CN107444175A - 充换电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽车充换电领域，具体涉及一种充换电站。本发明旨在解决现有小型/微型充换电站存在的接线复杂度高、系统稳定性差的问题。为此目的，本发明的充换电站包括换电系统和主控系统。换电系统用于为待换电车辆更换动力电池；主控系统用于与换电系统进行通信交互，使换电系统完成为待换电车辆更换动力电池的动作；主控系统用于监测换电系统并且与换电系统进行通信，从而使换电系统完成为待换电车辆更换动力电池的动作。通过主控系统和换电系统之间采用无线通信的方式，使得本发明的充换电站实现了主控系统和换电系统之间的通信无线化，降低了充换电站各系统间的接线复杂度，提高了系统稳定性。

Description

充换电站
技术领域
本发明涉及汽车充换电领域，具体涉及一种充换电站。
背景技术
随着新能源汽车的普及，如何有效地为能量不足的汽车提供快速有效的能量补给一直是业内急需解决的问题。以电动汽车为例，在诸多的补能方式中，电池更换方式是一种极速、方便、安全的方案，这种方案一般需要在充换电站中完成。而对于充换电站的建设来说，由于大型充换电站的解决方案受选址及空间等诸多因素影响，在实施上的局限性很大，为此小型或微型充换电站的解决方案越来越成为厂家的普遍选择。
举例而言，小型/微型充换电站可布局在两个集装箱内，其占地面积在2～3个普通车位，充换电站主要包括换电系统和主控系统，其中换电系统又进一步包括停车平台子系统、换电小车子系统、电池仓子系统以及充电子系统，并且所有的子系统之间以及子系统与主控系统之间均需要通信交互与信号传递，以保证各子系统之间动作的协调性和逻辑性，进而顺利完成充换电过程。对于小型/微型充换电站来说，通常在集装箱的有限空间内完成这些系统之间的信号联通需要大量的连接线，不仅布线工作繁重、复杂，提高了充换电站建设的复杂程度，而且大量的连接线会产生的相互之间的电磁干扰，降低了系统运行的稳定性与充换电效率。
相应地，本领域需要一种新的充换电站来解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有小型/微型充换电站存在的接线复杂度高、系统稳定性差的问题，本发明提供了一种充换电站，包括换电系统和主控系统，其中，所述换电系统用于为待换电车辆更换动力电池；其中，所述主控系统用于监测所述换电系统并且与所述换电系统进行通信，从而使所述换电系统完成为所述待换电车辆更换动力电池的动作；所述主控系统通过无线通信的方式完成与所述换电系统的通信。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述换电系统与所述主控系统之间通过在无线通信的应用层设置私有通信协议的方式进行通信。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述私有通信协议为：
所述换电系统向所述主控系统发送注册申请；
基于所述注册申请，所述主控系统生成登记号；
基于所述登记号，所述主控系统与所述换电系统分别生成身份识别码；
基于所述身份识别码，所述主控系统与所述换电系统彼此校验；
校验成功后，所述主控系统向所述换电系统发送注册完成信息。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述登记号随机生成并且在设定时间内无法重复产生。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述主控系统能够接收的所述注册申请的个数不大于预设值。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述充换电站以模块化设置。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述换电系统包括停车平台子系统、换电小车子系统、电池仓子系统以及充电子系统，其中，所述停车平台子系统用于所述待换电车辆的定位；其中，所述换电小车子系统用于为所述待换电车辆更换动力电池；其中，所述电池仓子系统用于存储动力电池；其中，所述充电子系统用于为亏电的动力电池充电。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述停车平台子系统包括停车平台控制模块，所述换电小车子系统包括换电小车控制模块，所述电池仓子系统包括电池仓控制模块，所述充电子系统包括充电控制模块，所述停车平台子系统、所述换电小车子系统、所述电池仓子系统以及所述充电子系统分别通过所述停车平台控制模块、换电小车控制模块、电池仓控制模块以及充电控制模块与所述主控系统进行通信。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述停车平台子系统、所述换电小车子系统、所述电池仓子系统以及所述充电子系统之间彼此不通信。
在上述充换电站的优选技术方案中，所述无线通信为WiFi通信、蓝牙通信或Zigbee通信。
本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，充换电站包括换电系统和主控系统。换电系统用于为待换电车辆更换动力电池，主控系统用于与换电系统进行通信，使换电系统完成为待换电车辆更换动力电池的动作。其中，主控系统通过无线通信的方式完成与换电系统的通信。通过换电系统和主控系统之间采用无线通信的设置方式，实现了主控系统和换电系统之间的通信无线化，这种方式相较于背景技术中的布线方式来说，降低了充换电站中各系统之间的接线复杂度，避免了因线路拉扯而可能导致的故障，提高了系统稳定性。
进一步地，主控系统和换电系统之间通过私有通信协议进行通讯的设置方式，使得本发明的充换电站可以最大程度的减少充换电站内部的传导电磁干扰，同时避免未知设备的非法接入或侵入，保证通信连接的安全性和可靠性。
附图说明
下面参照附图并结合集装箱式充换电站为电动汽车更换动力电池来描述本发明的充换电站。附图中：
图1为本发明的集装箱式充换电站的俯视示意图；
图2为本发明的集装箱式充换电站的无线组网示意图；
图3本发明的集装箱式充换电站的私有通信协议的注册过程的流程示意图；
图4为本发明的集装箱式充换电站的私有通信协议的注册过程的逻辑示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然附图中的停车平台子系统是设置在小型充换电站的最右端，但是这种位置关系非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
首先参照图1和图2，图1为本发明的集装箱式充换电站的俯视示意图；图2为本发明的集装箱式充换电站的无线组网示意图。如图1所示，为解决背景技术中所述的现有小型/微型充换电站存在的接线复杂度高、系统稳定性差的问题，即为了减少充换电站中各组成系统之间的布线及线路间的电磁干扰，本发明提供了一种小型充换电站，主要包括换电集装箱以及设置于集装箱内的换电系统和主控系统。换电系统用于为待换电的电动汽车更换动力电池，主控系统用于与换电系统进行通讯交互，并基于逻辑控制，协调换电系统的换电动作(如通过通讯传输动作指令的方式)，使换电系统为待换电的电动汽车更换动力电池。优选地，主控系统通过无线通信的方式完成与换电系统的通信交互，如通过WiFi通信、蓝牙通信、Zigbee通信或其他等同或类似的无线通信方式进行通信交互。
需要说明的是，为了更好地实现小型充换电站的无线通讯，首先可以将本发明的小型充换电站中的各系统组成部分进行分类，并且将分类后的各部分模块化，进而使小型充换电站以模块化设置。如图1和图2所示，在一种可能的实施方式中，根据充换电站的机械、电气组成及功能特性，可以将充换电站划分为以5个系统：
1)停车平台子系统(Parking Platform Subsystem，即PP_SubSys)，包括停车平台和停车平台控制模块，停车平台主要用于完成电动汽车的定位。如电动汽车在换电平台上的水平方向的定位和竖直方向的举升；停车平台控制模块只用于与主控系统进行交互，如接收主控系统的指令完成上述定位的动作。
2)换电小车子系统(Battery Packet Carrier Subsystem，即BPC_SubSys)，包括换电小车和换电控制模块，换电小车主要用于完成动力电池的转运和更换。如从电动汽车上将亏电的动力电池卸下、将亏电的动力电池送往电池仓子系统、从电池仓子系统取出满电的动力电池并将满电的动力电池安装上；换电小车控制模块只用于与控系统进行交互，如接收主控系统的指令完成上述更换动力电池的动作。
3)电池仓子系统(Battery Store Subsystem，即BS_SubSys)，包括电池仓和电池仓控制模块，电池仓用于动力电池的传送、存储以及提供充电接口等，电池仓控制模块只用于与控系统进行交互。如接收主控系统的指令完成为动力电池充电的控制动作，再如将满电的动力电池从电池仓送往换电小车，或接收换电小车送来的亏电的动力电池并存储在电池仓上。
4)充电子系统(Battery Charge Subsystem，即BC_SubSys)，包括充电柜和充电控制模块，电池充电柜用于提供充电动力以及动力电池的实时状态监测；充电控制模块只用于与控系统进行交互。如接收主控系统的指令完成对动力电池的充电监控。
5)主控系统(Main Control Subsystem，即MC_SubSys)，主控系统用于小型充换电站的总体逻辑控制，协调各子系统的换电动作，如上述的通过无线通讯的方式与各子系统进行数据或信息的交互，收集所有子系统的控制模块的实时信息数据，并下达相应的控制指令。进一步地，主控系统还能完成其他功能，如与云端服务器的数据交互，配合云端服务器完成换电鉴权工作，如完成对充换电站内辅助设备的控制(如照明、冷却、电量计量、环境监测、开关门等)，再如主控系统提供触摸屏式人机交互功能。
其中，停车平台子系统、换电小车子系统、电池仓子系统以及充电子系统共同组成了前述的换电系统，用于完成为电动汽车换电的整个过程。优选地，可以使用ARM处理器作为各子系统的控制模块，可方便扩展WiFi功能，实现系统各控制模块与主控系统间的无线化。
通过上述描述可以看出，小型充换电站按模块化的方式划分为5个系统，即主控系统和换电系统的4个子系统，各个子系统与主控系统之间通过无线通信的方式进行交互，由主控系统协调各个子系统间的动作。各子系统拥有自己的控制模块，并且控制各子系统独立完成相应的功能，即各子系统之间彼此不通信，无需进行额外的通信设置或信号连线，而只需与主控系统进行独立通信即可。这样一来，各个子系统的控制模块只需根据各自的动作功能，收集自己所需的信号状态。也就是说，上述小型充换电站以无线化、模块化的设置方式，使得各子系统的信号连线只在模块内部完成，无需跨模块单元进行互连，可大大减少整个系统间的接线数，不仅解决了充换电站内接线复杂度高的问题，而且还保证充换电站整个换电过程的功能解耦性、动作流畅性。
进一步地，各子系统只与主控系统进行通信的设置方式还使得主控单元还可以独立测试单个控制模块，更方便掌握换电的具体细节，为换电动作的进一步优化提供可操作性。此外，模块化的设置方式还使得各个子系统可分开生产制造，之后再统一组装成小型充换电站，这样可大大降低生产、运输、安装的复杂度，有效提高生产效率和安装效率。
下面参照图3和图4，来阐述本发明的无线通信的一种具体实施方式。其中，图3本发明的集装箱式充换电站的私有通信协议的注册过程的流程示意图；图4为本发明的集装箱式充换电站的私有通信协议的注册过程逻辑示意图。
在集装箱式的小型充换电站内电磁环境恶劣，对无线通信方式干扰很大。因此，为保证无线通信的有效性、可靠性和安全性，本发明设计一套适用于充换电站内的应用层私有通信协议。
在一种可能的实施方式中，该私有通信协议具体如下：
1)组网方式
采用一对多方式，由主控系统同其他各子系统的控制模块互联，主控系统居中调度，协调整个系统的运转。
2)连接认证
参照图3，各个子系统的控制模块如需同主控系统进行互连通信，则需要向主控系统发起注册申请。主控系统收到注册申请后，随机产生一个登记号并回复给相应控制模块，同时主控系统的内部算法会依据此登记号计算出一对标识主控系统身份和子系统的控制模块身份的标识码SSID，其中主控系统记为H_SSID，控制模块记为S_SSID；控制模块接收到主控系统回复的登记号后，同样会由内部的算法(如与主控系统相同的算法)生成一对对应的识别码H_SSID和S_SSID，之后控制模块将含有识别码S_SSID的注册验证请求信息发送往主控系统；主控系统接收到注册验证请求信息后，解析出S_SSID并与主控系统自身生成的S_SSID对比，若匹配，则接受该控制模块的连接注册申请(即验证成功)，并回复含自身识别码H_SSID的验证确认报文；控制模块接收此报文，并验证H_SSID，若与控制模块自身生成的H_SSID匹配则回复注册完成报文，如此双方可开始正常通信。
简言之，连接认证的步骤为：
S100、子系统的控制模块向主控系统发送注册申请；
S200、基于注册申请，主控系统生成登记号；
S300、基于登记号，主控系统与子系统的控制模块分别生成身份识别码；
S400、基于身份识别码，主控系统与子系统的控制模块彼此校验；
S500、校验成功后，主控系统向子系统的控制模块发送注册完成信息。
优选地，主控系统所能接收的控制模块的注册申请的个数是固定的(即主控系统能够接受的注册申请的个数不大于预设值)。也就是说，当主控系统当前所连接的控制模块数达到组成完整系统所需要的控制模块数时，主控系统不再接受新的连接注册申请，直至某控制模块通信异常断开而需要重连，如在本发明中固定个数可以为4个，即分别对应换电系统的4个子系统。优选地，主控系统上登记号是由内部算法随机产生的，并且算法的设计保证所有产生的登记号短期内不可重复产生，如在2小时内不可重复产生。
还需要说明的是，本发明中所述的算法并非唯一，任何能够计算出本发明的登记号和识别码的算法均可以作为本发明主控系统和各子系统的控制模块中的内部算法。
3)识别码SSID的产生方法
为保证控制模块的SSID的唯一性，避免各识别码之间出现重复的现象，控制模块的SSID可以分布于不同区间，以16位SSID为例，可按如下方式分配：
停车平台控制模块：0x10000000～0x1FFFFFFF
换电小车控制模块：0x20000000～0x2FFFFFFF
电池仓控制模块：0x30000000～0x3FFFFFFF
充电控制模块：0x40000000～0x4FFFFFFF
主控系统：0x50000000～0x5FFFFFFF
其中，各控制模块SSID的唯一性是指该控制模块以某一(S_SSID，H_SSID)发起连接注册申请，则连接建立后的通信过程中此(S_SSID，H_SSID)就是该单元模块的唯一通信凭证；如若出现通信因故中断需要重连，则该单元模块需要重新进行注册申请，会由算法模块根据新的登记码生成新的(S_SSID，H_SSID)，而主控系统中具有同样的SSID生成算法模块，可生成单元模块内相对应的(S_SSID，H_SSID)，以此验证注册申请的合法性。
4)通信过程
(i)通信连接注册过程
参照图4，控制模块向主控系统发起注册申请；主控系统接收到注册申请后，核对此类模块是否已连接，若暂未连接则其内部算法会随机生成一登记码并回送控制模块，同时内部的算法会依据此登记码生成(S_SSID，H_SSID)；控制模块接收到主控系统返回的登记码，由内部算法产生(S_SSID，H_SSID)，并将S_SSID送往主控系统请求连接验证；主控系统接收并验证S_SSID的合法性，若不相符则拒绝注册请求，否则接受连接并回复验证确认，该验证确认上含主控系统算法产生的H_SSID；控制模块接收到验证确认信息后，验证主控返回的H_SSID并通过验证后，该通信模块可同主控系统正常通信。
(ii)通信过程
通信时，由主控系统根据控制需要，依据约定的帧格式形成通信帧，向各子系统的控制模块下发控制、设置、状态信息查询等命令，各子系统的控制模块依据命令进行响应回复；主控系统发出命令后开始接收回复并计时，若超时未能收到回复或收到的回复错误则判断为本次通信超时，主控系统需重新发送命令；而处于非换电或充电进行中的空闲期，主控系统只需定期查询各空闲子系统的状态信息，以维护通信链路的正常连通。
上述设置的优点在于，通过子系统的控制模块与主控系统之间设计私有通信协议的方式，使控制模块与主控系统之间必须通过注册和验证过程才能够进行通信，这样一来，便可以避免未知装置的接入，保证无线通信连接的安全性和可靠性。另外，主控系统所能接收的控制模块的注册申请的个数固定、以及主控系统上登记号是由内部算法随机产生的设置方式又使子系统的控制模块与主控系统之间的登记号和识别码在一定时间内是唯一的，进一步保证了通信连接的有效性、可靠性和安全性。
更进一步地，本发明中各子系统之间虽然没有有线连接，但是各子系统的本身同外部间还存在供电线路的有线互连，而对于小型充换电站来说，需要在有限的空间内进行重复的往返动作，特别是对于换电小车，需要在电池仓口到停车平台上进行较大范围的往复动作，可能造成对供电线路的拉扯而导致漏电等现象发生；同时，在有限的空间内进行小型充换电站的安装，对于供电线路的走线也具有巨大的挑战。为减免这些障碍，还可采用无线式供电方式，以进一步实现小型充换电站的无线化。
上述优选的实施方式，小型充换电站主要包括换电系统和主控系统，主控系统又进一步包括停车平台子系统、换电小车子系统、电池仓子系统以及充电子系统。换电系统和主控系统间通过无线通信的方式进行交互，换电系统和主控系统以模块化设置，并且换电系统和主控系统之间还设置了私有通信协议。通过将主控系统和换电系统以模块化布置，使得各个子系统均可进行独立设计生产，进而提升了小型充换电站的生产效率和安装效率。通过控制模块与主控系统采用无线通信的方式，实现系统模块间通信的无线化，避免了因线路拉扯而可能导致的故障。此外，控制模块与主控系统之间设计私有通信协议的方式，则可以避免未知装置的接入，保证通信连接的安全性和可靠性。
本领域技术人员还能够理解的是，虽然本发明的小型充换电站是以上述优选的实施方式进行描述的，但是这种描述方式仅仅用来阐述本发明的原理，并非旨在于限制本发明的保护范围，在不偏离本发明原理的前提下，本领域技术人员可以对其做出调整，以便适应更加具体的应用场景。如小型充换电站的内部布局并非只限于图1所示出的方式，本领域技术人员可以随意调整；控制模块的处理器也并非只限于ARM处理器，其余与ARM相似的处理器均可；主控系统能够接收的注册申请的个数也可以为5个或多个；主控系统的登记号不可重复产生的时间还可以为1天等。
此外，虽然本发明的优选实施方式是以集装箱式的小型充换电站进行描述的，显然本发明的原理还可以应用于其他任何形式的充换电站，如充换电立体车库、甚至是大型充换电站等。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种充换电站，包括换电系统和主控系统，
其中，所述换电系统用于为待换电车辆更换动力电池；
其中，所述主控系统用于监测所述换电系统并且与所述换电系统进行通信，从而使所述换电系统完成为所述待换电车辆更换动力电池的动作；
其特征在于，所述主控系统通过无线通信的方式完成与所述换电系统的通信。
2.根据权利要求1所述的充换电站，其特征在于，所述换电系统与所述主控系统之间通过在无线通信的应用层设置私有通信协议的方式进行通信。
3.根据权利要求2所述的充换电站，其特征在于，所述私有通信协议为：
所述换电系统向所述主控系统发送注册申请；
基于所述注册申请，所述主控系统生成登记号；
基于所述登记号，所述主控系统与所述换电系统分别生成身份识别码；
基于所述身份识别码，所述主控系统与所述换电系统彼此校验；
校验成功后，所述主控系统向所述换电系统发送注册完成信息。
4.根据权利要求3所述的充换电站，其特征在于，所述登记号随机生成并且在设定时间内无法重复产生。
5.根据权利要求3所述的充换电站，其特征在于，所述主控系统能够接收的所述注册申请的个数不大于预设值。
6.根据权利要求2所述的充换电站，其特征在于，所述充换电站以模块化设置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的充换电站，其特征在于，所述换电系统包括停车平台子系统、换电小车子系统、电池仓子系统以及充电子系统，
其中，所述停车平台子系统用于所述待换电车辆的定位；
其中，所述换电小车子系统用于为所述待换电车辆更换动力电池；
其中，所述电池仓子系统用于存储动力电池；
其中，所述充电子系统用于为亏电的动力电池充电。
8.根据权利要求7所述的充换电站，其特征在于，
所述停车平台子系统包括停车平台控制模块，所述换电小车子系统包括换电小车控制模块，所述电池仓子系统包括电池仓控制模块，所述充电子系统包括充电控制模块，
所述停车平台子系统、所述换电小车子系统、所述电池仓子系统以及所述充电子系统分别通过所述停车平台控制模块、换电小车控制模块、电池仓控制模块以及充电控制模块与所述主控系统进行通信。
9.根据权利要求8所述的充换电站，其特征在于，所述停车平台子系统、所述换电小车子系统、所述电池仓子系统以及所述充电子系统之间彼此不通信。
10.根据权利要求1所述的充换电站，其特征在于，所述无线通信为WiFi通信、蓝牙通信或Zigbee通信。
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