CN106160113A - 一种充电机电源模块智能功率分配控制方法 - Google Patents

Abstract

一种充电机电源模块智能功率分配控制方法，根据系统中模块的负载情况，智能启动或休眠一个新模块，循环执行直至模块运行在最佳状态，同时每次开机时首先启动累计运行时间最短的模块，功率增加时按照模块累计运行时间由短到长依次启动，功率减少时按照累计运行时间由长到短依次停止运行，累计运行时间最短的模块最后休眠，从而实现运行时间的均衡控制。

Description

一种充电机电源模块智能功率分配控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电站技术领域，具体涉及一种充电机电源模块智能功率分配控制方法。

背景技术

随着电动汽车充电站的发展，大功率充电机的需求日益增加，模块化并联运行是实现电源产品扩容的有效办法，充电电源的模块化并联运行，可以根据现场需求自由配置系统功率，便于组合成大功率电源。多个模块的并联满足了大功率配置的需求却增加了系统操作的复杂度，这是因为现有充电机对用户而言并不是一个整体系统，用户需要根据充电需求，对每个模块的电压、电流等输出参数进行设置，系统操作比较复杂，对用户的专业度要求较高；而且在实际应用中，一般会根据最大功率需求配置模块数量，但不同汽车功率需求存在较大差异，传统充电机无论需求功率大小，所有模块均处于负荷状态，加速了模块的老化，降低了设备的使用寿命，且在不同功率需求情况下模块不能始终工作在最佳状态，无法保障系统收益最大化，针对该问题近年行业内提出了一些改进方法，一种是主机轮换休眠控制方法，此方法需要考虑主机轮换时序及主从切换逻辑控制算法复杂，另外一种是通过额外设置中央控制器的方法，控制电源模块的功率分配和轮休，该方法需要独立于各模块控制器之外增加控制单元，增加了系统硬件搭建复杂性，会带来系统故障点及成本的增加。

发明内容

为解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种充电机电源模块智能功率分配控制方法，简化现有系统模块电压、电流设置方式，通过简单有效的智能控制算法控制系统中工作模块的数量，使模块轮换休眠，均衡模块的运行时间，且使模块尽可能工作在最佳状态，系统综合性能指标最优。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种充电机电源模块智能功率分配控制方法，包括如下步骤：

步骤一：首先判断模块的健康状况，置健康状态标志位；模块健康状况主要通过判断模块是否有故障、是否存在特定类型的告警或其他不适宜启动的状况，若模块健康状况良好则参与步骤二，否则从步骤二中剔除，直到恢复正常后参与步骤二；

步骤二：查找运行时间最长与最短的模块

运行时间最长的模块需满足的条件为：

A、模块在线

B、模块健康状态良好

C、模块处于非运行状态

在同时满足A、B、C三个条件的模块中查找运行时间最长的模块，并记录该模块ID为MaxRunTimeID，运行时间相同情况下，ID小的模块具有较高的优先权；若系统中无满足A&B&C条件的模块则本轮查找结果MaxRunTimeID＝0；

运行时间最短的模块需满足的条件为：

模块处于运行状态

在所有处于运行状态的模块中查找运行时间最短的模块，记录该模块ID为MinRunTimeID，若系统中无满足条件的模块则本轮查找结果MinRunTimeID＝0；

查找结果作为步骤三中智能启动与休眠的模块；

步骤三：模块智能启动与休眠

当MinRunTimeID≠0时，若系统中运行模块的数量N＝0，接收到系统的开机指令后，MinRunTimeID对应的模块置本机的功率分配开机标志；当N＞0时系统功率增加到需要启动一个新的模块时，即系统输出性能指标达到设定的最佳性能上限时PF_out＞N·η·PF_max+σ·PF_max，所有模块通过将本机ID与步骤二中运行时间最短的MinRunTimeID匹配，匹配成功置本模块的功率分配开机标志；

系统功率增加时启动一个新模块条件为：

当系统中至少有两个模块在运行时，当系统功率减少到满足休眠一个新模块条件时，即系统输出性能指标小于设定的最佳性能下限时PF_out＜(N-1)·η·PF_max-σ·PF_max，所有模块与步骤二中运行时间最长的模块MaxRunTimeID匹配，匹配成功则置本模块的功率分配关机标志，系统中仅有一个模块在运行时，接到系统的关机指令后关机；

系统功率减少时休眠一个新模块条件为：

其中N为系统中运行模块的数量，PF_max为模块最大负载对应的性能指标，η为模块最佳状态对应的负载率，η*PF_max为模块最佳状态对应的性能指标，σ·PF_max为启动和休眠性能指标回差，引入σ·PF_max是为了避免模块频繁启停，且要求系统达到切换条件后确认一段时间再进行模块的切换；

执行步骤一、二、三，能够根据系统中模块的负载情况，智能启动或休眠一个新模块，循环执行直至模块运行在最佳状态，同时每次开机时首先启动累计运行时间最短的模块，功率增加时按照模块累计运行时间由短到长依次启动，功率减少时按照累计运行时间由长到短依次停止运行，累计运行时间最短的模块最后休眠，从而实现运行时间的均衡控制。

采用无主机及无附加控制单元通讯方案、对外接口表现为一个整体、模块自主启停控制、智能轮换休眠机制；

所述采用无主机及无附加控制单元通讯方案是指模块不需要依赖于系统中主机或附加控制单元控制各个模块的启停，而是模块自身具备智能决策系统，能够实现自我控制；

所述对外接口表现为一个整体是指并联模块外特性表现为一个整机，所有并联模块作为一个整体设置系统电压、电流参数，根据功率需求智能启停控制，不需要用户对单个模块进行操作，使得系统对外接口表现为整体性；

所述模块自主启停控制是指实现模块的自我控制，模块的轮换休眠由各个模块自主决断，不受其他模块及其他控制单元的控制；各个模块根据系统需求判断本模块是否开启或休眠，并进行本模块运行状态的切换；

所述智能轮换休眠机制是指通过模块智能启动与智能休眠，均衡模块运行时间，延长设备使用寿命，同时在不同负载情况下使模块均工作在最佳状态，充分利用模块的高性能段，最大限度减少系统损耗、温升、噪声；智能启动是指在需求功率增加到需要启动一个模块的切换条件时，每个模块通过自主判断本模块是否具备启动条件，具备启动条件的模块自动启动；智能休眠是指系统需求功率减少到满足休眠一个模块的切换条件时，每个模块通过自主判断本模块是否具备休眠条件，具备休眠条件的模块自动关机。

所述使模块均工作在最佳状态是指综合考虑系统效率、整机噪声、器件温升、器件寿命因素，根据设计需求可对各个因素的权重进行设置；通过合理设置启动和休眠一个模块的切换条件，能够使模块尽可能运行最佳状态，改善系统综合性能指标。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明该方法允许用户根据充电需要总体设置系统电压、电流，对用户而言并联模块为一个整体系统，大大提高了系统操作便利性。通过智能功率分配控制算法的轮换休眠与启动机制，控制工作模块的数量，均衡模块的运行时间且使模块尽可能工作在最佳状态，有效增加了设备的使用寿命，改善系统效率、温升等综合性能。

附图说明

图1为智能轮换休眠控制方法流程图。

图2为智能启动控制方法流程图。

图3为智能休眠控制方法流程图。

图4为系统中运行模块的数量及单模块的负载率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

在并联模块系统中，模块的输出电压一致，对功率的分配等效于对电流的分配，因此本申请中提及的功率分配等效于电流分配。

一、无主机及无附加控制单元系统通讯方案的实现

模块间通过CAN总线进行通讯，模块将本机的状态信息通过CAN总线进行广播，广播的状态信息主要包括模块ID、模块运行状态(停机、待机、运行)、累计运行时间、模块健康状况等，其他模块均可从总线上获悉该模块的状态信息并存放在对应的数组中，因此每个模块中都可以获取所有模块的状态信息，各自具备智能决断能力。

二、对外接口统一性实现

将系统设定电压、电流指令通过广播形式下发，每个模块均获取系统电压、电流指令，根据系统指令设置模块并联电压，电流分配通过统计系统内处于运行状态的模块数量N，每个模块分配的电流为系统总电流除以运行模块数量即I_unit＝I_set/N；系统开关机指令广播下发，模块得到开机指令后，并不全部启动，而是根据智能轮换休眠机制控制系统中运行模块的数量，模块接收到关机指令后全部关机；该系统对用户而言系统接口统一。

三、模块自主启停控制

各模块通过上述通讯方案中获得的所有模块的状态信息，通过比较运行时间信息，自主判断本模块在所有模块中是否为运行时间最长或最短的模块；计算系统中运行模块的数量，判断系统是否需要启动或休眠一个新模块；具备启动或休眠条件的模块自主进行启停控制，无需主机下达指令或其他控制器进行控制。

四、智能轮换休眠机制

如图1所示，本发明一种充电机电源模块智能功率分配控制方法，主要包括：步骤一判断模块健康状况，步骤二查找运行时间最长和最短的模块，步骤三判断系统是否需要启动或停止一个模块，置模块功率分配开关机指令；具体实施方式如下：

步骤一：首先判断模块的健康状况，置健康状态标志位；模块健康状况主要通过判断模块是否有故障、是否存在特定类型的告警或其他不适宜启动的状况，若模块健康状况良好则可以参与步骤二，否则从步骤二中剔除，直到恢复正常后参与步骤二；

步骤二：查找运行时间最长与最短的模块

运行时间最长的模块需满足的条件为：

A、模块在线

B、模块健康状态良好

C、模块处于非运行状态

在同时满足A、B、C三个条件的模块中查找运行时间最长的模块，并记录该模块ID为MaxRunTimeID，运行时间相同情况下，ID小的模块具有较高的优先权；若系统中无满足A&B&C条件的模块则本轮查找结果MaxRunTimeID＝0；

运行时间最短的模块需满足的条件为：

a、模块处于运行状态

在所有处于运行状态的模块中查找运行时间最短的模块，记录该模块ID为MinRunTimeID，若系统中无满足条件的模块则本轮查找结果MinRunTimeID＝0；

查找结果作为步骤(3)中智能启动与休眠的模块。

(3)步骤三：模块智能启动与休眠

智能启动过程如图2所示：当MinRunTimeID≠0时，若系统中运行模块的数量N＝0，接收到系统的开机指令后，MinRunTimeID对应的模块置本机的功率分配开机标志。当系统功率增加到需要启动一个新的模块时，即系统输出性能指标达到设定的最佳性能上限时PF_out＞N·η·PF_max+σ·PF_max，所有模块通过将本机ID与步骤二中运行时间最短的MinRunTimeID匹配，匹配成功置本模块的功率分配开机标志；

系统功率增加时启动一个新模块条件为：

智能休眠过程如图3所示：当系统中至少有两个模块在运行时，当系统功率减少到满足休眠一个新模块条件时，即系统输出性能指标小于设定的最佳性能下限时PF_out＜(N-1)·η·PF_max-σ·PF_max，所有模块与步骤二中运行时间最长的模块MaxRunTimeID匹配，匹配成功则置本模块的功率分配关机标志，系统中仅有一个模块在运行时，接到系统的关机指令后关机。

系统功率减少时休眠一个新模块条件为：

其中N为系统中运行模块的数量，PF_max为模块最大负载对应的性能指标(如:模块最大输出电流)，η为模块最佳状态对应的负载率，η*PF_max为模块最佳状态对应的性能指标，σ·PF_max为启动和休眠性能指标回差，引入σ·PF_max是为了避免模块频繁启停，且要求系统达到切换条件后确认一段时间再进行模块的切换。

以具体参数为例对智能启动与休眠进行说明，模块最佳状态对应的负载为最大负载的40％～70％区间时综合性能指标较好，故η设置为0.7，启动一个新模块的条件为系统中运行模块的负载超过当前系统最大负载的70％。休眠一个新模块的条件为减少一个正在运行的模块后，剩余运行模块的负载不足70％。在本实施例中σ设置为5％。模块输出功率(电流)增加和减少时，系统中运行模块的数量及单模块的负载率如图4所示，其中系统负载率为相对于单模块的负载率，从图中可以看出每个模块基本工作在40％～70％负载率段。

执行步骤一、二、三，可以根据系统中模块的负载情况，智能启动或休眠一个新模块，循环执行直至模块运行在最佳状态，同时每次开机时首先启动累计运行时间最短的模块，功率增加时按照模块累计运行时间由短到长依次启动，功率减少时按照累计运行时间由长到短依次停止运行，累计运行时间最短的模块最后休眠，从而实现运行时间的均衡控制。

Claims (3)

1.一种充电机电源模块智能功率分配控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：首先判断模块的健康状况，置健康状态标志位；模块健康状况主要通过判断模块是否有故障、是否存在特定类型的告警或其他不适宜启动的状况，若模块健康状况良好则参与步骤二，否则从步骤二中剔除，直到恢复正常后参与步骤二；

步骤二：查找运行时间最长与最短的模块

运行时间最长的模块需满足的条件为：

A、模块在线

B、模块健康状态良好

C、模块处于非运行状态

在同时满足A、B、C三个条件的模块中查找运行时间最长的模块，并记录该模块ID为MaxRunTimeID，运行时间相同情况下，ID小的模块具有较高的优先权；若系统中无满足A&B&C条件的模块则本轮查找结果MaxRunTimeID＝0；

运行时间最短的模块需满足的条件为：

模块处于运行状态

在所有处于运行状态的模块中查找运行时间最短的模块，记录该模块ID为MinRunTimeID，若系统中无满足条件的模块则本轮查找结果MinRunTimeID＝0；

查找结果作为步骤三中智能启动与休眠的模块；

步骤三：模块智能启动与休眠

当MinRunTimeID≠0时，若系统中运行模块的数量N＝0，接收到系统的开机指令后，MinRunTimeID对应的模块置本机的功率分配开机标志；当系统功率增加到需要启动一个新的模块时，即系统输出性能指标达到设定的最佳性能上限时PF_out＞N·η·PF_max+σ·PF_max，所有模块通过将本机ID与步骤二中运行时间最短的MinRunTimeID匹配，匹配成功置本模块的功率分配开机标志；

系统功率增加时启动一个新模块条件为：

当系统中至少有两个模块在运行时，当系统功率减少到满足休眠一个新模块条件时，即系统输出性能指标小于设定的最佳性能下限时PF_out＜(N-1)·η·PF_max-σ·PF_max，所有模块与步骤二中运行时间最长的模块MaxRunTimeID匹配，匹配成功则置本模块的功率分配关机标志，系统中仅有一个模块在运行时，接到系统的关机指令后关机；

系统功率减少时休眠一个新模块条件为：

其中N为系统中运行模块的数量，PF_max为模块最大负载对应的性能指标，η为模块最佳状态对应的负载率，η*PF_max为模块最佳状态对应的性能指标，σ·PF_max为启动和休眠性能指标回差，引入σ·PF_max是为了避免模块频繁启停，且要求系统达到切换条件后确认一段时间再进行模块的切换；

执行步骤一、二、三，能够根据系统中模块的负载情况，智能启动或休眠一个新模块，循环执行直至模块运行在最佳状态，同时每次开机时首先启动累计运行时间最短的模块，功率增加时按照模块累计运行时间由短到长依次启动，功率减少时按照累计运行时间由长到短依次停止运行，累计运行时间最短的模块最后休眠，从而实现运行时间的均衡控制。

2.根据权利要求1所述的一种充电机电源模块智能功率分配控制方法，其特征在于：采用无主机及无附加控制单元通讯方案、对外接口表现为一个整体、模块自主启停控制、智能轮换休眠机制；

所述采用无主机及无附加控制单元通讯方案是指模块不需要依赖于系统中主机或附加控制单元控制各个模块的启停，而是模块自身具备智能决策系统，能够实现自我控制；

所述对外接口表现为一个整体是指并联模块外特性表现为一个整机，所有并联模块作为一个整体设置系统电压、电流参数，根据功率需求智能启停控制，不需要用户对单个模块进行操作，使得系统对外接口表现为整体性；

所述模块自主启停控制是指实现模块的自我控制，模块的轮换休眠由各个模块自主决断，不受其他模块及其他控制单元的控制；各个模块根据系统需求判断本模块是否开启或休眠，并进行本模块运行状态的切换；

所述智能轮换休眠机制是指通过模块智能启动与智能休眠，均衡模块运行时间，延长设备使用寿命，同时在不同负载情况下使模块均工作在最佳状态，充分利用模块的高性能段，最大限度减少系统损耗、温升、噪声；智能启动是指在需求功率增加到需要启动一个模块的切换条件时，每个模块通过自主判断本模块是否具备启动条件，具备启动条件的模块自动启动；智能休眠是指系统需求功率减少到满足休眠一个模块的切换条件时，每个模块通过自主判断本模块是否具备休眠条件，具备休眠条件的模块自动关机。

3.根据权利要求2所述的一种充电机电源模块智能功率分配控制方法，其特征在于：所述使模块均工作在最佳状态是指综合考虑系统效率、整机噪声、器件温升、器件寿命因素，根据设计需求可对各个因素的权重进行设置；通过合理设置启动和休眠一个模块的切换条件，能够使模块尽可能运行最佳状态，改善系统综合性能指标。