电动汽车拒绝该充电许可命令。以及一充电通知授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供一充电确认命令给该电网时，该电网根据该电动汽车所需的该充电电压与该充电电流信息，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该电动汽车所需的该充电电压与该充电电流符合该电网的该输出电压与该输出电流，该电网接受该充电确认命令；当该电动汽车所需的该充电电压与该充电电流无法符合该电网的该输出电压与该输出电流时，该电网拒绝该充电确认命令。简而言之，要实现智能电能分配与充电操作，需要该电网20、该电动汽车30以及该充电设备10三者间有充分的协调操作。该充电设备10通过该云端服务器50来监测该电网20供电能力的信息，以及家用设备的总所需电力与该电动汽车30的充电信息。当充电请求被接收并且使用者决定对该电动汽车30充电，该充电设备10根据所接收的信息，控制所需要的充电电量或充电时间以对该电动汽车30充电。换句话说，在该电动汽车30被确认充电之前，该充电设备10和该电网20间的授权认证(registration)是不可或缺的，以防止该电网20因不可预测的负载条件下发生灾害事件，所以未授权认证的该充电设备10无法执行对该电动汽车30充电的动作。
该电表40为一智能电表，且该充电设备10与该电表40通过无线区域通信协定进行通信。其中，该充电设备10与该电表40通过ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙(blue tooth)通信协定进行通信，但不以此为限。并且，该网关装置60为ZigBee通信网关器、Wi-Fi通信网关器或蓝牙(blue tooth)通信网关器，但不以此为限。
在后文将以多个实施例为例加以说明该智能运输工具充电系统的架构与操作原理。请参见图3，为本发明该智能运输工具充电系统第一实施例的结构框图。该第一实施例的架构具有简单并节省成本的优点，同时仍维持与所有所需的智能电网连接。在图3中，假设此家庭具有智能电表基础建设(AMI)，并且，该网关装置60为一家庭能源网关(home energy gateway，HEG)，使用者能够选择个人喜好的电动汽车充电需求，通过该网关装置60与该充电设备10进行信息交换。
为了能够充分利用智能电网的产品，以及使用通用接口(universalinterface)与具有庞大系统的电力事业公司的电网进行通信，该网关装置60是不可或缺的。而且，允许将多个家用智能设备(图未示)，例如可编程控制恒温器(programmable control thermostat，PCT)或家用能源显示管理器(in-home display)，通过一个共用接口与电力事业公司连接，而能够将数据传输到该云端服务器(cloud server)50。一旦该云端服务器50上的数据资料能够提供给电力事业公司，智能电网将具有相当弹性的选择性。此外，该网关装置60也提供智能电表基础建设(AMI)的安全通信路径，让重要的信息，例如家用瞬时功率，能够随时地提供给与该网关装置60连接的所有产品。值得一提，此外，该充电设备10具有网关自动检测的功能，能够提供使用者随插即用(plug-and-play)的交握功能。
一旦有更多的消费者了解这些智能设备具有潜在的费用节省价值，它们将变得更加普遍，因此，这些价格将会因更大的需求与竞争而减少。此外，一些电力事业公司可以选择性地提供使用者免费的网关装置。因此，网关使用必要性的实现，应用在具有最低需求的通信选项的智能充电设备上，将能够降低费用与复杂性。
由于ZigBee通信协定因应智慧能源规范(smart energy profile，SEP)而具有强化数据安全的优势，因此，ZigBee被视为是该智能充电设备10与该网关装置60之间首选的通信途径。此外，由该网关装置60至该云端服务器50的主流通信路径是通过以太网络(Ethernet)通信协定，可直接在家中上网进行通信，虽然其他的方式，例如通用封包无线服务技术(general packetradio service，GPRS)也是可行，但必须取决于居住地是否提供可用的通信服务。因为该网关装置60是小型、价格低廉、可替换的装置，如果将来朝向这方面发展，对于其他通信方法的适应将可以很容易地被实现。
值得一提，该充电设备与该云端服务器之间连接所使用的该网关装置60可为以下种类：ZigBee通信网关器、Wi-Fi通信网关器或蓝牙(blue tooth)通信网关。在此实施例中，该充电设备10与该云端服务器50通过该ZigBee通信网关器60选择性连接；其中该充电设备10与该ZigBee通信网关器60通过ZigBee通信协定进行通信，且该云端服务器50与该ZigBee通信网关器60通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信。
基准系统架构(baseline system architecture)的关键优势在于端对端(E2E)的通信。对电力事业公司来说，插电式电动汽车的使用并非是棘手的课题，倒是区域配电网络才是真正困难且具有挑战性的。为了解决这个问题，该充电设备10与其他邻近的充电设备之间，需要有明确的充电策略，以尽量地减少邻近变压器超载的风险。社区区域网络(NAN)使用端对端(E2E)的通信，能够对简易、不具通信或无法交换数据信息的电力事业公司进行保护。有许多可采用的改善策略，像是安排充电顺序，其中可能包含特定的PEV信息，例如充电状态(state-of-charge，SOC)。最重要的还在于该充电设备10允许多个控制策略。此外，实现端对端通信的较佳通信路径，是通过以太网络通信协定，直接在家中上网并且通过该云端服务器50处理。然而，使用区域性的ZigBee端对端通信也是可行的选择。具体而言，ZigBee存在有大约30公尺通信的限制，如此，对于集中的地区，例如公寓、连栋式住宅……等等，ZigBee可能是最佳的选择。一个ZigBee模组可与多个该充电设备10允许以及其他具有接收与发送功能的设备进行通信。此外，该充电设备10具有自动检测邻近充电设备的功能，并且能够提供使用者随插即用(plug-and-play)的交握功能。另外，该充电设备10也能够从该云端服务器50收集邻近充电设备的信息。
请参见图4，为本发明该智能运输工具充电系统第二实施例的结构框图。如图所示，该实施例与上述第一实施例最大差异在于，此家庭所使用的该网关装置60并非该家庭能源网关，而是一Wi-Fi通信。因此，在上述图3中所描述的基本构架功能，在图4中同样有用。因此，使用者可选择廉价的Wi-Fi通信，作为在没有家庭能源网关的状况下，还能够将数据资料传输至该云端服务器50。在这种情况下，该充电设备10能够自动检测出缺少家庭能源网关，并使用ZigBee直接与该电表40进行通信。因此，即使少了家庭能源网关，所有家用瞬时功率数据仍然可被该充电设备10所获取。值得一提，在此实施例中，该充电设备10与该云端服务器50通过该Wi-Fi通信网关器60选择性连接；其中该充电设备10与该Wi-Fi通信网关器60通过Wi-Fi通信协定进行通信，且该云端服务器50与该Wi-Fi通信网关器60通过以太网络(Ethernet)通信协定进行通信。
请参见图5，为本发明智能运输工具充电系统第三实施例的结构框图。如图所示，在此实施例中，假设此家庭并不具有该智能电表基础建设(AMI)通信。在这种情况下，瞬时家庭负载信息是没有用的，并且该充电设备10的控制状态必须受到限制。不过，这种情况可以进一步通过充电设备端对端(E2E)的通信，收集来自邻近共用变压器的负载信息而得到改善，如此将使得一些家用电源能够得到更佳的控制策略，而大大地减少变压器超载的风险。
请参见图6，为本发明智能运输工具充电系统第四实施例的结构框图。如图所示，在此实施例中，假设此家庭并不具有该智能电表基础建设(AMI)通信以及该家庭能源网关(HEG)装置。该充电设备10使用的策略在于结合前述第二实施例与第三实施例。所有的实施例都允许通过该云端服务器50通信的该充电设备10与电力事业公司之间具有双向数据交换的功能。假设在Wi-Fi通信无法使用的情况下，就需要有一个适当的网关装置被采用与该云端服务器50进行通信。此外，如果ZigBee通信被邻近的一个或多个充电设备所限制，则邻近的数据数据仍然可以通过该云端服务器50进行通信传输。
请参见图7，为本发明该充电设备的正视图。如图所示，该充电设备10具有“最低费率”功能，使得用户能够方便地选择最经济的充电方法，因此，该充电设备10所执行的智能动作，便能达到这种低成本的充电方法。利用该充电设备10本身的液晶显示器可显示出，如日期、时间、目前电能费率、充电电池充电模式、使用时间价格、充电状态……等等。此外，该充电设备10也配置彩色LED，用简单的RGY系统来指示使用者充电时负载的状态，包括重载、中载以及轻载。另外，也可以利用LCD萤幕结合LED显示，以提供使用者明确并且简单易读的信息。使用者可利用低成本的输入装置，例如按钮或利用触控式萤幕或按键来进行输入的动作。如图7为例，包含一按钮开启充电操作，以及另一按钮选择最低费率(lowest rate)模式。在这个例子中，当使用者选择最低费率模式时，该充电设备10将被安排在低费率时段执行充电程序，例如在半夜电网负载为较小时。
请参见图8，系为本发明该智能运输工具充电系统操作方法的流程图。该智能运输工具充电系统通过一电网对一电动汽车充电。该操作方法包含下列步骤：首先，提供一充电设备(S100)，且该充电设备连接于该电网与该电动汽车之间。接着，该电动汽车提供一充电请求命令，且通过该充电设备传送至该电网，以对该电网提出充电请求(S200)。值得一提，当该电动汽车对该电网提出该充电请求命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电请求授权模式。当该电动汽车通过该充电设备提供该充电请求命令，对该电网提出充电请求时，该电网根据电网负载状况，以判断是否接受该充电请求命令；其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接收该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。亦即，当该电网检测出电网负载为高度使用状况时，则该电网可拒绝接收该充电请求命令，而不接受该电动汽车充电请求；反之，当该电网检测出电网负载为低度使用状况时，则该电网系接收该充电请求命令，而接受该电动汽车充电请求。
接着，该电网提供一充电许可命令，且通过该充电设备传送至该电动汽车，以允许该电动汽车进行充电(S300)。值得一提，当该电网对该电动汽车提出该充电许可命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电许可授权模式。当该电网通过该充电设备提供该充电许可命令，允许该电动汽车进行充电时，该电动汽车根据该电网的输出电压与输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该电网的输出电压与输出电流符合该电动汽车所需的充电电压与充电电流，该电动汽车接收该充电许可命令；当该电网的输出电压与输出电流无法符合该电动汽车所需的充电电压与充电电流，该电动汽车拒绝该充电许可命令。
接着，该电动汽车提供一充电确认命令，且通过该充电设备传送至该电网，以对该电网提出充电通知(S400)。值得一提，当该电动汽车对该电网提出该充电确认命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电通知授权模式。当该电动汽车通过该充电设备提供该充电确认命令，对该电网提出充电通知时，该电网根据该电动汽车所需的充电电压与充电电流信息，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该电动汽车所需的充电电压与充电电流符合该电网的输出电压与输出电流，该电网接收该充电确认命令；当该电动汽车所需的充电电压与充电电流无法符合该电网的输出电压与输出电流，该电网拒绝该充电确认命令。最后，该电网通过该充电设备对该电动汽车充电(S500)。
此外，该操作方法进一步包含以下的步骤，以提供电网供电信息与电动汽车充电信息的无线通信。该些步骤包含：提供一电表，该电表操作性连接于该电网与该充电设备之间，且与该电网进行通信，以获得该电网提供至该充电设备的供电信息。其中，该充电设备与该电表通过ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙(blue tooth)通信协定进行通信，且该网关装置为ZigBee通信网关器、Wi-Fi通信网关器或蓝牙(blue tooth)通信网关器。另外，提供一云端服务器，该云端服务器操作性连接该电网，且通过一网关装置与该充电设备操作性连接，以接收该电网的供电信息与该电动汽车的充电信息。
值得一提，该充电设备与该云端服务器之间连接方式有以下方式：
(1)该充电设备与该云端服务器通过该ZigBee通信网关器选择性连接；其中该充电设备与该ZigBee通信网关器通过ZigBee通信协定通信，且该云端服务器与该ZigBee通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定通信；
(2)该充电设备与该云端服务器通过该Wi-Fi通信网关器选择性连接；其中该充电设备与该Wi-Fi通信网关器通过Wi-Fi通信协定通信，且该云端服务器与该Wi-Fi通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定通信；或
(3)该充电设备与该云端服务器通过该蓝牙(blue tooth)通信网关器选择性连接；其中该充电设备与该蓝牙(blue tooth)通信网关器通过蓝牙(bluetooth)通信协定通信，且该云端服务器与该蓝牙(blue tooth)通信网关器通过以太网络(Ethernet)通信协定通信。
该充电设备、该电网(电力事业公司)以及该电动汽车三者之间更详细的说明如下：首先，使用者将插电式电动汽车(PEV)接上插头以接通电源。然后，该充电设备得到来自PEV的信息，例如充电量、电池充电状态……等等。然后，使用者在该充电设备中输入选项，包括即时或延迟、PEV下次充电的开始时间……等等。接着，当该充电设备接收到来自PEV的信息与来自使用者所输入的选项信息后，该充电设备传送所接收的信息至该电网。随后，充电请求根据电网负载的情况被决定，包括家庭电量消耗、其他PEV的电力需求……等等。举例来说，若电网负载大于85％，此充电请求将被拒绝；若电网负载大于70％但小于85％，此充电请求则是在峰值费率下启用。此外，若电网负载小于70％，则此充电请求可被接受。但，上述仅为举例用，不作为本发明实施的限制。接着，该电网回复负载情况给该充电设备，然后该充电设备通知使用者。接着，使用者确认来自该电网的回复，并判断PEV是否通过该充电设备充电。最后，该充电设备将使用者的答复传送至该电网。值得一提，执行该方法的整个步骤所需的时间通常不到1分钟。因此，此方法对PEV提供了一个简单、快速、方便、经济的充电操作。然而，上述的步骤可根据对该电网、该充电设备与PEV之间的整合的实际应用，提供适度地调整。
简而言之，要实现智能电能分配与充电操作，需要电力事业公司、PEV以及充电设备三者间有充分的协调操作。该充电设备通过云端服务器来监测电力事业公司供电能力的信息，以及家用设备的总所需电力与PEV充电信息。当充电请求被接收并且使用者决定对PEV充电，该充电设备根据所接收的信息，控制所需要的充电电量或充电时间以对PEV充电。换句话说，在PEV被确认充电之前，该充电设备和电力事业公司间的授权认证(registration)是不可或缺的，以防止电力事业公司因不可预测的负载条件下发生灾害事件，所以未授权认证的该充电设备无法执行对PEV充电的动作。
其他的实施例，例如包括各种使用时间(TOU)或由电力事业公司所做的负载平衡测量……等等，都能在此技术下实行。另外，使用者输入喜好的选项包含预先设定与其他参数。在此情况下，使用者和电力事业公司的投入充满了高度的变数，但可以全面地支持该充电设备的发展。例如：(a)智能充电设备可在有LED或其他即时装置，来作为指示当下电网负载的情形或与负载结合的价格信号，以提供使用者在输入该充电设备之前参考。(b)使用者可通过电力事业公司或智能充电设备的排程，寻找低成本的备用充电时间或根据电力事业公司所安排的其他离峰时间。(c)电力事业公司可能会限制在峰值状况下提供低价的功率潮流，例如，将充电设备用在3.3kW的充电或在尖峰时段提供低费率。(d)完全注册程序持续约10分钟。这程序仅仅是一种智能充电设备架构提供许多可能的解决方案之一。随着各方之间的密切协调，许多最佳化使用控制概念将在现有的项目基础下被发展。
综上所述，本发明具有下列特征与优点：
1、简单且精简的通信接口；
2、该智能充电设备封装提供了电力事业公司与插电式电动汽车之间必要功能，并且系统的组件数量减少百分之五十；
3、通过廉价的、可替换的网关与云端服务器通信，能够对未来的通信更具适应性；
4、邻近充电设备之间具有智能与自动的通信；
5、不需要AMI电表的估测演算法；
6、单一制造商提供该智能充电设备作为车载型充电器，能够最大限度地降低PLC发展的风险；
7、该智能充电设备提供PEV与电力事业公司之间重要数据的收集，并且提供对使用者与电力事业公司来说更具智能的充电方法；
8、可通过低价的网关提供使用者的通信选择操作；
9、提供电力事业公司与该充电设备之间的安全加密通信；
10、通用的架构能够使已公开的智能充电设备被应用在未来的V2G(vehicle-to-grid)概念；及
11、相较于需要天线的GPRS而言，ZigBee使用上更为低价。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (20)

1.一种充电设备，连接于一电网与一电动汽车之间；其特征在于，该充电设备包含：
一测量单元，连接该电网，以测量该电网的一输出电压与一输出电流；
一通信单元，接收该电网的一输出电压与一输出电流信息、该电动汽车所需的一充电电压与一充电电流信息以及该电网的一负载状况信息；
一控制单元，连接该测量单元与该通信单元；
其中，该控制单元在符合一充电授权条件下，根据该输出电压与该输出电流信息、该充电电压与该充电电流信息以及该负载状况信息，以控制该电网通过一充电连接单元对该电动汽车进行适应性充电。
2.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，该充电授权条件为一充电请求授权模式，其包含：当该电动汽车通过该通信单元提供一充电请求命令给该电网时，该电网根据其负载状况，以判断是否接受该充电请求命令，其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接受该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。
3.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，该充电授权条件为一充电许可授权模式，其包含：当该电网通过该通信单元提供一充电许可命令给该电动汽车时，该电动汽车根据该输出电压与该输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该输出电压与该输出电流符合该充电电压与该充电电流时，该电动汽车接受该充电许可命令。
4.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，该充电授权条件为一充电通知授权模式，其包含：当该电动汽车通过该通信单元提供一充电确认命令给该电网时，该电网根据该充电电压与该充电电流，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该充电电压与该充电电流符合该输出电压与该输出电流，该电网接受该充电确认命令。
5.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，该充电连接单元为一具有电力线通信的SAE J1772充电接头。
6.如权利要求1所述充电设备，其特征在于，该通信单元具有ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙通信协定的功能。
7.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，该充电设备进一步包含：
一显示单元，连接该控制单元，以显示该电网对该电动汽车的供电状况；及
一保护单元，连接该控制单元，以提供接地故障保护、过电流保护或过电压保护。
8.一种智能运输工具充电系统，其特征在于，包含：
一充电设备，连接于一电网与一电动汽车之间，以利用该电网进行供电，并对该电动汽车提供充电；
一电表，操作性连接于该电网与该充电设备之间，且与该电网进行通信，以获得该电网提供至该充电设备的一输出电压与一输出电流信息；及
一云端服务器，操作性连接该电网，且该云端服务器进一步通过一网关装置与该充电设备操作性连接，以接收该输出电压与该输出电流信息与该电动汽车所需的一充电电压与一充电电流信息；
其中，该充电设备根据该输出电压与该输出电流信息、该充电电压与该充电电流信息以及该电网的一负载状况信息，且在符合一充电授权条件下，对该电动汽车进行适应性充电。
9.如权利要求8所述的智能运输工具充电系统，其特征在于，该充电授权条件为一充电请求授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供一充电请求命令给该电网时，该电网根据其负载状况，以判断是否接受该充电请求命令，其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接受该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。
10.如权利要求8所述的智能运输工具充电系统，其特征在于，该充电授权条件为一充电许可授权模式，其包含：当该电网通过该充电设备提供一充电许可命令给该电动汽车时，该电动汽车根据该输出电压与该输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该输出电压与该输出电流符合该充电电压与该充电电流时，该电动汽车接受该充电许可命令。
11.如权利要求8所述的智能运输工具充电系统，其特征在于，该充电授权条件包含一充电通知授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供一充电确认命令给该电网时，该电网根据该充电电压与该充电电流，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该充电电压与该充电电流符合该输出电压与该输出电流，该电网接受该充电确认命令。
12.如权利要求8所述的智能运输工具充电系统，其特征在于，该电表为一智能电表，且该充电设备与该电表通过无线区域通信协定进行通信；且该充电设备与该电表通过ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙通信协定进行通信；且该网关装置为ZigBee通信网关器、Wi-Fi通信网关器或蓝牙通信网关器。
13.如权利要求12所述的智能运输工具充电系统，其特征在于，当该充电设备与该云端服务器通过该ZigBee通信网关器选择性连接，该充电设备与该ZigBee通信网关器通过ZigBee通信协定进行通信，且该云端服务器与该ZigBee通信网关器通过以太网络通信协定进行通信；其中，当该充电设备与该云端服务器通过该Wi-Fi通信网关器选择性连接，该充电设备与该Wi-Fi通信网关器通过Wi-Fi通信协定进行通信，且该云端服务器与该Wi-Fi通信网关器通过以太网络通信协定进行通信；其中，当该充电设备与该云端服务器通过该蓝牙通信网关器选择性连接，该充电设备与该蓝牙通信网关器通过蓝牙通信协定进行通信，且该云端服务器与该蓝牙通信网关器通过以太网络通信协定进行通信。
14.一种智能运输工具充电操作方法，通过一电网对一电动汽车充电；其特征在于，所述操作方法包含下列步骤：
a、提供一充电设备，且该充电设备连接于该电网与该电动汽车之间；
b、该电动汽车提供一充电请求命令，且通过该充电设备传送至该电网，以对该电网提出充电请求；
c、该电网提供一充电许可命令，且通过该充电设备传送至该电动汽车，以允许该电动汽车进行充电；
d、该电动汽车提供一充电确认命令，且通过该充电设备传送至该电网，以对该电网提出充电通知；及
e、该电网通过该充电设备对该电动汽车充电。
15.如权利要求14所述的智能运输工具充电操作方法，其特征在于，在步骤b中，当该电动汽车对该电网提出该充电请求命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电请求授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供该充电请求命令给该电网时，该电网根据其负载状况，以判断是否接受该充电请求命令，其中，当电网负载状况为轻载时，该电网接受该充电请求命令；当电网负载状况为重载时，该电网拒绝该充电请求命令。
16.如权利要求14所述的智能运输工具充电操作方法，其特征在于，在步骤c中，当该电网对该电动汽车提出该充电许可命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电许可授权模式，其包含：当该电网通过该充电设备提供该充电许可命令给该电动汽车时，该电动汽车根据该输出电压与该输出电流信息，以判断是否接受该充电许可命令；其中，当该输出电压与该输出电流符合该充电电压与该充电电流时，该电动汽车接受该充电许可命令。
17.如权利要求14所述的智能运输工具充电操作方法，其特征在于，在步骤d中，当该电动汽车对该电网提出该充电确认命令时，该电动汽车、该充电设备与该电网需要进一步执行一充电通知授权模式，其包含：当该电动汽车通过该充电设备提供该充电确认命令给该电网时，该电网根据该充电电压与该充电电流信息，以判断是否接受该充电确认命令；其中当该充电电压与该充电电流符合该输出电压与该输出电流，该电网接受该充电确认命令。
18.如权利要求14所述的智能运输工具充电操作方法，其特征在于，所述操作方法进一步包含：
提供一电表，操作性连接于该电网与该充电设备之间，且与该电网进行通信，以获得该电网提供至该充电设备的输出电压与输出电流信息；及
提供一云端服务器，操作性连接该电网，且通过一网关装置与该充电设备操作性连接，以接收该电网的输出电压与输出电流信息与该电动汽车所需的充电电压与充电电流信息。
19.如权利要求14所述的智能运输工具充电操作方法，其特征在于，该充电设备与该电表通过ZigBee通信协定、Wi-Fi通信协定或蓝牙通信协定进行通信；且该网关装置为ZigBee通信网关器、Wi-Fi通信网关器或蓝牙通信网关器。
20.如权利要求19所述的智能运输工具充电操作方法，其特征在于，该充电设备与该云端服务器通过该ZigBee通信网关器选择性连接；该充电设备与该ZigBee通信网关器通过ZigBee通信协定进行通信，且该云端服务器与该ZigBee通信网关器通过以太网络通信协定进行通信；其中当该充电设备与该云端服务器通过该Wi-Fi通信网关器选择性连接，该充电设备与该Wi-Fi通信网关器通过Wi-Fi通信协定进行通信，且该云端服务器与该Wi-Fi通信网关器通过以太网络通信协定进行通信；其中，当该充电设备与该云端服务器通过该蓝牙通信网关器选择性连接，该充电设备与该蓝牙通信网关器通过蓝牙通信协定进行通信，且该云端服务器与该蓝牙通信网关器通过以太网络通信协定进行通信。
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