CN106828161A - 一种应用于多路充电插口电动汽车充电设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于多路充电插口电动汽车充电设备及其控制方法，属于充电设备的控制技术领域，该设备包括充电设备主体、负荷开关、多个隔离开关以及多个充电插口，还包括设置在充电设备主体内的报文识别模块或设置在充电设备主体中的多路串行通信接口；该方法包括：充电设备充电过程的控制时序、所连接各路电动汽车的充电次序优化策略以及各路充电插口与控制中心之间的通信模式三部分。本发明可以实现单路功率输出、各充电插口充电状态的灵活切换；实现充电设备与电池管理系统之间的正常通信；通过多种充电次序协调控制策略的合理选择，实现单台或站内多台多路充电插口充电设备的充电次序最优化，提高充电设备利用率，降低充电成本。

Description

一种应用于多路充电插口电动汽车充电设备及其控制方法

技术领域

本发明属于充电设备的控制技术领域，涉及一种应用于多路充电插口电动汽车充电设备及其控制方法，控制方法具体包括：充电设备充电过程的控制时序、所连接各路电动汽车的充电次序优化策略以及各路充电插口与控制中心之间的通信模式三部分。

背景技术

近年来，随着环境污染的加剧、化石燃料的日益枯竭，电动汽车以其节能环保的优点受到了各国政府的关注。尤其是在中国，政府先后出台了各种推动电动汽车发展的激励政策。

然而，在当前形势下，由于充电设备资源建设不足，电动汽车的发展速度受到了较大的制约。充电设备建设成本与维护成本较高，对于充电服务提供商而言很难实现大规模盈利。因此，大力发展电动汽车充电设备，特别是新型充电设备，对于提高充电设备利用率、减少资源占用有着重要的意义。

目前，市面上投入使用的电动汽车充电设备主要为单充电插口类型，一台充电设备在同一时间只能为最多一辆电动汽车进行充电。在电动汽车充电完毕但仍未离开的时间内，此类充电设备是无法被其他电动汽车连接使用的，因此往往会造成充电设备的浪费。少部分新型的电动汽车充电设备具备多个充电插口，从而可以同时连接多辆电动汽车，并可以同时为多辆电动汽车充电。尽管增加可接入的电动汽车数量可以在一定程度上缓解充电资源的浪费；然而，由于同时为多辆电动汽车充电需要提供成倍的充电功率，会导致投资成本大量增加。

申请号为CN201510409181.8的专利提出了一种具有多路充电插口的新型电动汽车充电设备，如图1所示。该种充电设备包括：连接有多个充电插口110的充电设备主体140；负荷开关130，多个隔离开关120，所述多个隔离开关的一端一一对应地与所述多个充电插口相连；所述负荷开关的一端分别与所述多个隔离开关的另一端相连；所述充电设备主体与所述负荷开关的另一端相连。充电设备主体140通过控制单个负荷开关(K)130、多个隔离开关(Ki)120，i＝1、2、……、c，来实现控制多路充电插口按照预先设定的充电策略对连接到设备上的电动汽车进行充电。当所述多个充电插口中部分或全部充电插口连接有待充电车辆时，所述充电设备主体根据预设的充电策略依次对每个待充电车辆充电。如图2所示，充电设备主体140具体地包括：主控单元147，以及分别与主控单元147相连的人机交互模块141，通信模块142，存储模块143，数字电表144，充电模块145，监控模块146。该种充电设备具有多个充电插口，可同时连接多辆电动汽车，可用于提供公共停车场所的充电服务，可以通过多路充电插口同时连接多辆电动汽车，但其额定功率仅能提供一辆电动汽车的充电功率。在实际情况下，按照标准GBT 27930规定，电动汽车电池管理系统与充电设备之间的通信报文中，目标地址与源地址区域是固定的，不因为设备不同而改变。因此在上述多接口电动汽车充电设备的CAN总线通信中会存在不同接口之间地址冲突的问题。因此上述充电设备实际上无法实现相应功能。

美国专利商标局网上专利中申请号为13/693,747的专利也提出了一种多路充电插口的电动汽车充电设备，但其使用过程中需要在电动汽车上加装硬件，在使用便捷性和交互性上存在缺陷。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一，提出一种应用于多路充电插口电动汽车充电设备及其控制方法。本发明基于前述申请号为CN201510409181.8的专利提出的具有多路充电插口的电动汽车充电设备的控制方法，通过在设备中增加报文识别模块以及预设在充电设备主体中的充电次序优化程序，解决了电动汽车充电设备的各个接口之间在报文通信时的地址冲突问题，节省了在电动汽车端进行相关硬件配置的成本。

本发明提出的一种应用于多路充电插口电动汽车充电设备，包括：充电设备主体、负荷开关、多个隔离开关以及多个充电插口；所述充电设备主体包括：主控单元，以及分别与主控单元相连的人机交互模块，通信模块，存储模块，数字电表，充电模块，监控模块；其特征在于，还包括设置在充电设备主体中的报文识别模块或设置在充电设备主体中的多路串行通信接口；其中：

所述负荷开关连接在充电设备主体与多个隔离开关之间，用于开断充电电流，可以在主控单元控制下实现开合；

所述隔离开关，安装于各个充电插口之前，用于控制各个插口与充电总线的电气连接关系，可以在主控单元控制下实现开合；

所述报文处理模块，采用一块带有串行通信功能的可编程控制器，安装于充电设备主体的各个充电插口处，用于对充电设备主体发出的报文进行读取、加工和再发送；

所述多路串行通信接口，安装于充电设备主体部分，用于为各个充电插口及充电设备主体重新分配地址，并可以使用CAN通信协议分别与多路电动汽车的电池管理系统通信；

所述的充电设备主体，通过控制单个负荷开关、多个隔离开关实现控制多路充电插口按照预先设定的充电策略对连接到设备上的电动汽车进行充电；其中：

人机交互模块：用于实现待充电车辆充电需求的输入和充电相关信息的展示；

通信模块：用于实现所述充电设备主体与所述多个充电插口和通过所述多个充电插口接入的待充电车辆的双向通信；

存储模块：用于存储所述待充电车辆的充电记录、动力电池信息、所述通信模块收发的通信信息；

数字电表：用于进行电量计量；

充电模块：连接交流电网，用于将电网输入的电压、电流转化为所述充电设备输出的电压、电流对待充电车辆充电，所述充电模块通过所述负荷开关与所述多个充电插口相连，所述负荷开关在主控单元的控制下实现闭合和开断；

监控模块：用于监控通过所述多个充电插口接入所述充电设备的待充电车辆的动力电池状态、所述充电设备输出的实时电压及电流信息；

主控单元：分别与所述人机交互模块、存储模块、数字电表、通信模块、充电模块和监控模块相连，以对所述人机交互模块、存储模块、数字电表、通信模块、充电模块和监控模块进行控制，对连接在多路充电插口的电动汽车充电设备的时序进行控制。

本发明提出的采用如上述充电设备对电动汽车充电的控制方法，其特征在于，该方法包括车辆接入识别与通信、充电需求获取、充电次序优化计算和充电插口状态检查与切换四个步骤完成充电控制；具体包括以下步骤：

1)车辆接入识别与通信：

11)当电动汽车接入某一个充电插口时，充电插口通过电压检测判断是否有车辆接入并向主体部分给出反馈信号；充电设备主体接收到充电插口有车辆接入的信号后，控制通信模块开始与所连接电动汽车的电池管理系统进行报文通信；

12)当充电设备同时连接有多辆电动汽车时，充电设备通过通信模块依次间隔地向CAN通信总线发送不同车辆对应的报文，如此不断循环，直到车辆状态发生变化；通信模块会为不同充电插口分配不同的新地址，并通过CAN总线向不同车辆分别发送对应的报文，然后由各个充电插口处的报文识别模块对接收的报文加以识别并选择对应目标地址的报文进行修改后传送到电动汽车端；或者由充电设备主体通过多路串行通信接口分别发送至对应的电动汽车端；

2)充电需求获取：

充电设备通过发送标准GBT 27930规定的通信报文向电动汽车的电池管理系统询问并获得电动汽车的电池状态；并且，充电设备通过人机交互模块从用户处获取充电需求；

3)充电次序优化计算：

31)充电站控制中心上位机或充电设备主体根据所有电动汽车的电池状态、充电需求以及电价等因素，按照远程充电策略或本地充电策略计算得到各辆电动汽车的充电次序安排；

若充电设备接受其所在的充电站控制中心上位机的调度控制，则充电设备将收集到的电池状态与用户充电需求上传至控制中心上位机，由上位机负责依据当前控制中心下辖充电设备连接的所有电动汽车的电池状态、充电需求以及电价等因素，按照远程充电策略计算得到各辆电动汽车的充电次序安排，并向充电设备下达相关控制指令；

若充电设备不接受控制中心上位机的调度控制，则充电设备将根据收集到的当前连接的所有电动汽车的电池状态、充电需求等因素，按照预设的顺序充电策略或充电成本最小化为目标的优化模型计算得到的优化充电策略对各辆电动汽车的充电次序安排，并按该次序充电；

32)充电设备或控制中心将当前时段各个充电插口所连接车辆的荷电状态、期望荷电状态、预计离开时间等充电信息数据根据远程充电策略或本地充电策略，得到从当前时刻开始若干时段内各个充电插口的充电次序；若有解，则通过人机交互模块给出反馈，并转步骤4)；若无解，则说明不能满足充电需求，则将该车离开时的期望荷电状态减少一较小的固定值，之后再次求解判断充电需求是否可以满足，若充电需求可以被满足，则通过人机交互模块征求用户同意，如果用户同意减少期望荷电状态，则转步骤4)；如果用户拒绝减少期望荷电状态，或者车辆充电需求仍无法得到满足，则充电设备应当拒绝为来车提供充电服务，并通过人机交互模块对用户进行反馈；

4)充电插口状态检查与切换

充电设备在对车辆进行充电时，每间隔一段时间重新进行一次充电次序计算后，主控模块将当前充电的插口和功率状态与所述充电次序计算的结果进行比对；若当前正在充电的插口及充电功率与计算结果一致，则继续按照当前功率设定和插口设定进行充电，直至下一间隔进行下一次计算和比对；若两者不一致，则充电设备进行动作切换充电插口；从而完成插口的状态切换，充电设备转而对新的充电插口处所连接的电动汽车进行充电。

本发明方法的技术解决方案特点及有益效果在于：

本发明对原充电设备进行改进，增加了设置在充电设备主体中的报文识别模块或设置在充电设备主体中的多路串行通信接口。采用所述设备对多路充电插口的电动汽车充电设备的时序进行控制，即对于每辆接入的电动汽车，按照识别与通信、充电需求获取、充电次序计算和充电插口状态检查与切换四个步骤完成充电，使用负荷开关和隔离开关的控制配合实现充电插口的状态切换，实现所连接各路电动汽车的充电次序的优化；为各个接口及充电设备主体重新分配地址，并在充电设备的各个充电插口处安装报文识别模块，通过对报文的加工实现地址的分离，或者在充电设备主体中设置多路串行通信接口对不同电动汽车加以区分，解决了具有多路充电插口的电动汽车充电设备的各个接口之间在报文通信时的地址冲突问题，节省了在电动汽车端进行相关硬件配置的成本；考虑购电成本、开关损耗、时间裕量等因素，提出了基于多路充电插口电动汽车充电设备的本地及远程充电次序优化策略实现本地控制和远程控制在内的单路功率输出、多路充电插口的充电次序的优化。

附图说明

图1为专利号CN201510409181.8提出的具有多路充电插口的电动汽车充电设备结构示意图。

图2为专利号CN201510409181.8提出的具有多路充电插口的电动汽车充电设备的充电设备主体结构组成及控制原理框图。

图3为本发明的具有多路充电插口的电动汽车充电设备的充电设备主体结构及控制原理图。

图4为本发明具有多路充电插口的电动汽车充电设备的控制方法流程框图。

图5为电动汽车充电机与电动汽车电池管理系统的报文通信协议。

具体实施方式

本发明提出的一种可应用于多路充电插口充电设备及其控制方法结合附图对本发明的技术方案进行更加详细的介绍。

本发明提出的一种可应用于多路充电插口充电设备是在前述申请号为CN201510409181.8的专利申请中提出的具有多路充电插口的电动汽车充电设备的基础上的改进；本发明的充电设备可以在一个充电站安装多台，各台充电设备分别与充电站控制中心上位机在线连接，也可离线独立运行。

本发明的每台充电设备包括：充电设备主体、负荷开关、多个隔离开关以及多个充电插口(图1)；所述充电设备主体包括：主控单元，以及分别与主控单元相连的人机交互模块，通信模块，存储模块，数字电表，充电模块，监控模块；其特征在于，还包括设置在充电设备主体中的报文识别模块或设置在充电设备主体中的多路串行通信接口。其中：

所述负荷开关连接在充电设备主体与多个隔离开关之间，用于开断充电电流，可以在主控单元控制下实现开合；

所述隔离开关，安装于各个充电插口之前，用于控制各个插口与充电总线的电气连接关系，可以在主控单元控制下实现开合；

所述报文处理模块，采用一块带有串行通信功能的可编程控制器，安装于充电设备主体的各个充电插口处，用于对充电设备主体发出的报文进行读取、加工和再发送。

所述多路串行通信接口(属于常规接口)，安装于充电设备主体部分，用于为各个充电插口及充电设备主体重新分配地址，并可以使用CAN通信协议分别与多路电动汽车的电池管理系统通信。

所述的充电设备主体，通过控制单个负荷开关、多个隔离开关实现控制多路充电插口按照预先设定的充电策略对连接到设备上的电动汽车进行充电。其中：

人机交互模块：用于实现待充电车辆充电需求的输入和充电相关信息的展示；

通信模块：用于实现所述充电设备主体与所述多个充电插口和通过所述多个充电插口接入的待充电车辆的双向通信；

存储模块：用于存储所述待充电车辆的充电记录、动力电池信息、所述通信模块收发的通信信息；

数字电表：用于进行电量计量；

充电模块：连接交流电网，用于将电网输入的电压、电流转化为所述充电设备输出的电压、电流对待充电车辆充电，所述充电模块通过所述负荷开关与所述多个充电插口相连，所述负荷开关在主控单元的控制下实现闭合和开断；

监控模块：用于监控通过所述多个充电插口接入所述充电设备的待充电车辆的动力电池状态、所述充电设备输出的实时电压及电流信息；

主控单元：分别与所述人机交互模块、存储模块、数字电表、通信模块、充电模块和监控模块相连，以对所述人机交互模块、存储模块、数字电表、通信模块、充电模块和监控模块进行控制，对连接在多路充电插口的电动汽车充电设备的时序进行控制。

本发明基于上述设备对电动汽车充电的控制方法流程如图3所示，包括车辆接入识别与通信、充电需求获取、充电次序优化计算和充电插口状态检查与切换四个步骤完成充电控制；具体包括以下步骤：

1)车辆接入识别与通信：

11)当电动汽车接入某一个充电插口时，充电插口通过电压检测判断是否有车辆接入并向主体部分给出反馈信号；充电设备主体接收到充电插口有车辆接入的信号后，控制通信模块开始与所连接电动汽车的电池管理系统进行报文通信(在整个充电过程中，充电设备主体都需要与各个接口连接的电动汽车电池管理系统保持报文通信。为解决充电设备主体同时与多个充电插口连接的电池管理系统通信的地址冲突问题，针对充电设备主体采用单一通信接口与多路电动汽车电池管理系统通信及采用多路通信接口一对一与多路电池管理系统通信两种情况)，本发明分别提出两种报文通信方式：

第一种，充电设备主体充电插口处增加报文处理模块，充电设备主体使用单一通信接口与多个电动汽车的电池管理系统通信(考虑到按照标准GBT 27930中的规定，各路电动汽车的地址均为同一常量)：首先报文处理模块对电动汽车电池管理系统及充电设备主体进行地址的重新分配，为所述充电设备主体及每个充电插口连接的电动汽车电池管理系统都分配一个单字节长度的新地址。例如，可将充电设备主体设置为0xA0，各路电动汽车电池管理系统分别为0xD1、0xD2等等。并且，在充电设备主体充电插口处增加报文处理模块(如图2中160所示)。

所述报文处理模块接收对应充电插口路径上传输的报文，并对报文进行地址信息的替换修改。图5中给出了标准GBT 27930中规定的电动汽车电池管理系统与非车载充电机的报文通信格式。报文从左至右依次为优先权(表示报文处理的优先级，数值越大优先级越高)、保留位(保留以作他用)、参数组格式(表示报文的种类)、目标地址、源地址与数据域(报文的具体数据)，其中目标地址与源地址规定为地址常量，不随设备的更改而改变。

本发明对传输过程中的报文在此通信协议基础上进行更改。具体实施说明如下：当某一充电插口上电动汽车的电池管理系统，依照图5的报文格式向充电设备主体发送某一报文时，在发送至CAN总线时首先由该充电插口上的报文处理模块接收该报文，并按照图4所示的通信协议格式对报文进行修改，将原本帧格式中的源地址信息替换为当前插口的新地址，将原本帧格式中的目标地址信息替换为充电设备主体的新地址。然后再通过CAN总线发送至充电设备主体连接的报文处理模块，由充电设备主体连接的报文处理模块读取报文，确认目标地址正确后对报文进行二次还原，将源地址与目标地址再次替换原本帧格式中规定的地址，得到符合标准GBT 27930的报文内容，并传送至充电设备端。同理，当充电设备要向某一充电插口上连接的电动汽车电池管理系统发送报文时，首先由充电设备端的报文处理模块接受报文并按照图4所示的通信协议格式替换地址信息，将原本帧格式中的源地址信息替换为充电设备主体的新地址，将原本帧格式中的目标地址信息替换为目标电池管理系统的新地址，之后通过CAN总线发送，对应插口处的报文处理模块识别到报文后接受报文，并对报文进行二次修改，得到符合标准GBT 27930的报文内容，并进一步发送给该充电插口连接的电动汽车电池管理系统。总体上，无论电动汽车充电过程处于哪个具体阶段，发送的是何种类型的报文，报文通信模块起到的作用仅仅是在维持报文其他部分内容不变的基础上，将地址信息进行替换的翻译作用。

第二种，充电设备主体本身设置有多个串行通信接口，将每一充电插口分别对应不同的通信接口(因此对于地址的识别和处理则可以通过控制程序从软件层面加以实现而不需要在硬件层面增加报文处理模块)：当某一接口上连接的电动汽车的电池管理系统依照标准GBT 27930中规定的报文格式向充电设备发送某一报文时，充电设备通过读取相应串口接收的数据即可获得对应电动汽车的电池管理系统发送的报文数据，而不需要对报文内容进行更改；同理，当充电设备向某一插口上的电动汽车电池管理系统发送报文时，也只需按照标准GBT 27930中规定的报文格式向对应通信接口发出即可。

12)当充电设备同时连接有多辆电动汽车时(需要与多辆电动汽车保持报文通信连接，为此需要轮流与每辆车进行通信)，充电设备通过通信模块依次间隔地向CAN通信总线发送不同车辆对应的报文(之间间隔很短的时间，例如20ms。比如，当前充电设备连接有两辆电动汽车，分别为1#和2#车辆，1#车辆处于充电阶段，2#车辆处于握手阶段，则通信模块首先发送给1#车辆的充电阶段所需报文，20ms后发送2#车辆所需的握手报文)，如此不断循环，直到车辆状态发生变化。通信模块会为不同充电插口分配不同的新地址，并通过CAN总线向不同车辆分别发送对应的报文(发送到CAN总线上的报文中目标地址并非国家标准中规定的目标地址常量，而是替换后的新地址)，然后由各个充电插口处的报文识别模块对接收的报文加以识别并选择对应目标地址的报文进行修改后传送到电动汽车端；或者由充电设备主体通过多路串行通信接口分别发送至对应的电动汽车端。

2)充电需求获取：

电动汽车接入识别完成并开启报文通信后，充电设备通过发送标准GBT 27930规定的通信报文向电动汽车的电池管理系统询问并获得电动汽车的电池状态。并且，充电设备通过人机交互模块从用户处获取充电需求，包括但不仅限于预计离开的时刻及离开时期望达到的电池剩余容量。

3)充电次序优化计算：

31)充电站控制中心上位机或充电设备主体根据所有电动汽车的电池状态、充电需求以及电价等因素，按照远程充电策略或本地充电策略计算得到各辆电动汽车的充电次序安排；两种情况具体说明如下：

若充电设备接受其所在的充电站控制中心上位机的调度控制，则充电设备将收集到的电池状态与用户充电需求上传至控制中心上位机，由上位机负责依据当前控制中心下辖充电设备连接的所有电动汽车的电池状态、充电需求以及电价等因素，按照远程充电策略计算得到各辆电动汽车的充电次序安排，并向充电设备下达相关控制指令；

若(由于未配建控制中心或其他原因)充电设备不接受控制中心上位机的调度控制，则充电设备将根据收集到的当前连接的所有电动汽车的电池状态、充电需求等因素，按照预设的顺序充电策略或充电成本最小化为目标的优化模型计算得到的优化充电策略对各辆电动汽车的充电次序安排，并按该次序充电。

32)充电设备或控制中心将当前时段各个充电插口所连接车辆的荷电状态、期望荷电状态、预计离开时间等充电信息数据根据远程充电策略或本地充电策略，计算得到从当前时刻开始若干时段内各个充电插口的充电次序。若有解，则通过人机交互模块给出反馈，并转步骤4)进行充电次序的定时检查与充电插口状态切换；若无解，则说明不能满足充电需求，则将该车离开时的期望荷电状态减少一较小的固定值(例如2％)，之后再次求解判断充电需求是否可以满足，若充电需求可以被满足，则通过人机交互模块征求用户同意，如果用户同意减少期望荷电状态，则转步骤4)同样进入充电次序的定时检查与充电插口状态切换；如果用户拒绝减少期望荷电状态，或者车辆充电需求仍无法得到满足，则充电设备应当拒绝为来车提供充电服务，并通过人机交互模块对用户进行反馈(说明本充电设备无法为来车提供服务)。

4)充电插口状态检查与切换：

充电设备在对车辆进行充电时，每间隔一段时间(例如15分钟)重新进行一次充电次序计算，充电设备计算完毕充电次序或者接收到控制中心计算的充电次序结果后，主控模块将当前充电的插口和功率状态与所述充电次序计算的结果进行比对。若当前正在充电的插口及充电功率与计算结果一致，则继续按照当前功率设定和插口设定进行充电，直至下一次15分钟后进行下一次计算和比对；若两者不一致，则充电设备进行动作切换充电插口。具体过程为：充电设备应向当前充电插口连接的电动汽车电池管理系统发送停止充电报文，得到响应后控制负荷开关断开。负荷开关断开成功后，控制当前充电插口处的隔离开关断开，然后进行自检：若此时所有负荷开关及隔离开关均处于开断状态，则控制需要充电的插口处的隔离开关闭合，而其余隔离开关仍旧保持开断状态，然后控制闭合负荷开关，从而完成插口的状态切换，充电设备转而对新的充电插口处所连接的电动汽车进行充电。所述步骤3)中本地控制策略采用顺序充电策略或优化充电策略两种方式：

(1)顺序充电策略：

不进行用户的充电需求、电池状态和分时电价等因素的优化，仅仅按照电动汽车接入充电设备的次序，以“先到先充，后到后充”为原则，优先安排先接入的电动汽车进行充电。前一辆电动汽车的充电需求满足后，再切换至另一辆电动汽车进行充电。

(2)优化充电策略在考虑分时电价等政策的情况下，由于通常对充电用户所收取的电费不会因为其在充电过程中所做出的贡献而有所区别，即在某一时间段对所有汽车收取的电费是相同的，因此以降低充电成本为优化目标安排各辆电动汽车进行充电。同时，由于本地控制策略由单台充电设备独立计算决策，在计算时可以认为充电功率是满足配电变压器功率约束的，因此在本地控制策略下充电功率取充电设备输出功率与电动汽车功率需求的较小值。

所述优化控制策略以降低充电成本为优化目标，其目标函数如下：

其中，τ_H为优化的最长时间范围，N为本地(单台)多路插口充电设备下的充电插口数量，P_i为编号i的充电插口的充电功率，取充电设备输出功率与电动汽车功率需求的较小值，u_i,τ为编号i的充电插口在τ时刻的工作状态(0为空闲，1为充电)，T_τ为τ时刻从电网侧购电的电价，η为充电设备的充电效率，Δτ为设定的检查时长(通常设为15分钟)，T_sw为开关动作的损耗成本系数，可通过成本折旧得到，T_de,i为编号i的充电插口所连接电动汽车的离开时间，T_st,i为编号i的充电插口所连接电动汽车实际完成充电需求的时间。

上式中，第一项表示全时间段内从电网侧购电的成本，第二项表示全时间段内开关总的切换损耗成本，第三项表示充电设备连接的各接口全时段内的总时间机会成本，用时间裕量的相反数表示，前面的系数ε为一个很小的正数(使第三项远小于前两项，例如可取为0.001)，负号体现了时间裕量越大时间机会成本越小。

该优化目标函数满足的约束条件，包括：

2)充电能量约束，即每一插口连接的电动汽车的充电需求都能得到满足

k为当前时刻新接入电动汽车的插口编号。

2)插口充电状态互斥约束，即同一时间仅有最多一个插口进行充电

3)停放状态约束，即只有停放有未满足充电需求的电动汽车的充电插口才可进行充电

上述约束中，SOC_de,i表示编号i的充电插口所连接电动汽车离开时期望达到的荷电状态，SOC_ar,k表示编号k的充电插口所连接电动汽车接入时的初始荷电状态，SOC_cu,i表示编号i的充电插口所连接电动汽车当前的荷电状态，E_bat,i表示编号i的充电插口所连接电动汽车的电池容量，s_i,τ为编号i的充电插口在τ时刻的停放状态(0为未停放，1为停放)。

通过此优化模型可以计算得出当前时刻起至τ_H时刻各接口充电状态的时序安排，按照当前时刻各接口的最优充电状态安排充电即可。

所述步骤3)中的远程控制策略由目标函数和目标函数的约束条件组成的远程优化模型计算得到。在此种策略下，需要考虑充电站内多台多路插口充电设备之间的功率配合遵守配电变压器的功率约束。因此当采用远程控制策略由控制中心进行计算时，需要将各台充电设备各时段的功率也作为决策变量。

远程优化模型的目标函数如下：

其中，τ_H为优化的最长时间范围，N为充电站内多路插口充电设备的个数，N_j为编号j的多路插口充电设备下的充电插口数量，P_j,i为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口的充电功率，u_j,i(τ)为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口在τ时刻的工作状态(0为空闲，1为充电)，T_τ为τ时刻从电网侧购电的电价，η_j为编号j的多路插口充电设备的充电效率，Δτ为设定的检查时长(通常设为15分钟)，T_sw为开关动作的损耗成本系数，可通过成本折旧得到，τ_DE,j,i为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车的离开时间，τ_ST,j,i为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车实际完成充电需求的时间。

上式中，第一项表示全时间段内从电网侧购电的成本，第二项表示全时间段内开关总的切换损耗成本，第三项表示全时段内的总时间机会成本，用时间裕量的相反数表示，前面的系数ε为一个很小的正数，负号体现了时间裕量越大时间机会成本越小。

该优化目标满足的约束条件包括：

1)充电功率约束，即每一充电设备下各插口对应的充电功率不超过充电设备最大输出功率和电动汽车功率需求，各充电设备总充电功率不超过配电变压器最大功率

2)充电能量约束，即每一插口连接的电动汽车的充电需求都能得到满足

k为当前时刻新接入电动汽车的充电设备编号，m为当前时刻新接入电动汽车的充电插口编号。

3)插口充电状态互斥约束，即单台多路插口充电设备下同一时间仅有最多一个插口进行充电

4)停放状态约束，即只有停放有未满足充电需求的电动汽车的充电插口才可进行充电

上述约束中，表示编号j的多路插口充电设备的最大输出功率，表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车的功率需求，P_TRmax表示充电站配电变压器的最大功率，SOC_DE,j,i表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车离开时期望达到的荷电状态，SOC_AR,m,k表示编号m的多路插口充电设备下编号k的充电插口所连接电动汽车接入时的初始荷电状态，SOC_CU,j,i表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车当前的荷电状态，E_BA,j,i表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车的电池容量，s_j,i(τ)为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口在τ时刻的停放状态(0为未停放，1为停放)。

通过此优化模型可以计算得出当前时刻起至τ_H时刻充电站内各充电机各接口充电状态的时序安排，按照当前时刻各接口的最优充电状态安排充电即可。

Claims (5)

1.一种应用于多路充电插口电动汽车充电设备，包括：充电设备主体、负荷开关、多个隔离开关以及多个充电插口；所述充电设备主体包括：主控单元，以及分别与主控单元相连的人机交互模块，通信模块，存储模块，数字电表，充电模块，监控模块；其特征在于，还包括设置在充电设备主体中的报文识别模块或设置在充电设备主体中的多路串行通信接口；其中：

所述负荷开关连接在充电设备主体与多个隔离开关之间，用于开断充电电流，可以在主控单元控制下实现开合；

所述隔离开关，安装于各个充电插口之前，用于控制各个插口与充电总线的电气连接关系，可以在主控单元控制下实现开合；

所述报文处理模块，采用一块带有串行通信功能的可编程控制器，安装于充电设备主体的各个充电插口处，用于对充电设备主体发出的报文进行读取、加工和再发送；

所述多路串行通信接口，安装于充电设备主体部分，用于为各个充电插口及充电设备主体重新分配地址，并可以使用CAN通信协议分别与多路电动汽车的电池管理系统通信；

所述的充电设备主体，通过控制单个负荷开关、多个隔离开关实现控制多路充电插口按照预先设定的充电策略对连接到设备上的电动汽车进行充电；其中：

人机交互模块：用于实现待充电车辆充电需求的输入和充电相关信息的展示；

通信模块：用于实现所述充电设备主体与所述多个充电插口和通过所述多个充电插口接入的待充电车辆的双向通信；

存储模块：用于存储所述待充电车辆的充电记录、动力电池信息、所述通信模块收发的通信信息；

数字电表：用于进行电量计量；

充电模块：连接交流电网，用于将电网输入的电压、电流转化为所述充电设备输出的电压、电流对待充电车辆充电，所述充电模块通过所述负荷开关与所述多个充电插口相连，所述负荷开关在主控单元的控制下实现闭合和开断；

监控模块：用于监控通过所述多个充电插口接入所述充电设备的待充电车辆的动力电池状态、所述充电设备输出的实时电压及电流信息；

主控单元：分别与所述人机交互模块、存储模块、数字电表、通信模块、充电模块和监控模块相连，以对所述人机交互模块、存储模块、数字电表、通信模块、充电模块和监控模块进行控制，对连接在多路充电插口的电动汽车充电设备的时序进行控制。

2.一种采用如权利要求1所述设备对电动汽车充电的控制方法，其特征在于，该方法包括车辆接入识别与通信、充电需求获取、充电次序优化计算和充电插口状态检查与切换四个步骤完成充电控制；具体包括以下步骤：

1)车辆接入识别与通信：

11)当电动汽车接入某一个充电插口时，充电插口通过电压检测判断是否有车辆接入并向主体部分给出反馈信号；充电设备主体接收到充电插口有车辆接入的信号后，控制通信模块开始与所连接电动汽车的电池管理系统进行报文通信；

12)当充电设备同时连接有多辆电动汽车时，充电设备通过通信模块依次间隔地向CAN通信总线发送不同车辆对应的报文，如此不断循环，直到车辆状态发生变化；通信模块会为不同充电插口分配不同的新地址，并通过CAN总线向不同车辆分别发送对应的报文，然后由各个充电插口处的报文识别模块对接收的报文加以识别并选择对应目标地址的报文进行修改后传送到电动汽车端；或者由充电设备主体通过多路串行通信接口分别发送至对应的电动汽车端；

2)充电需求获取：

充电设备通过发送标准GBT 27930规定的通信报文向电动汽车的电池管理系统询问并获得电动汽车的电池状态；并且，充电设备通过人机交互模块从用户处获取充电需求；

3)充电次序优化计算：

31)充电站控制中心上位机或充电设备主体根据所有电动汽车的电池状态、充电需求以及电价等因素，按照远程充电策略或本地充电策略计算得到各辆电动汽车的充电次序安排；

若充电设备接受其所在的充电站控制中心上位机的调度控制，则充电设备将收集到的电池状态与用户充电需求上传至控制中心上位机，由上位机负责依据当前控制中心下辖充电设备连接的所有电动汽车的电池状态、充电需求以及电价等因素，按照远程充电策略计算得到各辆电动汽车的充电次序安排，并向充电设备下达相关控制指令；

若充电设备不接受控制中心上位机的调度控制，则充电设备将根据收集到的当前连接的所有电动汽车的电池状态、充电需求等因素，按照预设的顺序充电策略或充电成本最小化为目标的优化模型计算得到的优化充电策略对各辆电动汽车的充电次序安排，并按该次序充电；

32)充电设备或控制中心将当前时段各个充电插口所连接车辆的荷电状态、期望荷电状态、预计离开时间等充电信息数据根据远程充电策略或本地充电策略，得到从当前时刻开始若干时段内各个充电插口的充电次序；若有解，则通过人机交互模块给出反馈，并转步骤4)；若无解，则说明不能满足充电需求，则将该车离开时的期望荷电状态减少一较小的固定值，之后再次求解判断充电需求是否可以满足，若充电需求可以被满足，则通过人机交互模块征求用户同意，如果用户同意减少期望荷电状态，则转步骤4)；如果用户拒绝减少期望荷电状态，或者车辆充电需求仍无法得到满足，则充电设备应当拒绝为来车提供充电服务，并通过人机交互模块对用户进行反馈；

4)充电插口状态检查与切换

充电设备在对车辆进行充电时，每间隔一段时间重新进行一次充电次序计算后，主控模块将当前充电的插口和功率状态与所述充电次序计算的结果进行比对；若当前正在充电的插口及充电功率与计算结果一致，则继续按照当前功率设定和插口设定进行充电，直至下一间隔进行下一次计算和比对；若两者不一致，则充电设备进行动作切换充电插口；从而完成插口的状态切换，充电设备转而对新的充电插口处所连接的电动汽车进行充电。

3.如权利要求2所述充电控制方法，其特征在于，所述步骤11)进行报文通信，若充电设备主体充电插口处增加报文处理模块，充电设备主体使用单一通信接口与多个电动汽车的电池管理系统通信：首先报文处理模块对电动汽车电池管理系统及充电设备主体进行地址的重新分配，为所述充电设备主体及每个充电插口连接的电动汽车电池管理系统都分配一个新地址；

所述报文处理模块接收对应接口路径上传输的报文，将源地址信息替换为当前插口的新地址，将目标地址信息替换为充电设备主体的新地址；然后再通过CAN总线发送至充电设备主体连接的报文处理模块，由充电设备主体连接的报文处理模块读取报文，确认目标地址正确后对报文进行二次还原，将源地址与目标地址再次替换成原本帧格式中规定的地址，得到符合标准GBT 27930的报文内容，并传送至充电设备端；同理，当充电设备要向某一接口上的电动汽车电池管理系统发送报文时，首先由充电设备端的报文处理模块接受报文并按照标准GBT 27930中规定的通信协议格式替换地址信息，将原本帧格式中的源地址信息替换为充电设备主体的新地址，将原本帧格式中的目标地址信息替换为目标电池管理系统的新地址，之后通过CAN总线发送，对应接口处的报文处理模块识别到报文后接受报文，并对报文进行二次修改，得到符合标准GBT 27930的报文内容，并进一步发送给该充电插口连接的电动汽车电池管理系统；总体上，无论电动汽车充电过程处于哪个具体阶段，发送的是何种类型的报文，报文通信模块起到的作用仅仅是在维持报文其他部分内容不变的基础上，将地址信息进行替换的翻译作用；

若充电设备主体本身设置有多个串行通信接口，将每一充电插口分别对应不同的通信接口：当某一接口上电动汽车，电动汽车的电池管理系统依照标准GBT 27930中规定的报文格式向充电设备发送某一报文时，充电设备通过读取相应串口接收的数据即可获得对应电动汽车的电池管理系统发送的报文数据；同理，当充电设备向某一插口上的电动汽车电池管理系统发送报文时，也按照标准GBT 27930中规定的报文格式向对应通信接口发出即可。

4.如权利要求2所述充电控制方法，其特征在于，所述步骤3)中

本地控制策略采用顺序充电策略或优化充电策略两种；(1)顺序充电策略：按照电动汽车接入充电设备的次序，以“先到先充，后到后充”为原则，优先安排先接入的电动汽车进行充电；前一辆电动汽车的充电需求满足后，再切换至另一辆电动汽车进行充电；

(2)优化充电策略：所述优化充电策略以降低充电成本为优化目标，其目标函数如下：

$\underset{u_{i,\mathrm{\τ}}}{\min }\[\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_H}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_i\·u_{i,\mathrm{\τ}}\·T_{\mathrm{\τ}}\·\mathrm{\η}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}+T_{sw}\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_H}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}|u_{i,\mathrm{\τ}+1}-u_{i,\mathrm{\τ}}|-\mathrm{\ϵ}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\τ}}_{de,i}-{\mathrm{\τ}}_{st,i})\]---\left(1\right)$

其中，τ_H为优化的最长时间范围，N为本地多路插口充电设备下的充电插口数量，P_i为编号i的充电插口的充电功率，取充电设备输出功率与电动汽车功率需求的较小值，u_i,τ为编号i的充电插口在τ时刻的工作状态，0为空闲，1为充电，T_τ为τ时刻从电网侧购电的电价，η为充电设备的充电效率，Δτ为设定的检查时长，T_sw为开关动作的损耗成本系数，通过成本折旧得到，T_de,i为编号i的充电插口所连接电动汽车的离开时间，T_st,i为编号i的充电插口所连接电动汽车实际完成充电需求的时间，ε为一个很小的正数；

该优化目标函数的约束条件包括：

1)充电能量约束，即每一插口连接的电动汽车的充电需求都能得到满足

$\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_{de,k}}{\Σ}}{P}_k\·u_{k,\mathrm{\τ}}\·\mathrm{\η}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\≥({\mathrm{SOC}}_{de,k}-{\mathrm{SOC}}_{ar,k})E_{bat,k}---\left(2\right)$

$\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_{de,i}}{\Σ}}{P}_i\·u_{i,\mathrm{\τ}}\·\mathrm{\η}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\≥({\mathrm{SOC}}_{de,i}-{\mathrm{SOC}}_{cu,i})E_{bat,i},i\≠k---\left(3\right)$

k为当前时刻新接入电动汽车的插口编号；

2)插口充电状态互斥约束，即同一时间仅有最多一个插口进行充电

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_{i,\mathrm{\τ}}\≤1,\∀\mathrm{\τ}---\left(4\right)$

3)停放状态约束，即只有停放有未满足充电需求的电动汽车的充电插口才可进行充电

$u_{i,\mathrm{\τ}}\≤s_{i,\mathrm{\τ}},\∀i,\mathrm{\τ}---\left(5\right)$

$u_{i,\mathrm{\τ}},s_{i,\mathrm{\τ}}\∈\{0,1\},\∀i,\mathrm{\τ}---\left(6\right)$

上述约束中，SOC_de,i表示编号i的充电插口所连接电动汽车离开时期望达到的荷电状态，SOC_ar,k表示编号k的充电插口所连接电动汽车接入时的初始荷电状态，SOC_cu,i表示编号i的充电插口所连接电动汽车当前的荷电状态，E_bat,i表示编号i的充电插口所连接电动汽车的电池容量，s_i,τ为编号i的充电插口在τ时刻的停放状态，0为未停放，1为停放；

通过此优化模型计算得出当前时刻起至τ_H时刻各接口充电状态的时序安排，按照当前时刻各接口的最优充电状态安排充电。

5.如权利要求2所述充电控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的远程控制策略由目标函数和目标函数的约束条件组成的远程优化模型计算得到；

远程优化模型的目标函数如下：

$\begin{array}{c}\underset{P_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right),u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)}{\min }\[\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_H}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\·u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\·T_{\mathrm{\τ}}\·{\mathrm{\η}}_j\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}+T_{sw}\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_H}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}|u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)-u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}-1\right)|\\ -\mathrm{\ϵ}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\τ}}_{DE,j,i}-{\mathrm{\τ}}_{ST,j,i})\]\end{array}---\left(7\right)$

其中，τ_H为优化的最长时间范围，N为充电站内多路插口充电设备的个数，N_j为编号j的多路插口充电设备下的充电插口数量，P_j,i为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口的充电功率，u_j,i(τ)为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口在τ时刻的工作状态，0为空闲，1为充电，T_τ为τ时刻从电网侧购电的电价，η_j为编号j的多路插口充电设备的充电效率，Δτ为设定的检查时长，T_sw为开关动作的损耗成本系数，可通过成本折旧得到，τ_DE,j,i为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车的离开时间，τ_ST,j,i为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车实际完成充电需求的时间，ε为一个很小的正数；

该优化目标满足的约束条件，包括：

1)充电功率约束，即每一充电设备下各插口对应的充电功率不超过充电设备最大输出功率和电动汽车功率需求，各充电设备总充电功率不超过配电变压器最大功率

$P_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\≤min\{P_j^{max},P_{j,i}^{\max }\},\∀i,j---\left(8\right)$

$\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\·u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\≤P_{TRmax},\∀\mathrm{\τ}---\left(9\right)$

2)充电能量约束，即每一接口连接的电动汽车的充电需求都能得到满足

$\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_{DE,m,k}}{\Σ}}{P}_{m,k}\left(\mathrm{\τ}\right)\·u_{m,k}\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{\η}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\≥({\mathrm{SOC}}_{DE,m,k}-{\mathrm{SOC}}_{AR,m,k})E_{BA,m,k}---\left(10\right)$

$\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{{\mathrm{\τ}}_{DE,j,i}}{\Σ}}{P}_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\·u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{\η}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\≥({\mathrm{SOC}}_{DE,j,i}-{\mathrm{SOC}}_{CU,j,i})E_{BA,j,i},i\≠k,j\≠m---\left(11\right)$

k为当前时刻新接入电动汽车的充电设备编号，m为当前时刻新接入电动汽车的充电插口编号；

3)插口充电状态互斥约束，即单台多路插口充电设备下同一时间仅有最多一个插口进行充电

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\≤1,\∀\mathrm{\τ},j---\left(12\right)$

4)停放状态约束，即只有停放有未满足充电需求的电动汽车的充电插口才可进行充电

$u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\≤s_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right),\∀i,j,\mathrm{\τ}---\left(13\right)$

$u_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right),s_{j,i}\left(\mathrm{\τ}\right)\∈\{0,1\},\∀i,j,\mathrm{\τ}---\left(14\right)$

上述约束中，表示编号j的多路插口充电设备的最大输出功率，表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车的功率需求，P_{TR max}表示充电站配电变压器的最大功率，SOC_DE,j,i表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车离开时期望达到的荷电状态，SOC_AR,m,k表示编号m的多路插口充电设备下编号k的充电插口所连接电动汽车接入时的初始荷电状态，SOC_CU,j,i表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车当前的荷电状态，E_BA,j,i表示编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口所连接电动汽车的电池容量，s_j,i(τ)为编号j的多路插口充电设备下编号i的充电插口在τ时刻的停放状态，0为未停放，1为停放；

通过该优化模型计算得出当前时刻起至τ_H时刻充电站内各充电设备各接口充电状态的时序安排，按照当前时刻各接口的最优充电状态安排充电。