CN105391128A - 基于有序控制的家用充电桩网络及其有序充电控制方法 - Google Patents
基于有序控制的家用充电桩网络及其有序充电控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于有序控制的家用充电桩网络，包括多个家用充电桩，多个家用充电桩通过载波通信系统组网，多个家用充电桩通过载波通信系统与集中控制单元双向通讯，集中控制单元与远方后台主站双向通讯。本发明还公开了一种基于有序控制的家用充电桩网络的有序充电控制方法。本发明对家用充电桩进行有序控制，可以提高小区变压器等电力设备的利用效率；根据电网当前负荷情况，综合当前时间段的电费价格、网络中充电桩的充电需求等，给出一个分散充电的控制策略，让所有充电桩均匀平稳的利用有限的电能量进行充电。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车充电桩技术领域，尤其是一种基于有序控制的家用充电桩网络及其有序充电控制方法。
背景技术
当前充电网点的建设，公共网点充电桩和充换电站的建设较为顺利，而用于住宅小区的充电桩建设却较少。家用充电桩通常高峰利用的时间只是在用户晚间下班之后的5～6个小时，此时小区里众多电动汽车同时充电，小区的配电变压器容量就会显得不够，而增加小区电力设备容量之后，却只是为了满足晚上用电高峰加上电动汽车充电需求，这种方式使得电力资源的使用效率相对变得很低。
电动汽车在小区的充电时间，正好落在晚上用电高峰期，此时电价较贵。随着目前阶梯电价推广的范围越来越大，在用电高峰期进行充电的话，其经济性会大打折扣。如何能满足用户在深夜低电价时段的充电需求，同时在不增加或适度增加电力设备容量下，高效且有序的利用电力资源，另外为了解决分散的充电桩与上层集中设备的通信问题，所以需要一种基于有序控制的家用充电桩网络来保证用户电动汽车在低电价时段的集中充电，实现了小区电动汽车的充电需求。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种能够对家用充电桩进行有序控制，提高小区变压器等电力设备的利用效率；根据电网当前负荷情况，综合当前时间段的电费价格、网络中充电桩的充电需求等，给出一个分散充电的控制策略的基于有序控制的家用充电桩网络。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于有序控制的家用充电桩网络，包括多个家用充电桩，多个家用充电桩通过载波通信系统组网，多个家用充电桩通过载波通信系统与集中控制单元双向通讯，集中控制单元与远方后台主站双向通讯。
所述家用充电桩包括第一主控芯片MCU，其输入输出端分别与计量电能表、读卡器、触摸屏、打印机、子载波通讯模块、电动汽车控制引导模块的输入输出端相连，第一主控芯片MCU通过子载波通讯模块与电力线双向通讯，第一主控芯片MCU的输出端与开关量驱动模块的输入端相连，开关量驱动模块的输出端与控制电动汽车充电回路的输入端相连。
所述集中控制单元包括第二主控芯片MCU，其输入输出端分别与主载波通讯模块、以太网通讯模块、串口通讯模块的输入输出端相连，第二主控芯片MCU通过主载波通讯模块与电力线双向通讯，第二主控芯片MCU通过以太网通讯模块与远方后台主站双向通讯，第二主控芯片MCU通过串口通讯模块与外部串口设备双向通讯，第二主控芯片MCU的输入端与电平转换电路的输出端相连，电平转换电路的输入端与光电隔离电路的输出端相连，光电隔离电路的输入端接收开关量输入信号，第二主控芯片MCU的输出端通过继电器与外部断路器相连。
所述远方后台主站包括：
前置服务模块，用于采集并处理集中控制单元上传的家用充电桩信息；
数据存储模块，用于存储家用充电桩的实时充电数据；
计量计费模块，用于对上传的充电信息进行解析计量以及统计计费；
决策调控模块，用于对上传的充电信息进行分析决策、参数调整、调度控制；
图形化人机界面模块，用于数据采集信息和分析决策等信息的显示，以及与用户实现人机交互功能。
本发明的另一目的在于提供一种基于有序控制的家用充电桩网络的有序充电控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）首先用户刷卡认证，认证通过后用户将电动汽车的充电线接到家用充电桩上，设置充电完成时间，通过人机界面设置参数并下发到家用充电桩内部；
（2）电动汽车内部的车载充电机获取车辆电池实时容量及电池状态信息，将电池状态信息传输至家用充电桩；
（3）家用充电桩获取电池信息和用户设置的充电完成时间，将以上数据上传至远方后台主站；
（4）远方后台主站中的决策控制模块获取电池信息和充电完成时间，并综合获取的电网电压和电流谐波信息，以及分时电价信息，给出决策控制策略；
（5）判断是否可以立即充电，若判断结果为是，则通过家用充电桩人机交互界面通知用户可以准备充电；否则，返回继续判断是否可以立即充电；
（6）用户选择一个充电模式，待选择的充电模式条件满足后，闭合断路器开始充电；
（7）在充电过程中，家用充电桩接收远方后台主站中的决策控制模块下发的负荷控制信号，调制振荡信号的占空比，控制调整电动汽车内部车载充电机的输出功率，从而实现对电动汽车充电功率的控制。
若当前电网的负荷较高，谐波污染较大，则需要等待，返回继续判断是否可以立即充电；若当前电网的负荷较低、谐波污染较小，则可以立即充电；若电网电压下降超过5%，则认为负荷较高，若各次谐波电压含有率，奇次谐波超过4.0%，偶次谐波超过2.0%，则认为谐波污染较大。
所述充电模式分为三个：立即充电模式、推荐最佳充电模式和预约充电模式；所述推荐最佳充电模式是指，由决策控制模块推荐的根据电网电压和电流谐波信息以及分时电价信息给出的最佳充电模式；所述预约充电模式是指，用户预约一个时间进行充电。
由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，本发明对家用充电桩进行有序控制，可以提高小区变压器等电力设备的利用效率；第二，根据电网当前负荷情况，综合当前时间段的电费价格、网络中充电桩的充电需求等，给出一个分散充电的控制策略，让所有充电桩均匀平稳的利用有限的电能量进行充电；第三，采用高速窄带载波通信方法，无需通过以往的中心协调装置就可以建立可靠直接的通信，同时网络中每个充电桩节点都可以具备自动配置和自动路由的功能，并可以直接或通过多跳方式实现连通；第四，采用高速窄带载波通信方法，可以跨越变压器进行传输，所以集中控制单元只需要安装在中压电力线侧，即可完成与低压电力线侧各个充电桩区域的通信，节约了大量的集中设备的投入成本和相关配套设施的建设成本。
附图说明
图1为本发明的网络结构框图；
图2、3、4分别为本发明中家用充电桩、集中控制单元、远方后台主站的电路框图；
图5为本发明的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于有序控制的家用充电桩网络，包括多个家用充电桩1，多个家用充电桩1通过载波通信系统组网，多个家用充电桩1通过载波通信系统与集中控制单元3双向通讯，集中控制单元3与远方后台主站4双向通讯。所述的载波通信系统的工作方式由集中控制单元3中的主载波通讯模块和家用充电桩1中的子载波通讯模块来完成，所述的主载波通讯模块建立并维护一个网络，所述的子载波通讯模块可以方便加入和退出网络，子载波通讯模块自身可以充当中继，完成远距离通信；主载波通讯模块与众多的充电桩子载波通讯模块组成了一个Mesh网络，满足集中控制单元3的数据汇集和远方后台主站4的调度控制等应用。
如图2所示，所述家用充电桩1包括第一主控芯片MCU，其输入输出端分别与计量电能表、读卡器、触摸屏、打印机、子载波通讯模块、电动汽车控制引导模块的输入输出端相连，第一主控芯片MCU通过子载波通讯模块与电力线2双向通讯，子载波通讯模块将充电桩信息耦合到电力线2上传输给主载波通讯模块，或从电力线2上解耦载波通讯信息传输给第一主控芯片MCU；第一主控芯片MCU的输出端与开关量驱动模块的输入端相连，开关量驱动模块的输出端与控制电动汽车充电回路的输入端相连。
如图3所示，所述集中控制单元3包括第二主控芯片MCU，所述第二主控芯片MCU采用STM32F107芯片，其输入输出端分别与主载波通讯模块、以太网通讯模块、串口通讯模块的输入输出端相连，第二主控芯片MCU通过主载波通讯模块与电力线2双向通讯，主载波通讯模块将通讯信息耦合到电力线2上，或从电力线2上解耦接收到的通讯信息；第二主控芯片MCU通过以太网通讯模块与远方后台主站4双向通讯，第二主控芯片MCU通过串口通讯模块与外部串口设备双向通讯，第二主控芯片MCU的输入端与电平转换电路的输出端相连，电平转换电路的输入端与光电隔离电路的输出端相连，光电隔离电路的输入端接收开关量输入信号，用于数字开关量的监测；第二主控芯片MCU的输出端通过继电器与外部断路器相连，实现对外部设备的通断控制。
如图4所示，所述远方后台主站4包括：
前置服务模块，用于采集并处理集中控制单元3上传的家用充电桩1信息；
数据存储模块，用于存储家用充电桩1的实时充电数据；
计量计费模块，用于对上传的充电信息进行解析计量以及统计计费；
决策调控模块，用于对上传的充电信息进行分析决策、参数调整、调度控制；
图形化人机界面模块，用于数据采集信息和分析决策等信息的显示，以及与用户实现人机交互功能。
如图5所示，一种基于有序控制的家用充电桩网络的有序充电控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）首先用户刷卡认证，刷非接触式IC卡，认证通过后用户将电动汽车的充电线接到家用充电桩上，设置充电完成时间，通过人机界面设置参数并下发到家用充电桩内部；
（2）电动汽车内部的车载充电机获取车辆电池实时容量及电池状态信息，将电池状态信息传输至家用充电桩；
（3）家用充电桩获取电池信息和用户设置的充电完成时间，将以上数据上传至远方后台主站；
（4）远方后台主站中的决策控制模块获取电池信息和充电完成时间，并综合获取的电网电压和电流谐波信息，以及分时电价信息，给出决策控制策略；
（5）判断是否可以立即充电，若判断结果为是，则通过家用充电桩人机交互界面通知用户可以准备充电；否则，返回继续判断是否可以立即充电；
（6）用户选择一个充电模式，待选择的充电模式条件满足后，闭合断路器开始充电；
（7）在充电过程中，家用充电桩接收远方后台主站中的决策控制模块下发的负荷控制信号，调制振荡信号的占空比，控制调整电动汽车内部车载充电机的输出功率，从而实现对电动汽车充电功率的控制。
若当前电网的负荷较高，谐波污染较大，则需要等待，返回继续判断是否可以立即充电需要等待；若当前电网的负荷较低、谐波污染较小，则可以立即充电；若电网电压下降超过5%，则认为负荷较高，若各次谐波电压含有率，奇次谐波超过4.0%，偶次谐波超过2.0%，则认为谐波污染较大。
所述充电模式分为三个：立即充电模式、推荐最佳充电模式和预约充电模式；所述推荐最佳充电模式是指，由决策控制模块推荐的根据电网电压和电流谐波信息以及分时电价信息给出的最佳充电模式；所述预约充电模式是指，用户预约一个时间进行充电。
本发明还提供了一种载波通信的工作方式：
1.集中控制单元3中的主载波通讯模块在初始化完成之后，将扫描是否存在已有的载波网络，如果没有则建立载波通讯网络，并进行定时维护，等待子载波通讯模块加入网络；
2.家用充电桩1中的子载波通讯模块在上电后将通过发送请求消息来申请加入载波通讯网络，子载波模块可以直接与主载波模块进行通信，也可以通过多路中继方式完成与主载波模块的通信；另外子载波模块还负责相邻子载波模块之间的通信，管理载波帧听机制接入方式，保证相邻子载波模块之间直接通讯数据的可靠传输和数据安全；
3.主载波模块接收到子载波模块发送来的请求消息后，会选择最优路径，通过发送请求回复消息来完成子载波模块加入网络的过程，同时消息传输路径上的所有子载波模块都会记录新加入模块的路由信息；
4.主载波通讯模块通过私有路由协议计算载波网络中子载波模块之间的开销，来为两点之间选择最佳的路由路径，并以此建立一个完整的Mesh网络进行载波通信。
综上所述，本发明对家用充电桩1进行有序控制，可以提高小区变压器等电力设备的利用效率；根据电网当前负荷情况，综合当前时间段的电费价格、网络中充电桩的充电需求等，给出一个分散充电的控制策略，让所有充电桩均匀平稳的利用有限的电能量进行充电。
Claims (7)
1.一种基于有序控制的家用充电桩网络，其特征在于：包括多个家用充电桩，多个家用充电桩通过载波通信系统组网，多个家用充电桩通过载波通信系统与集中控制单元双向通讯，集中控制单元与远方后台主站双向通讯。
2.根据权利要求1所述的基于有序控制的家用充电桩网络，其特征在于：所述家用充电桩包括第一主控芯片MCU，其输入输出端分别与计量电能表、读卡器、触摸屏、打印机、子载波通讯模块、电动汽车控制引导模块的输入输出端相连，第一主控芯片MCU通过子载波通讯模块与电力线双向通讯，第一主控芯片MCU的输出端与开关量驱动模块的输入端相连，开关量驱动模块的输出端与控制电动汽车充电回路的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的基于有序控制的家用充电桩网络，其特征在于：所述集中控制单元包括第二主控芯片MCU，其输入输出端分别与主载波通讯模块、以太网通讯模块、串口通讯模块的输入输出端相连，第二主控芯片MCU通过主载波通讯模块与电力线双向通讯，第二主控芯片MCU通过以太网通讯模块与远方后台主站双向通讯，第二主控芯片MCU通过串口通讯模块与外部串口设备双向通讯，第二主控芯片MCU的输入端与电平转换电路的输出端相连，电平转换电路的输入端与光电隔离电路的输出端相连，光电隔离电路的输入端接收开关量输入信号，第二主控芯片MCU的输出端通过继电器与外部断路器相连。
4.根据权利要求1所述的基于有序控制的家用充电桩网络，其特征在于：所述远方后台主站包括：
前置服务模块，用于采集并处理集中控制单元上传的家用充电桩信息；
数据存储模块，用于存储家用充电桩的实时充电数据；
计量计费模块，用于对上传的充电信息进行解析计量以及统计计费；
决策调控模块，用于对上传的充电信息进行分析决策、参数调整、调度控制；
图形化人机界面模块，用于数据采集信息和分析决策等信息的显示，以及与用户实现人机交互功能。
5.一种基于有序控制的家用充电桩网络的有序充电控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）首先用户刷卡认证，认证通过后用户将电动汽车的充电线接到家用充电桩上，设置充电完成时间，通过人机界面设置参数并下发到家用充电桩内部；
（2）电动汽车内部的车载充电机获取车辆电池实时容量及电池状态信息，将电池状态信息传输至家用充电桩；
（3）家用充电桩获取电池信息和用户设置的充电完成时间，将以上数据上传至远方后台主站；
（4）远方后台主站中的决策控制模块获取电池信息和充电完成时间，并综合获取的电网电压和电流谐波信息，以及分时电价信息，给出决策控制策略；
（5）判断是否可以立即充电，若判断结果为是，则通过家用充电桩人机交互界面通知用户可以准备充电；否则，返回继续判断是否可以立即充电；
（6）用户选择一个充电模式，待选择的充电模式条件满足后，闭合断路器开始充电；
（7）在充电过程中，家用充电桩接收远方后台主站中的决策控制模块下发的负荷控制信号，调制振荡信号的占空比，控制调整电动汽车内部车载充电机的输出功率，从而实现对电动汽车充电功率的控制。
6.根据权利要求5所述的有序充电控制方法，其特征在于：若当前电网的负荷较高，谐波污染较大，则需要等待，返回继续判断是否可以立即充电；若当前电网的负荷较低、谐波污染较小，则可以立即充电；若电网电压下降超过5%，则认为负荷较高，若各次谐波电压含有率，奇次谐波超过4.0%，偶次谐波超过2.0%，则认为谐波污染较大。
7.根据权利要求5所述的有序充电控制方法，其特征在于：所述充电模式分为三个：立即充电模式、推荐最佳充电模式和预约充电模式；所述推荐最佳充电模式是指，由决策控制模块推荐的根据电网电压和电流谐波信息以及分时电价信息给出的最佳充电模式；所述预约充电模式是指，用户预约一个时间进行充电。
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