CN110103746A - 一种矩阵网络式充电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矩阵网络式充电机系统，包括至少两个充电机，各充电机包括至少两个充电模块以及至少一个充电枪，各充电机的电能传输端均连接直流母线，且各充电机的电能传输端与直流母线之间设置有相应的控制开关。当用某一个充电枪对车辆进行充电时，判断该充电枪对应的充电机的输出功率是否满足充电需求，若不满足，则控制其它相应的充电机对应的控制开关导通，使该相应的充电机投入充电，提升总的充电功率，以满足充电需求。因此，即便某一个充电机中所有的充电模块均投入时还是无法满足充电需求，也可以投入其他的充电机，增大充电功率。可解决当前市场上充电机仅能实现标称功率充电，不能通过若干充电机组合实现超标称功率充电的问题。

Description

一种矩阵网络式充电机系统

技术领域

本发明涉及一种矩阵网络式充电机系统。

背景技术

根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计，截至2017年6月，我国已有公用充电机14.1万个，几乎是欧洲和美国充电机数量的总和。市场充电机保有量已较之前有较大提升，且增速不减。随着充电技术研究的深入和市场需求的拓展，柔性充电技术或功率动态分配充电技术得到了市场的认可，较传统一体式充电机具有利用率高的优势，是后续充电技术发展的一个重要方向。

当前柔性充电技术通过“充电堆+充电终端”的模式实现，即将所有充电模块集中到充电堆，并引出若干个充电终端。充电过程中，充电终端连接车辆并控制器控制充电堆内充电模块启动，根据不同车辆的充电功率和充电电流需求对充电堆的总功率进行比例分配。但该模式存在以下问题：1、充电终端距离充电堆距离较远，需通过长距离充电线连接，影响系统效率和通讯可靠性；2、适应性差，该模式不合适小功率充电机；3、灵活性差，仅能实现利用大功率充电机实现小功率充电，无法解决通过小功率充电机实现大功率充电的问题；4、建设成本高，充电机功率大，基建施工规模大，采购成本和基建成本高；5、扩展成本高，建设规格固化后，后期提升服务能力或增加新设备需将更换。

申请公布号CN107128195A的中国专利申请文件中公开了一种输电功率按需自动分配的多枪充电机充电方法及充电机，包括多个充电模块，每个充电模块与多个充电枪插头连接，当用某一把枪插头充电时，根据车辆的最大充电电流确定需要分配的充电模块的个数，以实现实际分配的充电模块的个数大于等于需要分配的充电模块的个数，或者剩余空闲充电模块的个数为0，最后控制对应的充电模块开机进行充电。虽然该申请提供的充电方法能够在一定程度上实现根据实际的充电电流来分配所需的充电模块的个数，但是，充电机在充电时仍具有一定的局限性，当所有的充电模块均投入时还是无法满足充电需求时，这时为了保证充电机的安全运行，充电机就不能超功率输出，那么，充电机就无法输出合适的功率，无法满足充电需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种矩阵网络式充电机系统，用以解决当充电机中所有的充电模块均投入时仍无法满足充电需求的问题。

为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。

方案一：本方案提供一种矩阵网络式充电机系统，包括至少两个充电机，对于任意一个充电机，该充电机包括至少两个充电模块以及至少一个充电枪，各充电机的电能传输端均连接直流母线，且各充电机的电能传输端与直流母线之间设置有相应的控制开关；当用某一个充电枪对车辆进行充电时，判断该充电枪对应的充电机的输出功率是否满足充电需求，若不满足，则控制其它相应的充电机对应的控制开关导通，使该相应的充电机投入充电，充电枪输出的充电功率为投入的所有充电机的输出功率的和，以满足充电需求。

本方案提供的矩阵网络式充电机系统中，设置有至少两个充电机，各充电机包括至少两个充电模块，而且，各充电机的电能传输端均连接直流母线，且各充电机的电能传输端与直流母线之间设置有相应的控制开关，通过控制导通相应的控制开关使对应的充电机投入充电。因此，当用某一个充电枪对车辆进行充电时，要判断该充电枪对应的充电机的输出功率是否满足充电需求，若不满足，表示该充电机提供的充电功率不足，那么，就控制其它相应的充电机对应的控制开关导通，使其投入充电，这样的话，就会有至少两个充电机同时提供充电功率，充电枪上输出的充电功率为投入的各充电机的输出功率之和，总的充电功率就会提升，以满足充电需求。即便某一个充电机中所有的充电模块均投入时还是无法满足充电需求，也可以投入其他的充电机运行，使其他的充电机与本充电机并机输出，增大充电功率，满足充电需求。可解决当前市场上充电机仅能实现标称功率充电，不能通过若干充电机组合实现超标称功率充电的问题。另外，设置多个充电机，通过充电机之间的协同输出，若单台充电机功率不足，可以增加投入其他充电机以增大输出功率，不必要设置超大功率的充电机，能够解决当前市场中柔性充电技术单台充电机功率大，成本高且扩展不方便的问题，不同批次、不同功率的充电机均可以实现互相联通、协同输出。而且，还可以灵活实现充电场站及充电机的扩充。

方案二：在方案一的基础上，所述充电机系统包括控制系统，所述控制系统的控制信号输出端控制连接各控制开关。

方案三：在方案二的基础上，所述控制系统包括充电机矩阵控制子系统、车辆充电功率需求识别子系统和用于检测充电机输出功率的充电机功率识别子系统，车辆充电功率需求识别子系统将检测到的车辆的需求充电功率传输给充电机矩阵控制子系统，且所述充电机功率识别子系统将检测到的用于进行充电的充电枪对应的充电机的输出功率传输给充电机矩阵控制子系统，充电机矩阵控制子系统比较接收到的功率信息，若充电机输出功率不满足充电需求，则控制其它相应的充电机对应的控制开关导通。

方案四：在方案三的基础上，充电机功率识别子系统还检测各充电机的额定功率、各充电机的当前充电功率以及各充电机的剩余可用充电功率，充电机矩阵控制子系统获取其他各充电机的工作情况，找到其中没有满功率运行的充电机，并根据车辆的需求充电功率选择需要投入的其他没有满功率运行的充电机，使投入的充电机的总的输出功率大于或者等于车辆的需求充电功率。

方案五：在方案三的基础上，所述控制系统还包括用于检测充电枪最大允许充电功率的充电枪允许充电功率检测子系统，充电枪允许充电功率检测子系统将检测到的充电枪最大允许充电功率传输给充电机矩阵控制子系统，充电机矩阵控制子系统将充电枪最大允许充电功率和车辆的需求充电功率中的较小值作为充电机输出功率的上限值。

方案六：在方案一的基础上，若该充电枪对应的充电机的输出功率满足充电需求，则根据需求投入该充电机中的相关充电模块。

方案七：在方案四的基础上，若其他各充电机均为满功率运行，则充电机矩阵控制子系统按照当前待充电或者正充电车辆的需求充电功率的比例，将当前所有的充电机的总的实际输出功率按照该比例进行分配。

方案八：在方案四的基础上，若其他各充电机均为满功率运行，则充电机矩阵控制子系统输出告警信号，并提示用户是否等待。

附图说明

图1是矩阵网络式充电机系统的整体结构示意图；

图2是矩阵网络式充电机系统中的信息流和功率流示意图；

图3是矩阵网络式充电机系统的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，矩阵网络式充电机系统包括M个充电机，M≥2，分别称为充电机1、充电机2、……、充电机M。对于任意一个充电机，该充电机包括至少两个充电模块，当然，各充电机中的充电模块的个数可以相同，也可以不同，如图1所示，设定充电机1中包括L个充电模块，充电机2中包括P个充电模块，……，充电机M中包括N个充电模块，那么，L＝P＝M，也可L≠P≠M。对于任意一个充电机，该充电机包括至少一个充电枪，当然，通常情况下，充电机包括至少两个充电枪，具体个数根据实际要求设定，本实施例中，每个充电机配置的充电枪的数量最大可等于该充电机中的充电模块的数量。其中，充电枪的实现形式不限于GB/T18487所规定的传导式连接形式，可为任意一种充电机与车辆的连接形式，比如受电弓。

各充电机的电能传输端均连接直流母线，且各充电机的电能传输端与直流母线之间设置有相应的控制开关，本实施例以直流接触器为例。那么，如图1所示，充电机1通过直流接触器K11和K12连接直流母线，充电机2通过直流接触器K21和K22连接直流母线，……，充电机M通过直流接触器KM1和KM2连接直流母线。各充电机之间通过直流母线及直流接触器(K11，K12，……，KM1，KM2)相连通，直流接触器受控制系统控制，实现各充电机组合输出，满足小功率充电机进行大功率充电的需求。

为了实现充电控制，该充电机系统还包括控制系统，也可称为充电机监控调度系统，通过监控调度局域网与各充电机进行通讯，实现信息交互。当然，该控制系统的控制信号输出端控制连接各接触器。

控制系统实现相关数据的检测采集以及充电控制，包括四大部分，分别是充电机矩阵控制子系统、车辆充电功率检测系统(也可以称为车辆充电功率需求识别子系统、以下以车辆充电功率需求识别子系统进行说明)、充电枪功率检测系统(也可以称为充电枪允许充电功率检测子系统，以下以充电枪允许充电功率检测子系统)和充电机控制系统，其中，充电机矩阵控制子系统为该控制系统的控制核心，实现系统的充电控制；车辆充电功率需求识别子系统用于检测车辆的需求充电功率，可以为常规的功率检测设备；充电枪允许充电功率检测子系统用于检测充电枪的标识信息以及充电枪的最大允许输出功率，也可以为常规的功率检测设备；充电机控制系统的个数与充电机相同，两者一一对应，如图2所示，各充电机控制系统的作用为：采集对应充电机的相关信息，以及控制对应的充电机。其中，各充电机控制系统通过监控调度局域网连接至充电机矩阵控制子系统，并与之通讯，而且，充电机控制系统可在充电机本地实现，也可直接通过充电机矩阵控制子系统远程实现；充电机矩阵控制子系统同样可在本地，通过有线连接的方式实现与各充电机之间的通讯和控制。

对于任意一个充电机控制系统，包括充电机功率识别子系统，用于检测对应充电机的输出功率。

那么，当用某一个充电枪对车辆进行充电时，比如用充电枪MN进行充电，车辆充电功率需求识别子系统将检测到的车辆的需求充电功率传输给充电机矩阵控制子系统，充电枪MN对应的充电机功率识别子系统将检测到的充电机M的输出功率传输给充电机矩阵控制子系统，充电机矩阵控制子系统比较接收到的功率信息，判断充电机M的输出功率是否满足充电需求，即判断充电机M的输出功率与需求充电功率的大小关系，若不满足，即若充电机M的输出功率小于需求充电功率，则控制其它相应的充电机对应的接触器导通，使相应的充电机投入充电，投入的充电机的输出功率就会通过直流母线传输到充电枪MN，充电枪MN输出的充电功率是所有投入的充电机的输出功率之和，那么，总的充电功率就得到提升，满足了充电需求。

进一步地，控制投入其他相关的充电机的实现过程如下：

若充电机M的输出功率小于需求充电功率，各充电机功率识别子系统还检测对应充电机的额定功率、当前充电功率以及剩余可用充电功率，各充电机功率识别子系统将检测到的信息传输给充电机矩阵控制子系统，充电机矩阵控制子系统获取充电机1～M-1的工作情况，遍历当前局域网内充电机1～M-1的工作情况，判断当前局域网内是否有空闲功率的充电机(有空闲功率表示没有满功率运行)。找到其中有空闲功率的充电机，并根据充电机的输出功率与车辆的需求充电功率的差额，在这些有空闲功率的充电机中选择需要投入的充电机，使投入的充电机的总的输出功率大于或者等于车辆的需求充电功率，以满足需求。以下给出一个例子：设定充电机M的输出功率为S1，另有两个充电机有空闲功率，分别为S2和S3，车辆的需求充电功率为S4，其中，若S4＞S1，S4＞S1+S2，S4＞S1+S3，S4≤S1+S2+S3，那么，在投入充电机M的基础上，再投入这两个空闲充电机中的任意一个均不能满足要求，只有同时投入这两个空闲充电机才能够满足要求，因此，控制这两个充电机对应的接触器导通，同时投入这两个空闲充电机，实现空闲充电机与充电机M并机输出，三个充电机输出的总的输出功率能够满足充电需求，达到提高充电机利用率、提高充电速度的目的。另外，为了控制各接触器的投切，系统还包括充电机智能切换子系统，该子系统控制连接各接触器，可接收充电机矩阵控制子系统的实时命令，控制各充电机的启停机及输出切换。

为了保证充电过程安全，避免出现充电过流等情况，充电枪允许充电功率检测子系统将检测到的充电枪最大允许充电功率传输给充电机矩阵控制子系统，充电机矩阵控制子系统将充电枪最大允许充电功率和车辆需求充电功率中的较小值作为充电机并机输出的总输出功率的上限值，防止充电枪超功率输出。

若当前局域网内充电机均处于满功率充电状态，无空闲功率可供充电，则充电机矩阵控制子系统有以下两种处理方式以供选择：第一：输出告警信号，自动提醒用户，并提示用户是否等待；第二：按照当前待充电或者正充电车辆的需求充电功率的比例，将当前局域网内所有的充电机的总的实际输出功率按照该比例进行分配，提高用户充电过程灵活性。

另外，若充电机M的输出功率满足充电需求，即充电机M的输出功率大于或者等于车辆需求充电功率，那么，就不需要进行上述充电机的选择投入控制策略，只需根据需求投入充电机M中的相应个数的充电模块。由于每个充电模块均具有相应的充电功率，那么，根据车辆需求充电功率投入合适个数的充电模块，使投入的充电模块的总的充电功率恰好大于或者等于需求充电功率。而且，在充电机的选择投入控制策略中，当投入其他空闲充电机时，如果不需要投入某一个空闲充电机中的所有的充电模块，那么，也可以按照上述充电模块的投入策略对该空闲充电机中的各充电模块进行投入控制。另外，除了上述策略之外，充电模块的投入控制策略还可以为现有技术中的相关策略，比如申请公布号CN107128195A的中国专利申请文件中公开的控制策略。相应地，为了控制各充电模块的投入，每个充电机控制系统中还设置有充电模块智能切换子系统，可接收充电机矩阵控制子系统的实时命令并控制对应充电机中的充电模块启停机及输出切换。

图3给出矩阵网络式充电机系统的一种具体的控制逻辑过程。

另外，充电机矩阵控制子系统还可以接收充电模块智能切换子系统和充电机智能切换子系统上传的信息，也可接收用户输入的输出模式控制命令并综合接收到的信息和命令完成对系统控制。

本系统中，充电机1～M可为同一批充电机，也可通过扩容增加充电机数量，只需将各充电机通过直流母线进行高压连接并接入充电机矩阵控制子系统即可。而且，本系统中，充电机输电线缆可通过同一母线实现，也可通过不同母线实现。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种矩阵网络式充电机系统，其特征在于，包括至少两个充电机，对于任意一个充电机，该充电机包括至少两个充电模块以及至少一个充电枪，各充电机的电能传输端均连接直流母线，且各充电机的电能传输端与直流母线之间设置有相应的控制开关；当用某一个充电枪对车辆进行充电时，判断该充电枪对应的充电机的输出功率是否满足充电需求，若不满足，则控制其它相应的充电机对应的控制开关导通，使该相应的充电机投入充电，充电枪输出的充电功率为投入的所有充电机的输出功率的和，以满足充电需求。

2.根据权利要求1所述的矩阵网络式充电机系统，其特征在于，所述充电机系统包括控制系统，所述控制系统的控制信号输出端控制连接各控制开关。

3.根据权利要求2所述的矩阵网络式充电机系统，其特征在于，所述控制系统包括充电机矩阵控制子系统、车辆充电功率需求识别子系统和用于检测充电机输出功率的充电机功率识别子系统，车辆充电功率需求识别子系统将检测到的车辆的需求充电功率传输给充电机矩阵控制子系统，且所述充电机功率识别子系统将检测到的用于进行充电的充电枪对应的充电机的输出功率传输给充电机矩阵控制子系统，充电机矩阵控制子系统比较接收到的功率信息，若充电机输出功率不满足充电需求，则控制其它相应的充电机对应的控制开关导通。

4.根据权利要求3所述的矩阵网络式充电机系统，其特征在于，充电机功率识别子系统还检测各充电机的额定功率、各充电机的当前充电功率以及各充电机的剩余可用充电功率，充电机矩阵控制子系统获取其他各充电机的工作情况，找到其中没有满功率运行的充电机，并根据车辆的需求充电功率选择需要投入的其他没有满功率运行的充电机，使投入的充电机的总的输出功率大于或者等于车辆的需求充电功率。

5.根据权利要求3所述的矩阵网络式充电机系统，其特征在于，所述控制系统还包括用于检测充电枪最大允许充电功率的充电枪允许充电功率检测子系统，充电枪允许充电功率检测子系统将检测到的充电枪最大允许充电功率传输给充电机矩阵控制子系统，充电机矩阵控制子系统将充电枪最大允许充电功率和车辆的需求充电功率中的较小值作为充电机输出功率的上限值。

6.根据权利要求1所述的矩阵网络式充电机系统，其特征在于，若该充电枪对应的充电机的输出功率满足充电需求，则根据需求投入该充电机中的相关充电模块。

7.根据权利要求4所述的矩阵网络式充电机系统，其特征在于，若其他各充电机均为满功率运行，则充电机矩阵控制子系统按照当前待充电或者正充电车辆的需求充电功率的比例，将当前所有的充电机的总的实际输出功率按照该比例进行分配。

8.根据权利要求4所述的矩阵网络式充电机系统，其特征在于，若其他各充电机均为满功率运行，则充电机矩阵控制子系统输出告警信号，并提示用户是否等待。