CN109760542B - 充电桩控制方法及其控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电桩控制方法及其控制器，要解决的技术问题是在电动汽车充电中发生故障的初期准确检测到故障。本发明包括以下步骤：建立通信连接，设定，采样，计算温度、荷电状态、电压和电流应属区间，判断动力电池是否处于应属区间内。本发明的充电桩控制器，设有通信管理模块、数据存储模块、逻辑控制模块、双重异常保护模块和采样模。本发明与现有技术相比，采用斜率保护，在电动汽车充电过程中发生故障的初期准确的检测故障，将故障信息上报至监控系统和推送至车主的智能手机APP中，为运维人员和车主处理故障争取时间，就可以有效的抑制故障的扩散，降低事故范围，乃至阻止事故的发生。

Description

充电桩控制方法及其控制器

技术领域

本发明涉及一种电动汽车的控制方法及其控制器，特别是一种电动汽车的充电的控制方法及其控制器。

背景技术

随着电动汽车使用的普及和保有量的增长，电动汽车使用的安全性也成为了人们重点关注的问题，而电动汽车安全性中最为重要的就是保证动力电池的安全。动力电池作为高能量密度的元件，一旦使用不当或发生内部故障，动力电池就可能热失控，如果保护不及时，甚至可能出现燃烧事故，及早的发现和切除故障是降低事故损失的有效途径之一。

目前电动汽车充电桩都具备一定的异常检测和故障保护功能，其中针对动力电池的保护一般采用定值保护，也就是根据电动汽车的电池管理系统BMS对动力电池的额定参数和承受能力制定限值，如一辆电动汽车的BMS中对于动力电池的限值保护有：最高允许充电电压限值、最高允许充电电流限值、最高允许温度限值。

动力电池发生燃烧都存在一个“热积蓄—热失控—热扩散”的过程，如果可以及早的发现故障，切除故障，可以有效的降低事故范围，甚至阻止事故的发生。现有技术的充电桩针对动力电池的定值保护只有在电压、电流和温度特征量超出上下限时，才会停止充电和关断开关，而在电动汽车充电过程中有些故障在未达到定值保护的限值时，已经进入了故障快速扩散阶段，致使阻止事故发生的难度较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种充电桩控制方法及其控制器，要解决的技术问题是能够在电动汽车充电过程中发生故障的初期准确检测到故障。

本发明采用以下技术方案：一种充电桩控制方法，包括以下步骤：

一、建立充电桩控制器与电动汽车的电池管理系统通信连接，充电桩控制器按4Hz频率实时读取动力电池的定值保护参数、系统参数、实际参数、充电需求和BMS判断的告警状态；

二、充电桩控制器根据动力电池的充电需求和定值保护参数，设定充电桩的工作模式、保护定值，充电电流指令值或充电电压指令值；

三、充电桩控制器指令开始充电；

四、充电桩控制器采样、监测实时充电电压、充电电流和充电枪头温度数据和充电桩的故障状态，电池管理系统上传的动力电池的所有数据信息和状态信息；

五、计算动力电池温度的应属区间；

六、判断动力电池的温度是否处于温度应属区间内，如果温度不在温度应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报温度异常的故障信号；如果温度在温度应属区间内，继续充电；

七、计算动力电池荷电状态的应属区间；

八、判断动力电池的荷电状态是否处于荷电状态应属区间内，如果荷电状态不在荷电状态应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报荷电状态异常的故障信号；如果荷电状态在荷电状态应属区间内，继续充电；

九、计算动力电池的充电电压的应属区间；

十、判断动力电池的充电电压是否处于电压应属区间内，如果充电电压不在电压应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报充电电压异常的故障信号；如果充电电压在电压应属区间内，继续充电；

十一、计算动力电池的充电电流的应属区间；

十二、判断动力电池的充电电流是否处于电流应属区间内，如果充电电流不在电流应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报充电电流异常的故障信号；如果充电电流在电流应属区间内，继续充电，再按步骤五计算判断，直至充电结束。

本发明的步骤一中定值保护参数为最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度；所述系统参数为动力电池额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间；所述实际参数为动力电池初始荷电状态、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前、剩余充电时间；所述充电需求为电动汽车充电电流指令值或充电电压指令值；所述电池管理系统判断的告警状态为电压异常定值上下限设定值、电流异常定值上下限设定值。

本发明的步骤二中工作模式为恒流充电模式和恒压充电模式；所述保护定值为单体最高充电电压、最高允许充电电流、最高允许充电总电压、最高允许温度。

本发明的步骤四数据信息为动力电池的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、当前荷电状态、剩余充电时间；所述状态信息为动力电池的异常告警状态。

本发明的步骤五计算动力电池温度的应属区间，包括以下步骤：

(1)实时读取充电桩的充电电流，结合电池管理系统采集的动力电池的实时温度，计算实时动力电池在充电过程中可接受的温度异常斜率上限设定k_{t_max}和下限设定k_{t_min}，

k_{t_min_n}＝-0.5(℃/min) (2)

式(1)和式(2)中，k_{t_max_n}是第n个时刻温度异常斜率上限，k_{t_min_n}是第n个时刻温度异常斜率下限，I_{c_n}是第n个时刻的充电电流，I_N是动力电池的额定充电电流，0.5是调整系数；

以温度异常斜率上限设定k_{t_max}和下限设定k_{t_min}作为温度变化的斜率保护区间[T_{k_min}，T_{k_max}]，根据线性叠加原理y＝kx+b有：

T_{k_max_n}＝T_n-1+k_{t_max_n}×(t_n-t_n-1)(℃) (3)

T_{k_min_n}＝T_n-1+k_{t_min_n}×(t_n-t_n-1)(℃) (4)

式(3)和式(4)中，T_{k_max_n}是第n个时刻异常斜率保护的温度上限，T_{k_min_n}是第n个时刻异常斜率保护的温度下限，T_n-1是第n-1个时刻动力电池的温度，t_n是指第n个时刻，t_n-1是指第n-1个时刻；

(2)将动力电池的电池管理系统通信上传的可接受最高电池温度T_{c_max}和最低电池温度T_{c_min}作为温度异常定值上、下限，设定为动力电池的定值保护温度区间[T_{c_min}，T_{c_max}]；

(3)将温度变化的斜率保护区间[T_{k_min}，T_{k_max}]与定值保护温度区间[T_{c_min}，T_{c_max}]进行比较计算，将[T_{k_min}，T_{k_max}]与[T_{c_min}，T_{c_max}]两者重合的区间作为充电过程中动力电池的温度应属区间[T_min，T_max]。

本发明的步骤七计算动力电池荷电状态的应属区间，包括以下步骤：

(1)计算动力电池充电的安时容量增量：

式(5)中，

是指从t₀到t_n动力电池的充电安时容量增量，t₀是指充电起始时刻，I_c(t)是指t时刻的充电电流；

t_n时刻动力电池的荷电状态值：

式(6)中，

是指t_n时刻动力电池的荷电状态数值，

是指t₀时刻动力电池的荷电状态数值，

是指从t₀到t_n动力电池的荷电状态增量，E_N是指动力电池的额定安时容量；

动力电池荷电状态的变化斜率为：

式(7)中，I_c(t_n)指t_n时刻的充电电流；

计算得到t_n时刻荷电状态异常斜率的上限

和下限

为：

式(8)和式(9)中，e_c为充电桩的电流采样误差,e_b为动力电池的电流采样点误差,e_s为充电桩的电流采样点与动力电池的电流采样点位置不同导致的误差，

根据t_n时刻荷电状态异常斜率的上限

和下限

计算t_n时刻异常斜率保护的SOC上限

和下限

式(10)和式(11)中，

是t_n时刻异常斜率保护的荷电状态上限，

是t_n时刻异常斜率保护的SOC下限，k_{s_max}(t)是t时刻动力电池荷电状态异常斜率上限，k_{s_min}(t)是t时刻动力电池荷电状态异常斜率下限；

以动力电池荷电状态异常斜率上限k_{s_max}和下限k_{s_min}作为温度变化的斜率保护区间[S_{k_min}，S_{k_max}]；

(2)将动力电池的荷电状态异常定值上下限，设为定值保护的荷电状态(SOC)区间[S_{c_min}，S_{c_max}]；

(3)将斜率保护的荷电状态区间和定值保护的荷电状态区间进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的荷电状态应属区间[S_min，S_max]。

本发明的步骤九计算动力电池的充电电压的应属区间，包括以下步骤：

(1)将动力电池的最高允许总电压和最低允许电压，作为电压异常定值保护的电压区间[V_{c_min}，V_{c_max}]；

(2)判断动力电池处于恒流充电模式，计算出动力电池在恒流充电模式下电压可接受的变化斜率上限k_{v_max}和斜率下限k_{v_min}；

动力电池电压的变化斜率k_{v_n}为：

式(12)中，V(i+1)表示第i+1个时刻动力电池的电压，V(i)表示第i个时刻动力电池的电压，m为电压的采样频率；

设置电压变化斜率下限为k_{v_min}＝0，电压变化斜率上限k_{v_max_n}为：

式(13)中，Δt是指动力电池电压采样的时间间隔，ΔSOC是指动力电池在Δt时间内SOC的变化量，I_c(n)是指第n个时刻的充电电流，E_N是指动力电池的额定安时容量；

动力电池在第n个时刻斜率保护的电压上限V_{k_max_n}和下限V_{k_mi_n}分别为：

V_{k_max_n}＝V_n-1+k_{v_max_n}×Δt(V)； (14)

V_{k_min_n}＝V_n-1+k_{v_min}×Δt＝V_n-1(V) (15)

式(14)和式(15)中，Vn-1为第n-1个时刻的电压采样值，

将电压上限V_{k_max_n}和下限V_{k_mi_n}作为斜率保护的电压区间[V_{k_min}，V_{k_max}]；

(3)将电压异常定值保护的电压区间和斜率保护的电压区间，进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的电压应属区间[V_min，V_max]。

本发明的步骤十一计算动力电池的充电电流的应属区间，包括以下步骤：

(1)将动力电池的最高允许充电电流和最低充电电流作为定值保护的电流区间[I_{c_min}，I_{c_max}]；

(2)判断动力电池处于恒压充电模式，动力电池电流的变化斜率k_{i_n}为：

式(16)中，I(i+1)表示第i+1个时刻动力电池的电流，I(i)表示第i个时刻动力电池的电流；

设置电流变化斜率上限k_{i_max}＝0；斜率保护的电流上限I_{k_max_n}和斜率保护的电流下限I_{k_min_n}为：

I_{k_max_n}＝I_n-1+k_{i_max_n}×Δt＝I_n-1 (17)

I_{k_min_n}＝0

将斜率保护的电流上限I_{k_max_n}和斜率保护的电流下限I_{k_min_n}作为斜率保护的电流区间[I_{k_min}，I_{k_max}]；

(3)将定值保护的电流区间和斜率保护的电流区间，进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的电流应属区间[I_min，I_max]。

一种充电桩控制器，设有通信管理模块、数据存储模块、逻辑控制模块、双重异常保护模块和采样模块；

所述通信管理模块用于对动力电池的数据和充电桩的状态参数进行统一化管理；所述数据为电池管理系统上传到充电桩控制器的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始荷电状态、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前荷电状态、剩余充电时间；所述状态参数为充电电压、充电电流、开关状态、故障状态；

所述数据存储模块用于对充电信息数据进行存储，便于充电异常状况的数据追溯和分析；所述充电信息数据为动力电池的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始S荷电状态、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前荷电状态、剩余充电时间和充电桩的充电电压、充电电流、充电枪头温度、故障状态；

所述逻辑控制模块根据动力电池的电池管理系统发出的充电电流指令值和充电电压指令值指令，实时控制充电模块的出力；

所述双重异常保护模块实现充电过程中特征量异常趋势的检测和故障判断；

所述采样模块实时监测充电桩充电电压、充电电流和充电枪头温度数据信息。

本发明的充电桩控制器设有加密认证模块、计量计费模块、电源模块和故障信息主动推送模块；

所述加密认证模块用于对与充电桩通信交互的充电桩运维管理系统单元进行身份认证，并对通信交互的数据进行加密；

所述计量计费模块用于统计充电过程中的电量信息；

所述电源模块为充电桩控制器提供稳定可靠的电源供应；

所述故障信息主动推送模块将故障信息主动推送至车主的手机。

本发明与现有技术相比，通过计算动力电池在充电过程中动力电池的温度、SOC、电压和电流变化斜率是否处于正常区间内，采用斜率保护，在电动汽车充电过程中发生故障的初期准确的检测故障，将故障信息上报至监控系统和推送至车主的智能手机APP中，为运维人员和车主处理故障争取时间，就可以有效的抑制故障的扩散，降低事故范围，乃至阻止事故的发生。

附图说明

图1是充电桩与电动汽车连接充电示意图。

图2是本发明的控制方法流程图。

图3是本发明的充电过程中动力电池温度应属区间计算方法示意图。

图4是本发明的充电过程中动力电池SOC应属区间计算方法示意图。

图5是本发明的充电过程中动力电池电压应属区间计算方法示意图。

图6是动力电池充电过程中电压与SOC关系示意图。

图7是本发明的充电过程中动力电池电流应属区间计算方法示意图。

图8是本发明的充电桩控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，电动汽车充电时，充电桩与电动汽车经充电的车辆接口连接，电动汽车的BMS将动力电池的荷电状态SOC数据上传至充电桩控制器。充电桩控制器完成电压、电流和时间的参数设置后控制闭合充电桩上的三相进线电源开关K0、充电开关K1、K2，BMS控制闭合电动汽车上的充电开关K5、K6，充电桩控制器指示充电模块工作，对电动汽车进行充电。在充电过程中，充电桩控制器实时监测充电桩和动力电池的电压、电流和温度特征量数据，一旦发现故障的初期状态值，立即控制充电模块停止工作，关断相关开关K0、K1、K2、K5、K6。

如图2所示，本发明的充电桩控制方法，包括以下步骤：

一、建立充电桩控制器与电动汽车的BMS通信连接，充电桩控制器按4Hz频率实时读取动力电池的定值保护参数、系统参数、实际参数、充电需求和BMS判断的相关告警状态。

定值保护参数为最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度。

系统参数为动力电池额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间。

实际参数为动力电池初始SOC、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前SOC、剩余充电时间。

充电需求为电动汽车充电电流指令值或充电电压指令值。

BMS判断的相关告警状态为电压异常定值上下限设定值、电流异常定值上下限设定值。

二、充电桩控制器根据动力电池的充电需求和定值保护参数，设定充电桩的工作模式、保护定值，充电电流指令值或充电电压指令值。

工作模式为恒流充电模式和恒压充电模式，工作模式由动力电池的电动汽车电池管理系统通过与充电桩控制器通信后设定。

保护定值为单体最高充电电压、最高允许充电电流、最高允许充电总电压、最高允许温度，具体数值由动力电池的电池管理系统通过与充电桩控制器通信后设定。

充电电流指令值由动力电池的电池管理系统通过与充电桩控制器通信后按电池管理系统上传的需求充电电流值直接设定。

充电电压指令值由动力电池的电池管理系统通过与充电桩控制器通信后按电池管理系统上传的需求充电电压值直接设定。

三、充电桩控制器控制闭合三相进线电源开关K0、充电开关K1、K2，BMS控制闭合电动汽车上的充电开关K5、K6，控制充电模块按设定的工作模式，指令开始充电。

四、充电桩控制器采样、监测实时充电电压、充电电流和充电枪头温度数据和充电桩的故障状态，BMS上传的动力电池的所有数据信息和状态信息。

数据信息为动力电池的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始SOC、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、当前SOC、剩余充电时间。

状态信息为动力电池的异常告警状态。

五、计算动力电池温度的应属区间，如图3所示，包括以下步骤：

(1)实时读取充电桩的充电电流，结合电动汽车BMS采集的动力电池的实时温度，计算实时动力电池在充电过程中可接受的温度异常斜率上限设定k_{t_max}和下限设定k_{t_min}，温度异常斜率上限和下限是变化的，每个时刻的斜率都与此刻的充电电流大小有关。

k_{t_min_n}＝-0.5(℃/min) (2)

式(1)和式(2)中，k_{t_max_n}是第n个时刻温度异常斜率上限，k_{t_min_n}是第n个时刻温度异常斜率下限，I_{c_n}是第n个时刻的充电电流，I_N是动力电池的额定充电电流，0.5是调整系数，为申请人根据大量充电数据统计分析得到。

以温度异常斜率上限设定k_{t_max}和下限设定k_{t_min}作为温度变化的斜率保护区间[T_{k_min}，T_{k_max}]。根据线性叠加原理y＝kx+b有：

T_{k_max_n}＝T_n-1+k_{t_max_n}×(t_n-t_n-1)(℃) (3)

T_{k_min_n}＝T_n-1+k_{t_min_n}×(t_n-t_n-1)(℃) (4)

式(3)和式(4)中，T_{k_max_n}是第n个时刻异常斜率保护的温度上限，T_{k_min_n}是第n个时刻异常斜率保护的温度下限，T_n-1是第n-1个时刻动力电池的温度，t_n是指第n个时刻，t_n-1是指第n-1个时刻。

(2)按现有技术充电过程中温度定值保护方式，将动力电池的电池管理系统通信上传的可接受最高电池温度T_{c_max}和最低电池温度T_{c_min}作为温度异常定值上、下限，设定为动力电池的定值保护温度区间[T_{c_min}，T_{c_max}]。

(3)将温度变化的斜率保护区间[T_{k_min}，T_{k_max}]与定值保护温度区间[T_{c_min}，T_{c_max}]进行比较计算，将[T_{k_min}，T_{k_max}]与[T_{c_min}，T_{c_max}]两者重合的区间作为充电过程中动力电池的温度应属区间[T_min，T_max]。

六、判断动力电池的温度是否处于温度应属区间内，如果温度不在温度应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报温度异常的故障信号；如果温度在温度应属区间内，继续充电。

七、计算动力电池SOC的应属区间，如图4所示，包括以下步骤：

(1)根据安时累积方法计算动力电池充电的安时容量增量，即在动力电池在充电过程中，实时充电电流与充电时间的充电安时容量增量(积分)：

式(5)中，

是指从t₀到t_n动力电池的充电安时容量增量，t₀是指充电起始时刻，I_c(t)是指t时刻的充电电流。

t_n时刻动力电池的SOC值：

式(6)中，

是指t_n时刻动力电池的SOC数值，

是指t₀时刻动力电池的SOC数值，

是指从t₀到t_n动力电池的SOC增量，E_N是指动力电池的额定安时容量，由动力电池的电池管理系统给定。

动力电池SOC的变化斜率为：

式(7)中，I_c(t_n)指t_n时刻的充电电流。

由于充电桩的充电电流采样与动力电池的BMS的电流采样的节点位置和精度不同，SOC会存在一定的偏差。充电桩电流采样精度为e_c，动力电池的BMS的电流采样精度为e_b，采样位置导致的偏差为e_s，将此偏差加入后，可以计算得到t_n时刻SOC异常斜率的上限

和下限

为：

式(8)和式(9)中，e_c为充电桩的电流采样误差，可以由充电桩电流采样元件的采样精度获得，e_b为动力电池的电流采样误差，可以由动力电池电流采样元件的采样精度获得，e_s为充电桩的电流采样点与动力电池的电流采样点位置不同导致的误差，按1％计算。

根据t_n时刻SOC异常斜率的上限

和下限

计算t_n时刻异常斜率保护的SOC上限

和下限

式(10)和式(11)中，

是t_n时刻异常斜率保护的SOC上限，

是t_n时刻异常斜率保护的SOC下限，k_{s_max}(t)是t时刻动力电池SOC异常斜率上限，k_{s_min}(t)是t时刻动力电池SOC异常斜率下限。

以动力电池SOC异常斜率上限k_{s_max}和下限k_{s_min}作为温度变化的斜率保护区间[S_{k_min}，S_{k_max}]。

(2)动力电池SOC的定值保护为在动力电池充满电后，立即停止充电的防过冲保护。考虑到充电桩对动力电池只做充电操作，在充电中动力电池的SOC应呈上升趋势，故将动力电池的SOC异常定值上下限，设为定值保护的SOC区间[S_{c_min}，S_{c_max}]，设定为[0，100％]。

(3)将斜率保护的SOC区间和定值保护的SOC区间进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的SOC应属区间[S_min，S_max]。

八、判断动力电池的SOC是否处于SOC应属区间内，如果SOC不在SOC应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报SOC异常的故障信号；如果SOC在SOC应属区间内，继续充电。

九、计算动力电池的充电电压的应属区间，如图5所示，包括以下步骤：

(1)按现有技术充电过程中电压定值保护方式，将电动汽车BMS上传的动力电池的最高允许总电压和最低允许电压，作为电压异常定值保护的电压区间[V_{c_min}，V_{c_max}]。

(2)判断动力电池是否处于恒流充电模式，根据动力电池额定容量，并结合实时充电电流和动力电池的实时SOC状态，计算出动力电池在恒流充电模式下电压可接受的变化斜率上限k_{v_max}和斜率下限k_{v_min}。

当动力电池处于恒压充电时，动力电池电压由充电桩的输出电压决定，动力电池电压的变化几乎可以忽略不计，如果出现动力电池电压变化较大的情况，大幅度的电压变化会引起充电电流的瞬间冲击，直接触发充电桩中充电模块出现瞬时过流保护。而动力电池电压的斜率保护由于响应速度较慢，无法在充电模块的瞬时过流保护前动作，故不适用本发明的恒压模式下的动力电池斜率保护。

当动力电池处于恒流充电时，动力电池的电压一直处于上升趋势，由于充电桩的控制误差和采样误差的存在，过高的采样频率会使得在充电过程中动力电池电压变化的斜率出现正负交替的情况，而过低的采样频率将影响故障的及时检测，可以通过滑动平均法来计算动力电池电压变化斜率，以降低误差的影响，滑动平均法的时间窗设置为2秒。

滑动平均法为：假设动力电池电压的采样频率为m赫兹，即2秒滑动平均的时间窗内有2×m个采样变化值，m为4Hz，则第n个时刻，动力电池电压的变化斜率k_{v_n}为：

式(12)中，V(i+1)表示第i+1个时刻动力电池的电压，V(i)表示第i个时刻动力电池的电压。

基于充电过程中动力电池的电压不会降低，所以设置电压变化斜率下限为k_{v_mi}＝0。在动力电池充电过程中，动力电池电压和动力电池的SOC存在近似分段线性关系，如图6所示，动力电池在充电过程中，SOC与电压呈现近似分段线性的关系，可以分为“上升-平稳-上升”三个阶段，三个阶段以拐点一和拐点二为分界点。在上升区间内，动力电池电压会随着SOC的增加快速上升，而在平稳区间内，动力电池电压随着SOC增加的上升斜率很低。申请人通过大量的数据统计和分析，设置第n个时刻电压变化斜率上限k_{v_max_n}为：

式(13)中，Δt是指动力电池电压采样的时间间隔，ΔSOC是指动力电池在Δt时间内SOC的变化量，I_c(n)是指第n个时刻的充电电流，E_N是指动力电池的额定安时容量，由动力电池的电池管理系统给定。

根据线性叠加原理y＝kx+b，得到动力电池在第n时刻斜率保护的电压上限V_{k_max_n}和下限V_{k_min_n}分别为：

V_{k_max_n}＝V_n-1+k_{v_max_n}×Δt(V)； (14)

V_{k_min_n}＝V_n-1+k_{v_min}×Δt＝V_n-1(V) (15)

式(14)和式(15)中，Vn-1为第n-1个时刻的电压采样值，由采样回路给出。

V_{k_min}是随着时间变化而变化的，即第n个时刻的V_{k_min}就是V_{k_min_n}；V_{k_max}是也随着时间变化而变化的，即第n个时刻的V_{k_max}就是V_{k_max_n}。[V_{k_min}，V_{k_max}]为在充电过程中所有时刻[V_{k_min_n},V_{k_max_n}]的集合。将电压上限V_{k_max_n}和下限V_{k_min_n}的集合作为斜率保护的电压区间[V_{k_min}，V_{k_max}]。

(3)将电压异常定值保护的电压区间和斜率保护的电压区间，进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的电压应属区间[V_min，V_max]。

十、判断动力电池的充电电压是否处于电压应属区间内，如果充电电压不在电压应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报充电电压异常的故障信号；如果充电电压在电压应属区间内，继续充电。

十一、计算动力电池的充电电流的应属区间，如图7所示，包括以下步骤：

(1)按现有技术充电过程中电流定值保护方式，将电动汽车BMS上传的动力电池的最高允许充电电流和最低充电电流作为定值保护的电流区间[I_{c_min}，I_{c_max}]。

(2)判断动力电池是否处于恒压充电模式，当动力电池处于恒流充电时，动力电池电流由充电桩的输出电压决定，动力电池电流的变化几乎可以忽略不计，如果出现动力电池电流变化较大的情况，大幅度的电流变化会引起充电电压的瞬间冲击，直接触发充电桩中充电模块瞬时过压保护，而动力电池电流的斜率保护由于响应速度较慢，无法在充电模块的瞬时过压保护前动作，故不适用本发明的恒流模式下的动力电池电流的斜率保护。

当动力电池处于恒压充电时，动力电池的电流应一直处于下降趋势，但由于充电桩的控制误差和采样误差的存在，过高的采样频率会使得在充电过程中动力电池电流变化的斜率出现正负交替的情况，而过低的采样频率将影响故障的及时检测，可以通过滑动平均法来计算动力电池电压变化斜率，以降低误差的影响，滑动平均法的时间窗设置为2秒。

滑动平均法为：假设动力电池电流的采样频率为m赫兹，即2秒滑动平均的时间窗内有2×m个采样变化值，则第n个时刻，动力电池电流的变化斜率k_{i_n}为：

式(16)中，I(i+1)表示第i+1个时刻动力电池的电流，I(i)表示第i个时刻动力电池的电流。

基于恒压充电过程中动力电池的电流不会升高，所以设置电流变化斜率上限k_{i_max}＝0。由于动力电池在恒压充电模式中电流难以求得，而且在恒压充电模式中电流下降的速度快，会快速降低充电桩的充电功率，更加接近充电桩保护停机输出功率为零的状态。故不再严格设定充电电流变化斜率下限k_{i_min}的计算公式。根据线性叠加原理y＝kx+b，得到动力电池在第n个时刻斜率保护的电流上限I_{k_max_n}和斜率保护的电流下限I_{k_min_n}为：

I_{k_max_n}＝I_n-1+k_{i_max_n}×Δt＝I_n-1(A) (17)

I_{k_min_n}＝0(A)停止充电。

I_{k_min}是随着时间变化而变化的，即第n个时刻的I_{k_min}就是I_{k_min_n}；I_{k_max}是也随着时间变化而变化的，即第n个时刻的I_{k_max}就是I_{k_max_n}。[I_{k_min}，I_{k_max}]为在充电过程中所有时刻[I_{k_min_n},I_{k_max_n}]的集合。将斜率保护的电流上限I_{k_max_n}和斜率保护的电流下限I_{k_min_n}的集合作为斜率保护的电流区间[I_{k_min}，I_{k_max}]。

(3)将定值保护的电流区间和斜率保护的电流区间，进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的电流应属区间[I_min，I_max]。

十二、判断动力电池的充电电流是否处于电流应属区间内，如果充电电流不在电流应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报充电电流异常的故障信号；如果充电电流在电流应属区间内，继续充电，再按步骤五计算判断，直至充电结束。

若温度、SOC、电压、电流在应属区间的两个边界上继续工作，不上报故障。

本发明的方法，电动汽车充电过程中，针对动力电池的温度、SOC、电压、电流变化，进行斜率保护，斜率保护是通过计算动力电池在充电过程中动力电池的温度、SOC、电压和电流变化斜率是否处于正常区间内，来判断充电过程中是否有故障发生，如果变化斜率超出正常区间，充电桩立即停止充电。由于动力电池的故障存在一个异常变化累积的过程，而斜率可以直接反应这种异常变化的趋势，所以相对于定值保护，斜率保护对于异常变化的敏感性更高，更容易在故障初期检测出异常。

如图7所示，本发明的充电桩控制器，设有加密认证模块、通信管理模块、数据存储模块、计量计费模块、逻辑控制模块、双重异常保护模块、电源模块、采样模块和故障信息主动推送模块。

加密认证模块用于对与充电桩通信交互的充电桩运维管理系统单元进行身份认证，并对通信交互的数据进行加密，防止充电电量、充电电费、充电时间、充电电压、充电电流和故障状态数据信息被篡改，保障通信的安全可靠。

通信管理模块用于对动力电池的数据和充电桩的状态参数进行统一化管理。

数据为电池管理系统上传到充电桩控制器的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始SOC、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前SOC、剩余充电时间。

状态参数为充电电压、充电电流、开关状态、故障状态。

统一化管理是将数据和状态进行汇总和分类，发送至计量计费模块、逻辑控制模块、多重异常保护模块、数据存储模块、故障信息主动推送模块和充电桩运行管理平台。

通信管理模块负责本发明的方法中步骤一的工作。

数据存储模块用于对充电信息数据进行存储，便于充电异常状况的数据追溯和分析。

充电信息数据为动力电池的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始SOC、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前SOC、剩余充电时间和充电桩的充电电压、充电电流、充电枪头温度、故障状态。

计量计费模块用于统计充电过程中的电量信息，便于电费结算。

逻辑控制模块根据动力电池的电池管理系统发出的充电电流指令值和充电电压指令值指令，实时控制充电模块的出力，满足充电需求。

逻辑控制模块负责本发明的方法中步骤三的工作。

双重异常保护模块具备定值保护、斜率保护两种异常保护功能，实现充电过程中特征量异常趋势的检测和故障判断。

双重异常保护模块负责本发明方法的步骤二、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七、步骤八、步骤九、步骤十、步骤十一、步骤十二的工作。

电源模块为充电桩控制器提供稳定可靠的电源供应，保证各功能模块正常工作。

采样模块，实时监测充电桩充电电压、充电电流和充电枪头温度数据信息，为逻辑控制和异常保护提供数据支撑。

故障信息主动推送模块可以将故障信息主动推送至车主的手机APP，便于车主协助运维人员及时处理故障。

本发明在充电桩与电动汽车连接后，读取电动汽车BMS上传的动力电池相关额定参数、保护参数和实际状态，结合充电桩自身的充电电压、充电电流参数的采样，实时计算动力电池温度、SOC、电压和电流特征量的定值保护区间和斜率保护区间，经过重合计算得到动力电池特征量的多重异常保护区间。当动力电池的特征量的实时数据超出双重异常保护区间时，能够及时发现电动汽车充电过程中的异常状况，立即停止充电、关断充电开关，给出故障告警信息，提醒运维人员及时处理故障，为消除故障争取时间，有利于降低故障范围和阻止事故发生。

Claims (9)

1.一种充电桩控制方法，包括以下步骤：

一、建立充电桩控制器与电动汽车的电池管理系统(BMS)通信连接，充电桩控制器按4Hz频率实时读取动力电池的定值保护参数、系统参数、实际参数、充电需求和电池管理系统(BMS)判断的告警状态；

二、充电桩控制器根据动力电池的充电需求和定值保护参数，设定充电桩的工作模式、保护定值，充电电流指令值或充电电压指令值；

三、充电桩控制器指令开始充电；

四、充电桩控制器采样、监测实时充电电压、充电电流和充电枪头温度数据和充电桩的故障状态，电池管理系统(BMS)上传的动力电池的所有数据信息和状态信息；

五、计算动力电池温度的应属区间，包括以下步骤：

(1)实时读取充电桩的充电电流，结合电池管理系统(BMS)采集的动力电池的实时温度，计算实时动力电池在充电过程中可接受的温度异常斜率上限设定k_{t_max}和下限设定k_{t_min}，

k_{t_min_n}＝-0.5(℃/min) (2)

式(1)和式(2)中，k_{t_max_n}是第n个时刻温度异常斜率上限，k_{t_min_n}是第n个时刻温度异常斜率下限，I_{c_n}是第n个时刻的充电电流，I_N是动力电池的额定充电电流，0.5是调整系数；

以温度异常斜率上限设定k_{t_max}和下限设定k_{t_min}作为温度变化的斜率保护区间[T_{k_min}，T_{k_max}]，根据线性叠加原理y＝kx+b有：

T_{k_max_n}＝T_n-1+k_{t_max_n}×(t_n-t_n-1)(℃) (3)

T_{k_min_n}＝T_n-1+k_{t_min_n}×(t_n-t_n-1)(℃) (4)

式(3)和式(4)中，T_{k_max_n}是第n个时刻异常斜率保护的温度上限，T_{k_min_n}是第n个时刻异常斜率保护的温度下限，T_n-1是第n-1个时刻动力电池的温度，t_n是指第n个时刻，t_n-1是指第n-1个时刻；

(2)将动力电池的电池管理系统通信上传的可接受最高电池温度T_{c_max}和最低电池温度T_{c_min}作为温度异常定值上、下限，设定为动力电池的定值保护温度区间[T_{c_min}，T_{c_max}]；

(3)将温度变化的斜率保护区间[T_{k_min}，T_{k_max}]与定值保护温度区间[T_{c_min}，T_{c_max}]进行比较计算，将[T_{k_min}，T_{k_max}]与[T_{c_min}，T_{c_max}]两者重合的区间作为充电过程中动力电池的温度应属区间[T_min，T_max]；

六、判断动力电池的温度是否处于温度应属区间内，如果温度不在温度应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报温度异常的故障信号；如果温度在温度应属区间内，继续充电；

七、计算动力电池荷电状态(SOC)的应属区间；

八、判断动力电池的荷电状态(SOC)是否处于荷电状态(SOC)应属区间内，如果荷电状态(SOC)不在荷电状态(SOC)应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报荷电状态异常的故障信号；如果荷电状态(SOC)在荷电状态(SOC)应属区间内，继续充电；

九、计算动力电池的充电电压的应属区间；

十、判断动力电池的充电电压是否处于电压应属区间内，如果充电电压不在电压应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报充电电压异常的故障信号；如果充电电压在电压应属区间内，继续充电；

十一、计算动力电池的充电电流的应属区间；

十二、判断动力电池的充电电流是否处于电流应属区间内，如果充电电流不在电流应属区间内，立即停止充电，向充电桩运维管理系统上报充电电流异常的故障信号；如果充电电流在电流应属区间内，继续充电，再按步骤五计算判断，直至充电结束。

2.根据权利要求1所述的充电桩控制方法，其特征在于，所述步骤一中定值保护参数为最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度；所述系统参数为动力电池额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间；所述实际参数为动力电池初始荷电状态(SOC)、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前荷电状态(SOC)、剩余充电时间；所述充电需求为电动汽车充电电流指令值或充电电压指令值；所述电池管理系统(BMS)判断的告警状态为电压异常定值上下限设定值、电流异常定值上下限设定值。

3.根据权利要求1所述的充电桩控制方法，其特征在于，所述步骤二中工作模式为恒流充电模式和恒压充电模式；所述保护定值为单体最高充电电压、最高允许充电电流、最高允许充电总电压、最高允许温度。

4.根据权利要求1所述的充电桩控制方法，其特征在于，所述步骤四数据信息为动力电池的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始荷电状态(SOC)、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、当前荷电状态(SOC)、剩余充电时间；所述状态信息为动力电池的异常告警状态。

5.根据权利要求1所述的充电桩控制方法，其特征在于，所述步骤七计算动力电池荷电状态(SOC)的应属区间，包括以下步骤：

(1)计算动力电池充电的安时容量增量：

式(5)中，

是指从t₀到t_n动力电池的充电安时容量增量，t₀是指充电起始时刻，I_c(t)是指t时刻的充电电流；

t_n时刻动力电池的荷电状态(SOC)值：

式(6)中，

是指t_n时刻动力电池的SOC数值，

是指t₀时刻动力电池的荷电状态(SOC)数值，

是指从t₀到t_n动力电池的荷电状态(SOC)增量，E_N是指动力电池的额定安时容量；

动力电池荷电状态(SOC)的变化斜率为：

式(7)中，I_c(t_n)指t_n时刻的充电电流；

计算得到t_n时刻荷电状态(SOC)异常斜率的上限

和下限

为：

式(8)和式(9)中，e_c为充电桩的电流采样误差,e_b为动力电池的电流采样点误差,e_s为充电桩的电流采样点与动力电池的电流采样点位置不同导致的误差，

根据t_n时刻荷电状态(SOC)异常斜率的上限

和下限

计算t_n时刻异常斜率保护的SOC上限

和下限

式(10)和式(11)中，

是t_n时刻异常斜率保护的荷电状态(SOC)上限，

是t_n时刻异常斜率保护的荷电状态(SOC)下限，k_{s_max}(t)是t时刻动力电池荷电状态(SOC)异常斜率上限，k_{s_min}(t)是t时刻动力电池荷电状态(SOC)异常斜率下限；

以动力电池荷电状态(SOC)异常斜率上限k_{s_max}和下限k_{s_min}作为温度变化的斜率保护区间[S_{k_min}，S_{k_max}]；

(2)将动力电池的荷电状态(SOC)异常定值上下限，设为定值保护的荷电状态(SOC)区间[S_{c_min}，S_{c_max}]；

(3)将斜率保护的荷电状态(SOC)区间和定值保护的荷电状态(SOC)区间进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的荷电状态(SOC)应属区间[S_min，S_max]。

6.根据权利要求1所述的充电桩控制方法，其特征在于，所述步骤九计算动力电池的充电电压的应属区间，包括以下步骤：

(1)将动力电池的最高允许总电压和最低允许电压，作为电压异常定值保护的电压区间[V_{c_min}，V_{c_max}]；

(2)判断动力电池处于恒流充电模式，计算出动力电池在恒流充电模式下电压可接受的变化斜率上限k_{v_max}和斜率下限k_{v_min}；

动力电池电压的变化斜率k_{v_n}为：

式(12)中，V(i+1)表示第i+1个时刻动力电池的电压，V(i)表示第i个时刻动力电池的电压，m为电压的采样频率；

设置电压变化斜率下限为k_{v_min}＝0，电压变化斜率上限k_{v_max_n}为：

式(13)中，Δt是指动力电池电压采样的时间间隔，ΔSOC是指动力电池在Δt时间内SOC的变化量，I_c(n)是指第n个时刻的充电电流，E_N是指动力电池的额定安时容量；

动力电池在第n个时刻斜率保护的电压上限V_{k_max_n}和下限V_{k_min_n}分别为：

V_{k_max_n}＝V_n-1+k_{v_max_n}×Δt(V)； (14)

V_{k_miv_n}＝V_n-1+k_{v_min}×Δt＝V_n-1(V) (15)

式(14)和式(15)中，Vn-1为第n-1个时刻的电压采样值，

将电压上限V_{k_max_n}和下限V_{k_min_n}作为斜率保护的电压区间[V_{k_min}，V_{k_max}]；

(3)将电压异常定值保护的电压区间和斜率保护的电压区间，进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的电压应属区间[V_min，V_max]。

7.根据权利要求1所述的充电桩控制方法，其特征在于，所述步骤十一计算动力电池的充电电流的应属区间，包括以下步骤：

(1)将动力电池的最高允许充电电流和最低充电电流作为定值保护的电流区间[I_{c_min}，I_{c_max}]；

(2)判断动力电池处于恒压充电模式，动力电池电流的变化斜率k_{i_n}为：

式(16)中，I(i+1)表示第i+1个时刻动力电池的电流，I(i)表示第i个时刻动力电池的电流；

设置电流变化斜率上限k_{i_max}＝0；斜率保护的电流上限I_{k_max_n}和斜率保护的电流下限I_{k_min_n}为：

I_{k_max_n}＝I_n-1+k_{i_max_n}×Δt＝I_n-1 (17)

I_{k_min_n}＝0

将斜率保护的电流上限I_{k_max_n}和斜率保护的电流下限I_{k_min_n}作为斜率保护的电流区间[I_{k_min}，I_{k_max}]；

(3)将定值保护的电流区间和斜率保护的电流区间，进行比较计算，把重合的区间作为充电过程中动力电池的电流应属区间[I_min，I_max]。

8.一种采用权利要求1所述充电桩控制方法的充电桩控制器，其特征在于：设有通信管理模块、数据存储模块、逻辑控制模块、双重异常保护模块和采样模块；

所述通信管理模块用于对动力电池的数据和充电桩的状态参数进行统一化管理；所述动力电池的数据为电池管理系统上传到充电桩控制器的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始荷电状态(SOC)、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前荷电状态(SOC)、剩余充电时间；所述状态参数为充电电压、充电电流、开关状态、故障状态；

所述数据存储模块用于对充电信息数据进行存储，便于充电异常状况的数据追溯和分析；所述充电信息数据为动力电池的最高允许总电压、最高允许单体电压、最高允许充电电流、最高允许温度、额定容量、额定总电压、总标称能量、温度定值保护区间、初始S荷电状态(SOC)、实时电压、实时电流、实时温度、充电电流指令值、充电电压指令值、充电时间、最高温度、最低温度、最高单体电压、最高电压编号、最高温度编号、最低温度编号、异常告警状态、当前荷电状态(SOC)、剩余充电时间和充电桩的充电电压、充电电流、充电枪头温度、故障状态；

所述逻辑控制模块根据动力电池的电池管理系统发出的充电电流指令值和充电电压指令值指令，实时控制充电模块的出力；

所述双重异常保护模块实现充电过程中特征量异常趋势的检测和故障判断；

所述采样模块实时监测充电桩充电电压、充电电流和充电枪头温度数据信息。

9.根据权利要求8所述的充电桩控制器，其特征在于：所述充电桩控制器设有加密认证模块、计量计费模块、电源模块和故障信息主动推送模块；

所述加密认证模块用于对与充电桩通信交互的充电桩运维管理系统单元进行身份认证，并对通信交互的数据进行加密；

所述计量计费模块用于统计充电过程中的电量信息；

所述电源模块为充电桩控制器提供稳定可靠的电源供应；

所述故障信息主动推送模块将故障信息主动推送至车主的手机。

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