CN104218644A - 一种电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法，设备包括保护模块、交流模块、直流模块、计量计费模块、刷卡模块、综合测控模块、主控模块和触屏模块；交流模块、刷卡模块和综合测控模块分别与主控模块单向连接，计量计费模块、触屏模块和直流模块分别与主控模块双向连接，交流模块和直流模块分别与综合测控模块单向连接，且分别与保护模块双向连接。本发明提供的电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法，可以满足实际应用需求，同时兼顾有序充电控制功能，对于未来电动汽车充电设施推广有重要意义。

Description

一种电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及一种电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法。

背景技术

发展电动汽车是解决能源短缺和环境危机的重要途径，电动汽车发展依赖于充换电设施的建设与发展，电动汽车电能补给模式包含交流充电、直流充电和电池更换三种方式。表1对比了当前三种电能补给模式的优缺点。通过表中对比发现，交流充电和直流充电具有各自的优势和应用场合，实现交直流电能补给模式互补受到广泛关注，研制交直流组合一体式充电设备，兼顾常规充电和应急充电两种模式，应用需求日益凸显。

表1

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法，可以满足实际应用需求，同时兼顾有序充电控制功能，对于未来电动汽车充电设施推广有重要意义。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种电动汽车交直流智能一体化充电设备，所述设备包括保护模块、交流模块、直流模块、计量计费模块、刷卡模块、综合测控模块、主控模块和触屏模块；所述交流模块、刷卡模块和综合测控模块分别与所述主控模块单向连接，所述计量计费模块、触屏模块和直流模块分别与所述主控模块双向连接，所述交流模块和直流模块分别与综合测控模块单向连接，且分别与所述保护模块双向连接。

所述保护模块包括浪涌保护器和漏电保护器；两者均设置在所述设备的交流进线侧，主要采集交流模块和直流模块中的交流输入信息，超过动作阈值将进行保护动作；

所述浪涌保护器的工作电压介于所述设备的冲击耐受电压和电网的最高运行电压之间；

所述漏电保护器选用30mA动作阀值的漏电保护器。

所述交流模块将控制导引模拟量、第一充电插头电子锁状态和第一状态显示灯状态传至主控模块，主控模块控制交流模块中的第一交流接触器，实行充电启停控制。

所述交流模块包括第一交流接触器、第一充电插头电子锁、第一状态指示灯和第一控制导引电路；所述第一交流接触器采用低压交流接触器，所述第一充电插头电子锁为电磁式电子锁，第一状态指示灯用于表示交流模块的工作状态。

所述第一交流接触器的额定工作电压U_kN和额定工作电流I_kN分别满足：

U_kN≥k_uU_N

I_d≥I_kN≥k_iI_N

其中，U_N和I_N分别为线路的额定电压和额定电流；I_d为线路最小短路电流；k_u为电压裕度系数，取值范围为1.05～1.15；k_i为电流裕度系数，取值范围为1.2～1.5。

所述直流模块将充电过程数据、第二充电插头电子锁状态、第二状态显示灯状态传至主控模块，主控模块控制直流模块的功率输出和启停状态。

所述直流模块包括第二交流接触器、直流接触器、第二充电插头电子锁、第二状态指示灯、充电模块和第二控制导引电路；所述第二交流接触器和直流接触器均采用电磁式接触器，所述第二充电插头电子锁为电磁式电子锁，所述第二状态指示灯用于表示直流模块的工作状态，所述充电模块用于给电动汽车的车载电池提供直流电源。

所述计量计费模块主要包括直流计量表和交流计量表，用于采集电能信息并将电能信息传送给主控模块，主控模块下发费率至计量计费模块；所述电能信息包括电压、电流、功率和功率因数；

所述直流计量表和交流计量表的额定最大电流均用I_b表示，计量线路最大工作功率均用P_NMAX表示，分别满足：

$\frac{I_n}{k_{b\max }}\≤I_b\≤\frac{I_n}{k_{b\min }}$

$P_{\mathrm{NMAX}}=\sqrt{3}{U}_N{I}_b$

其中，I_n为额定负载电流，k_bmax和k_bmin分别为负载电流系数上下限，U_N为直流计量表或交流计量表的额定工作电压。

所述刷卡模块包括加密芯片和射频卡线圈；所述射频卡线圈采集用户充电卡信息，用户充电卡信息通过加密芯片加密后传至主控模块；所述用户充电卡信息包括卡号、个人信息、有效期、卡状态和卡余额。

所述综合测控模块包括交流侧电压采集模块、交流侧电流采集模块、直流侧电压采集模块、直流侧电流采集模块、温度采集模块、告警量输入模块、RS485通信模块、遥信量输出模块和DSP模块；

所述交流侧电压采集模块、交流侧电流采集模块、直流侧电压采集模块、直流侧电流采集模块和温度采集模块分别采集交流侧电压、交流侧电流、直流侧电压、直流侧电流和车载电池温度，并分别将采集的信息经过AD转换后汇总到DSP模块，所述DSP再通过RS485通信模块将信息传输给主控模块，实现与所述主控模块的信息交互。

所述主控模块包括中央处理器、电源电路、电平转换电路、隔离电源、CAN收发器、RS485收发器、RS232电平转换电路、PWM通信接口、AD采集电路、I/O输入接口、I/O输出接口和PWM电路；

所述电源电路为电平转换电路提供高电平信息，所述电平转换电路将转换得到的低电平信息传输给中央处理器，所述AD采样电路将接收的模拟信息转换为数字信息，并将数字信息传输给所述中央处理器；所述电平转换电路通过CAN收发器、RS485收发器和RS232电平转换电路与所述中央处理器连接，所述电平转换电路与CAN收发器、RS485收发器和RS232电平转换电路之间设有隔离电源；所述中央处理器输出PWM波信息给所述PWM电路，且通过I/O输入接口接收信息，通过I/O输出接口发送信息。

所述触屏模块为触摸式液晶显示屏，其接受用户充电输入信息，包括充电方式、充电模式、启动充电命令等，将数据传至主控模块，主控模块可以将计量计费模块上传的电压、电流、功率等数据传至触屏模块。

本发明还提供一种电动汽车交直流智能一体化充电设备的控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：用户进入并启动所述设备的主界面，进行初始化启动，同时提示用户进行刷卡操作；

步骤2：刷卡模块实时检测感应范围内的用户充电卡，同时读取卡号和有效期，并做出有效期判断，若超出有效期，则提示用户充电卡已过期，否则进入密码输入界面；若密码错误，提示密码输入错误，若密码正确，则查询卡余额、灰锁记录及上次交易记录情况，根据充电设置情况，冻结卡金额，将用户充电卡设置为灰锁状态，并进入充电选择界面；

步骤3：用户根据自身车辆类型选择充电模式，或所述设备根据输入端口检测自动选择充电模式；所述充电模式包括单相交流充电、三相交流充电和直流充电；

步骤4：设置充电模式后，第一充电插头电子锁或第二充电插头电子锁自动锁定，进入充电模式；

步骤5：所述设备根据上级下达的功率控制指令，进行输出功率控制，比较当前输出功率与上级下达功率限值，若两者的差值为正，对于交流充电，通过PWM电路向充电模块下发功率限值信息，对于直流充电，则将充电模块的输出功率降低；并自动根据输出功率和上级下达的功率限值自动匹配充电模块，由于多充电模块均流原因，选择充电模块的数量为向下取整；

步骤6：充电结束后，通过计量计费模块进行费用实时结算，用户通过刷卡解除灰锁状态，并结算充电费用，第二充电插头电子锁解除锁定，充电结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

考虑到设备运行安全、环境适应性，本发明提供了电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法，考虑目前支付便捷性，研究基于支付卡、非接触卡、网络支付等多支付模式的支付方案，通过对设备输出特性、安全特性、环境特性以及支付流程测试，可实现交流、直流同时工作，满足设备长期运营需求。

附图说明

图1是本发明实施例中电动汽车交直流智能一体化充电设备结构框图；

图2是本发明实施例中交流模块、中央控制器、刷卡模块和直流模块连接示意图；

图3是本发明实施例中主控模块结构框图；

图4是本发明实施例中电动汽车交直流智能一体化充电设备的控制方法流程图；

图5是本发明实施例中刷卡模块运行流程图；

图6是本发明实施例中智能功率控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

电动汽车电能补给模式依赖于电动汽车充电场景和充电需求，研究多种电能补给模式相结合的充电设备具有广泛适应性，根据常规慢充和直流快充的电能补给特点，研究交直流组合一体化充电设备电气拓扑，考虑设备运行安全、环境适应性，提出了电动汽车交直流智能一体化充电设备及其控制方法，考虑目前支付便捷性，研究基于支付卡、非接触卡、网络支付等多支付模式的支付方案，通过对设备输出特性、安全特性、环境特性以及支付流程测试，可实现交流、直流同时工作，满足设备长期运营需求。

如图1和图2，本发明提供一种电动汽车交直流智能一体化充电设备，所述设备包括保护模块、交流模块、直流模块、计量计费模块、刷卡模块、综合测控模块、主控模块和触屏模块；所述交流模块、刷卡模块和综合测控模块分别与所述主控模块单向连接，所述计量计费模块、触屏模块和直流模块分别与所述主控模块双向连接，所述交流模块和直流模块分别与综合测控模块单向连接，且分别与所述保护模块双向连接。

所述保护模块包括浪涌保护器和漏电保护器；两者均设置在所述设备的交流进线侧，主要采集交流模块和直流模块中的交流输入信息，超过动作阈值将进行保护动作；

所述浪涌保护器器主要保护设备雷电伤害，其工作电压介于所述设备的冲击耐受电压和电网的最高运行电压之间；

所述漏电保护器目前按照剩余电流进行，按照国家标准，选用30mA动作阀值的漏电保护器。

所述交流模块将控制导引模拟量、第一充电插头电子锁状态和第一状态显示灯状态传至主控模块，主控模块控制交流模块中的第一交流接触器，实行充电启停控制。

所述交流模块包括第一交流接触器、第一充电插头电子锁、第一状态指示灯和第一控制导引电路；所述第一交流接触器采用低压交流接触器，所述第一充电插头电子锁为电磁式电子锁，第一状态指示灯用于表示交流模块的工作状态。

所述第一交流接触器的额定工作电压U_kN和额定工作电流I_kN分别满足：

U_kN≥k_uU_N

I_d≥I_kN≥k_iI_N

其中，U_N和I_N分别为线路的额定电压和额定电流；I_d为线路最小短路电流；k_u为电压裕度系数，取值范围为1.05～1.15；k_i为电流裕度系数，取值范围为1.2～1.5。

所述直流模块将充电过程数据、第二充电插头电子锁状态、第二状态显示灯状态传至主控模块，主控模块控制直流模块的功率输出和启停状态。

所述直流模块包括第二交流接触器、直流接触器、第二充电插头电子锁、第二状态指示灯、充电模块和第二控制导引电路；所述第二交流接触器和直流接触器均采用电磁式接触器，所述第二充电插头电子锁为电磁式电子锁，所述第二状态指示灯用于表示直流模块的工作状态，所述充电模块用于给电动汽车的车载电池提供直流电源。

第一控制导引电路和第二控制导引电路均为电阻分压电路，在充电桩插头与电动汽车连接可靠后，电动汽车侧并入电阻，导致控制导引电路检测点电压发生改变，并有电压值判定充电插头与电动汽车连接是否可靠。

所述计量计费模块主要包括直流计量表和交流计量表，用于采集电能信息并将电能信息传送给主控模块，主控模块下发费率至计量计费模块；所述电能信息包括电压、电流、功率和功率因数；

所述直流计量表和交流计量表的额定最大电流均用I_b表示，计量线路最大工作功率均用P_NMAX表示，分别满足：

$\frac{I_n}{k_{b\max }}\≤I_b\≤\frac{I_n}{k_{b\min }}$

$P_{\mathrm{NMAX}}=\sqrt{3}{U}_N{I}_b$

其中，I_n为额定负载电流，k_bmax和k_bmin分别为负载电流系数上下限，U_N为直流计量表或交流计量表的额定工作电压。

所述刷卡模块包括加密芯片和射频卡线圈；所述射频卡线圈采集用户充电卡信息，用户充电卡信息通过加密芯片加密后传至主控模块；所述用户充电卡信息包括卡号、个人信息、有效期、卡状态和卡余额。

所述综合测控模块包括交流侧电压采集模块、交流侧电流采集模块、直流侧电压采集模块、直流侧电流采集模块、温度采集模块、告警量输入模块、RS485通信模块、遥信量输出模块和DSP模块；

所述交流侧电压采集模块、交流侧电流采集模块、直流侧电压采集模块、直流侧电流采集模块和温度采集模块分别采集交流侧电压、交流侧电流、直流侧电压、直流侧电流和车载电池温度，并分别将采集的信息经过AD转换后汇总到DSP模块，所述DSP再通过RS485通信模块将信息传输给主控模块，实现与所述主控模块的信息交互。

交流侧电压采集模块和直流侧电压采集模块均采用电压传感器采集交流侧电压和直流侧电压；交流侧电流采集模块和直流侧电流采集模块均采用电流传感器采集交流侧电流和直流侧电流；温度采集模块采用温度传感器采集车载电池温度。

如图3，所述主控模块包括中央处理器、电源电路、电平转换电路、隔离电源、CAN收发器、RS485收发器、RS232电平转换电路、PWM通信接口、AD采集电路、I/O输入接口、I/O输出接口和PWM电路；

所述电源电路为电平转换电路提供高电平信息，所述电平转换电路将转换得到的低电平信息传输给中央处理器，所述AD采样电路将接收的模拟信息转换为数字信息，并将数字信息传输给所述中央处理器；所述电平转换电路通过CAN收发器、RS485收发器和RS232电平转换电路与所述中央处理器连接，所述电平转换电路与CAN收发器、RS485收发器和RS232电平转换电路之间设有隔离电源；所述中央处理器输出PWM波信息给所述PWM电路，且通过I/O输入接口接收信息，通过I/O输出接口发送信息。

所述触屏模块为触摸式液晶显示屏，其接受用户充电输入信息，包括充电方式、充电模式、启动充电命令等，将数据传至主控模块，主控模块可以将计量计费模块上传的电压、电流、功率等数据传至触屏模块。

如图4，本发明还提供一种电动汽车交直流智能一体化充电设备的控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：用户进入并启动所述设备的主界面，进行初始化启动，同时提示用户进行刷卡操作；

步骤2：刷卡模块实时检测感应范围内的用户充电卡，同时读取卡号和有效期，并做出有效期判断，若超出有效期，则提示用户充电卡已过期，否则进入密码输入界面；若密码错误，提示密码输入错误，若密码正确，则查询卡余额、灰锁记录及上次交易记录情况，根据充电设置情况，冻结卡金额，将用户充电卡设置为灰锁状态，并进入充电选择界面(如图5)；

步骤3：用户根据自身车辆类型选择充电模式，或所述设备根据输入端口检测自动选择充电模式；所述充电模式包括单相交流充电、三相交流充电和直流充电；

步骤4：设置充电模式后，第一充电插头电子锁或第二充电插头电子锁自动锁定，进入充电模式；

步骤5：所述设备根据上级下达的功率控制指令，进行输出功率控制，比较当前输出功率与上级下达功率限值，若两者的差值为正，对于交流充电，通过PWM电路向充电模块下发功率限值信息，对于直流充电，则将充电模块的输出功率降低；并自动根据输出功率和上级下达的功率限值自动匹配充电模块，由于多充电模块均流原因，选择充电模块的数量为向下取整(如图6)；

步骤6：充电结束后，通过计量计费模块进行费用实时结算，用户通过刷卡解除灰锁状态，并结算充电费用，第二充电插头电子锁解除锁定，充电结束。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述设备包括保护模块、交流模块、直流模块、计量计费模块、刷卡模块、综合测控模块、主控模块和触屏模块；所述交流模块、刷卡模块和综合测控模块分别与所述主控模块单向连接，所述计量计费模块、触屏模块和直流模块分别与所述主控模块双向连接，所述交流模块和直流模块分别与综合测控模块单向连接，且分别与所述保护模块双向连接。

2.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述保护模块包括浪涌保护器和漏电保护器；两者均设置在所述设备的交流进线侧，主要采集交流模块和直流模块中的交流输入信息，超过动作阈值将进行保护动作；

所述浪涌保护器的工作电压介于所述设备的冲击耐受电压和电网的最高运行电压之间；

所述漏电保护器选用30mA动作阀值的漏电保护器。

3.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述交流模块将控制导引模拟量、第一充电插头电子锁状态和第一状态显示灯状态传至主控模块，主控模块控制交流模块中的第一交流接触器，实行充电启停控制。

4.根据权利要求1或3所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述交流模块包括第一交流接触器、第一充电插头电子锁、第一状态指示灯和第一控制导引电路；所述第一交流接触器采用低压交流接触器，所述第一充电插头电子锁为电磁式电子锁，第一状态指示灯用于表示交流模块的工作状态；

所述第一交流接触器的额定工作电压U_kN和额定工作电流I_kN分别满足：

U_kN≥k_uU_N

I_d≥I_kN≥k_iI_N

其中，U_N和I_N分别为线路的额定电压和额定电流；I_d为线路最小短路电流；k_u为电压裕度系数，取值范围为1.05～1.15；k_i为电流裕度系数，取值范围为1.2～1.5。

5.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述直流模块将充电过程数据、第二充电插头电子锁状态、第二状态显示灯状态传至主控模块，主控模块控制直流模块的功率输出和启停状态。

6.根据权利要求1或5所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述直流模块包括第二交流接触器、直流接触器、第二充电插头电子锁、第二状态指示灯、充电模块和第二控制导引电路；所述第二交流接触器和直流接触器均采用电磁式接触器，所述第二充电插头电子锁为电磁式电子锁，所述第二状态指示灯用于表示直流模块的工作状态，所述充电模块用于给电动汽车的车载电池提供直流电源。

7.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述计量计费模块主要包括直流计量表和交流计量表，用于采集电能信息并将电能信息传送给主控模块，主控模块下发费率至计量计费模块；所述电能信息包括电压、电流、功率和功率因数；

所述直流计量表和交流计量表的额定最大电流均用I_b表示，计量线路最大工作功率均用P_NMAX表示，分别满足：

$\frac{I_n}{k_{b\max }}\≤I_b\≤\frac{I_n}{k_{b\min }}$

$P_{\mathrm{NMAX}}=\sqrt{3}{U}_N{I}_b$

其中，I_n为额定负载电流，k_bmax和k_bmin分别为负载电流系数上下限，U_N为直流计量表或交流计量表的额定工作电压。

8.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述刷卡模块包括加密芯片和射频卡线圈；所述射频卡线圈采集用户充电卡信息，用户充电卡信息通过加密芯片加密后传至主控模块；所述用户充电卡信息包括卡号、个人信息、有效期、卡状态和卡余额。

9.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述综合测控模块包括交流侧电压采集模块、交流侧电流采集模块、直流侧电压采集模块、直流侧电流采集模块、温度采集模块、告警量输入模块、RS485通信模块、遥信量输出模块和DSP模块；

所述交流侧电压采集模块、交流侧电流采集模块、直流侧电压采集模块、直流侧电流采集模块和温度采集模块分别采集交流侧电压、交流侧电流、直流侧电压、直流侧电流和车载电池温度，并分别将采集的信息经过AD转换后汇总到DSP模块，所述DSP再通过RS485通信模块将信息传输给主控模块，实现与所述主控模块的信息交互。

10.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述主控模块包括中央处理器、电源电路、电平转换电路、隔离电源、CAN收发器、RS485收发器、RS232电平转换电路、PWM通信接口、AD采集电路、I/O输入接口、I/O输出接口和PWM电路；

所述电源电路为电平转换电路提供高电平信息，所述电平转换电路将转换得到的低电平信息传输给中央处理器，所述AD采样电路将接收的模拟信息转换为数字信息，并将数字信息传输给所述中央处理器；所述电平转换电路通过CAN收发器、RS485收发器和RS232电平转换电路与所述中央处理器连接，所述电平转换电路与CAN收发器、RS485收发器和RS232电平转换电路之间设有隔离电源；所述中央处理器输出PWM波信息给所述PWM电路，且通过I/O输入接口接收信息，通过I/O输出接口发送信息。

11.根据权利要求1所述的电动汽车交直流智能一体化充电设备，其特征在于：所述触屏模块为触摸式液晶显示屏，其接受用户充电输入信息，包括充电方式、充电模式、启动充电命令等，将数据传至主控模块，主控模块可以将计量计费模块上传的电压、电流、功率等数据传至触屏模块。

12.一种电动汽车交直流智能一体化充电设备的控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：用户进入并启动所述设备的主界面，进行初始化启动，同时提示用户进行刷卡操作；

步骤2：刷卡模块实时检测感应范围内的用户充电卡，同时读取卡号和有效期，并做出有效期判断，若超出有效期，则提示用户充电卡已过期，否则进入密码输入界面；若密码错误，提示密码输入错误，若密码正确，则查询卡余额、灰锁记录及上次交易记录情况，根据充电设置情况，冻结卡金额，将用户充电卡设置为灰锁状态，并进入充电选择界面；

步骤3：用户根据自身车辆类型选择充电模式，或所述设备根据输入端口检测自动选择充电模式；所述充电模式包括单相交流充电、三相交流充电和直流充电；

步骤4：设置充电模式后，第一充电插头电子锁或第二充电插头电子锁自动锁定，进入充电模式；

步骤5：所述设备根据上级下达的功率控制指令，进行输出功率控制，比较当前输出功率与上级下达功率限值，若两者的差值为正，对于交流充电，通过PWM电路向充电模块下发功率限值信息，对于直流充电，则将充电模块的输出功率降低；并自动根据输出功率和上级下达的功率限值自动匹配充电模块，由于多充电模块均流原因，选择充电模块的数量为向下取整；

步骤6：充电结束后，通过计量计费模块进行费用实时结算，用户通过刷卡解除灰锁状态，并结算充电费用，第二充电插头电子锁解除锁定，充电结束。