CN111098746A - 一种充电桩与电动汽车的数据交互方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电桩与电动汽车的数据交互系统，包括位于充电桩内的供电控制装置以及位于电动汽车内的车载充电机和车辆控制装置，关键在于，在电动汽车内设有第四开关，第四开关的两端分别与车身地线和控制导引线相连。本发明还提供了一种基于上述系统的充电桩与电动汽车的数据交互方法。本发明的有益效果是：充电桩在给电动汽车充电过程中，可以实时获取车辆信息和充电数据信息，运维人员可以及时掌握车辆充电过程中的状况，便于故障分析和隐患排查，支持充电功率调节，为有序充电和即插即充技术的实现提供了支撑。

Description

一种充电桩与电动汽车的数据交互方法和系统

技术领域

本发明属于电动汽车配套的充电设备技术领域，具体涉及一种充电桩与电动汽车的数据交互方法和系统。

背景技术

电动汽车作为一种发展前景广阔的绿色交通工具，目前普及速度异常迅猛，未来的市场前景也是非常巨大。在全球能源危机和环境危机严重的大背景大，我国大力支持、推进电动汽车的应用与发展。随之，电动汽车充电桩作为必须的配套充电设施，正以每年几十万台的惊人速度增长，充电电量每月将近5亿kWh。

随着电动汽车充电桩数量的增长以及充电电量的增加，对配电网的冲击也越来越大，有序充电的作用也越来越重要。同时随着充电应用趋向智能化，即插即充自动识别车辆也成为未来趋势。有序充电和即插即充都需要充电桩与电动汽车的数据传输、信息交互。

现有技术中至少存在以下技术问题：

在充电桩对电动汽车进行充电时，充电桩与电动汽车之间的简单数据（如充电的最大电流）传输可通过充电枪中的CP（Control Pilot，即，控制导引线）进行，而大数据（如充电桩对电动汽车的鉴权信息）的传输则通过无线或者电力线载波进行传输。上述的两种传输方式数据传输存在很大的弊端和局限性，无线传输稳定性差极易受车载充电机复杂电磁环境的影响并且增加了充电桩和电动汽车的成本；电力载波传输与交流电力线共用，车载充电机在交流转直流过程中会产生大量谐波干扰，严重影响通信质量。充电桩可能无法获取电动汽车的车辆状态信息和充电数据信息，运维人员也无法分析和判断充电过程中的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种充电桩与电动汽车的数据交互方法和系统，在充电过程中充电桩可以实时获取车辆信息和充电数据信息，运维人员可以及时掌握车辆充电过程中的状况，便于故障分析和隐患排查。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种充电桩与电动汽车的数据交互系统，包括位于充电桩内的供电控制装置以及位于电动汽车内的车载充电机和车辆控制装置，关键在于，在电动汽车内设有第四开关，所述第四开关的两端分别与车身地线和控制导引线相连。

一种充电桩与电动汽车的数据交互方法，基于上述的数据交互系统，包括以下步骤：

A、充电确认及开始：

A.1、充电桩确认充电连接器与车辆连接并达到启动充电条件后，充电桩内的第一开关动作使供电控制装置由直流连接状态切换至PWM连接状态，供电控制装置通过控制导引线向车辆控制装置输出固定频率和可变占空比的PWM充电控制信号；

A.2、车辆控制装置收到充电桩发出的PWM充电控制信号后闭合第二开关，供电控制装置检测到第二开关闭合后控制交流接触器闭合以给车载充电机供电，车载充电机开始对电池进行充电；

B、充电过程中的数据交互：

B.1、车辆控制装置向充电桩发送信息：交流接触器闭合后供电控制装置将控制导引线上的PWM充电控制信号转换为用于信号载波的PWM连续脉冲信号，车辆控制装置识别到用于信号载波的PWM连续脉冲信号后通过控制第四开关断开和闭合在控制导引线上产生固定频率和可变占空比的数据脉冲信号，车辆控制装置发出的数据脉冲信号与供电控制装置发出的载波PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号，供电控制装置通过该调制后的数据信号获取车辆状态信息和充电数据信息；

B.2、当供电控制装置接收到充电功率调整指令后将用于载波的PWM连续脉冲信号转换为步骤A.1中的PWM充电控制信号并根据调整的电流值设置该充电控制信号的占空比；车辆控制装置检测到PWM充电控制信号后断开第四开关、通过PWM充电控制信号中的占空比开始计算限制电流并通过车载充电机调整输出电流，电流调整完成后闭合第四开关；供电控制装置检测到第四开关闭合后将PWM充电控制信号转换为用于载波的PWM连续脉冲信号，在第四开关闭合并延时一段时间后车辆控制装置再断开第四开关并在收到用于载波的PWM连续脉冲信号后通过控制第四开关断开和闭合将带有车辆状态信息和充电数据信息的数据脉冲信号与PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号发送至供电控制装置；

C、充电停止确认：

车辆要求正常结束时，车辆控制装置发送车辆正常结束信号并在收到供电控制装置的确认后断开第二开关和第四开关，供电控制装置在接收到正常结束信号后将第一开关转换为直流连接状态，再检测到第二开关断开或者第二开关断开超时时断开交流接触器；

车辆要求故障结束时，车辆控制装置发送车辆故障结束信号同时立即断开第二开关和第四开关，供电控制装置在接收到故障结束信号或检测到第二开关和第四开关断开后停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号、将第一开关转换为直流连接状态并立即断开交流接触器；

充电桩要求正常结束时，供电控制装置停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号，将第一开关转换为直流连接状态，车辆控制装置检测到第一开关转换为直流连接状态后，停止电池充电并断开第二开关和第四开关，供电控制装置在检测到第二开关断开或者第二开关断开断开超时时，断开交流接触器；

充电桩要求故障停止时，供电控制装置停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号，将第一开关转换为直流连接状态并立即断开交流接触器，车辆控制装置检测到第一开关转换为直流连接状态后停止电池充电，并断开第二开关和第四开关。

本发明的有益效果是：充电桩在给电动汽车充电过程中，通过控制第四开关的闭合和断开生成要发送的数据，与供电控制装置发出的载波PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号，供电控制装置通过该调制后的数据信号获取车辆状态信息和充电数据信息，由此可以实时获取车辆信息和充电数据信息，运维人员可以及时掌握车辆充电过程中的状况，便于故障分析和隐患排查；支持充电功率调节，为有序充电和即插即充技术的实现提供了支撑；在整个充电流程中（启动充电、充电过程中、结束充电），充电桩与电动汽车始终处于信息交互状态，任何一方都可响应对方的命令；充电桩控制交流电源的供给和切断都是在获取车辆应答的情况下进行的，不存在带载切断电源的情况（故障除外），对充电桩和车载充电机都起到了保护作用。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明中充电桩与电动汽车的数据交互系统的原理示意图；

图2是本发明中充电桩与电动汽车数据交互信号调制方式原理示意图。

具体实施方式

参见附图1，本发明提供了一种充电桩与电动汽车的数据交互系统，包括位于充电桩内的供电控制装置以及位于电动汽车内的车载充电机和车辆控制装置，在电动汽车内设有第四开关S4，第四开关S4的两端分别与车身地线和控制导引线相连。

车辆控制装置控制第二开关S2闭合，第四开关S4断开，供电控制装置通过检测到第二开关S2的闭合则在控制导引线上发出载波PWM连续脉冲信号，车辆控制装置控制第四开关S4断开和闭合产生的数据脉冲信号与载波PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号发送至供电控制装置，供电控制装置通过该调制后的数据信号获取车辆状态信息和充电数据信息；当供电控制装置开始调整充电功率时，车辆控制装置控制第四开关S4断开，供电控制装置通过控制导引线上发出PWM充电控制信号并根据调整的电流值设置该充电控制信号的占空比并被车辆控制装置检测到实现充电功率调整。

基于上述的数据交互系统，本发明提供了一种充电桩与电动汽车的数据交互方法，包括以下步骤：

A、充电确认及开始：

A.1、充电桩确认充电连接器与车辆连接并达到启动充电条件后（启动充电条件包含操作人员启动、即插即充方式启动、车牌识别方式启动、刷卡、APP、按键或其它启动方式等），充电桩内的第一开关S1动作使供电控制装置由直流连接状态切换至PWM连接状态，供电控制装置通过控制导引线向车辆控制装置输出固定频率和可变占空比的PWM充电控制信号，该PWM充电控制信号用于车辆获取启动充电指令和充电桩最大输出电流（不同占空比表征不同电流）。

A.2、车辆控制装置收到充电桩发出的PWM充电控制信号后闭合第二开关S2，供电控制装置检测到第二开关S2闭合后控制交流接触器闭合以给车载充电机供电，车载充电机开始对电池进行充电，车载充电机的充电电流不高于充电桩最大输出电流。

B、充电过程中的数据交互：

B.1、车辆控制装置向充电桩发送信息：交流接触器闭合后供电控制装置将控制导引线上的PWM充电控制信号转换为用于信号载波的PWM连续脉冲信号（该用于信号载波的PWM的频率与充电控制信号PWM的频率不同），车辆控制装置识别到用于信号载波的PWM连续脉冲信号后通过控制第四开关S4断开和闭合在控制导引线上产生固定频率和可变占空比的数据脉冲信号（该数据脉冲信号中包含车辆的状态信息和充电数据信息），车辆控制装置发出的数据脉冲信号与供电控制装置发出的载波PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号，供电控制装置通过该调制后的数据信号获取车辆状态信息和充电数据信息。

B.2、充电桩向车辆控制装置发送信息：当供电控制装置接收到充电功率调整指令（该指令可以是操作人员设置、有序充电充电策略计算出或其它方式）后将用于载波的PWM连续脉冲信号调换为步骤A.1中描述的PWM充电控制信号并根据调整的电流值设置该充电控制信号的占空比；车辆控制装置检测到该PWM充电控制信号后断开第四开关S4、通过PWM占空比开始计算限制电流并通过车载充电机调整输出电流，电流调整完成后闭合第四开关S4；供电控制装置检测到第四开关S4闭合后将充电控制PWM信号调换为用于载波的PWM连续脉冲信号，在第四开关S4闭合并延时一段时间后（时间可设置，默认值2秒）车辆控制装置再断开第四开关S4并在收到用于载波的PWM连续脉冲信号后（如果未收到，则再次闭合开关S2，延时2秒后，再断开S2继续检测，循环持续20秒仍未收到，则执行C中描述的车辆要求故障结束流程）通过控制第四开关S4断开和闭合在控制导引线上产生固定频率和可变占空比的数据脉冲信号，将带有车辆状态信息和充电数据信息的数据脉冲信号与PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号发送至供电控制装置。

C、充电停止确认：

车辆要求正常结束时，车辆控制装置发送车辆正常结束信号并在收到供电控制装置的确认（确认信号为第一开关S1转换为直流连接状态）后断开第二开关S2和第四开关S4，供电控制装置在接收到正常结束信号后将第一开关S1转换为直流连接状态，再检测到第二开关S2断开或者第二开关S2断开超时时断开交流接触器。

车辆要求故障结束时，车辆控制装置发送车辆故障结束信号同时立即断开第二开关S2和第四开关S4，供电控制装置在接收到故障结束信号或检测到第二开关S2和第四开关S4断开后停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号、将第一开关S1转换为直流连接状态并立即断开交流接触器。

充电桩要求正常结束时，供电控制装置停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号，将第一开关S1转换为直流连接状态，车辆控制装置检测到第一开关S1转换为直流连接状态后，停止电池充电并断开第二开关S2和第四开关S4，供电控制装置在检测到第二开关S2断开或者第二开关S2断开断开超时时，断开交流接触器。

充电桩要求故障停止时，供电控制装置停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号，将第一开关S1转换为直流连接状态并立即断开交流接触器，车辆控制装置检测到第一开关S1转换为直流连接状态后，停止电池充电，并断开第二开关S2和第四开关S4。

下面以具体实例详细介绍本发明。

A、充电确认及开始

A.1、确认充电连接器连接车辆后，充电桩收到启动指令（刷卡、APP、按键或其它启动方式），开关S1由+12V连接状态切换至PWM连接状态，充电桩通过控制导引线（即：CP线）输出频率为1KHz、占空比为53%、幅值为12V的PWM充电控制信号，该PWM经过电阻R1和R3的分压后幅值变为9V。

A.2、在车辆自检完成，且没有故障的情况下，并且电池组处于可充电状态时，车辆控制装置通过检测点2检测到PWM充电控制信号，并通过PWM的占空比53%得知到充电桩的最大输出电流为32A，车辆控制装置闭合开关S2，由于电阻R2、R3与R1产生分压，PWM充电控制信号的幅值变为6V，供电控制装置通过检测点1检测到PWM充电控制信号幅值变为6V得知S2闭合（即：车辆允许充电），充电桩立即闭合交流接触器K1、K2给车辆供电。

B、充电过程中的数据交互

B.1、车辆控制装置向充电桩发送信息：交流接触器闭合后此时充电桩在CP线上的PWM频率由原来1KHz转换为10KHz（也可以是其它频率），占空比为50%（也可以是其它占空比），幅值为6V。该10KHz的PWM连续脉冲作为信号载波，如图2所示。

车辆控制装置通过检测点2检测到10KHz的载波PWM后，得知供电控制装置在等待车辆控制装置的数据信息。车辆控制装置通过开关S4的闭合和断开产生数据信号，该数据信号的频率为1KHz，占空比根据数据位变化。

车辆控制装置向充电桩发送的信息由开始位、数据位、停止位组成。信息的开始位是发送信息的开始标志，本实施例中，发送开始位时，S4闭合200us，断开800us；数据位由多个0、1组成，发送0时，S4闭合400us，断开600us；发送1时，S4闭合600us，断开400us；信息的停止位是发送信息的结束标志，发送停止位时，S4闭合800us，断开200us。

其中，数据位由二进制的0和1表示，高电平为6V，低电平为0V，1个PWM周期先输出低电平后输出高电平。起始位的低电平200us，即占空比为80%；数据位的低电平400us为数据0，即占空比60%，低电平600us为数据1，即占空比40%；停止位的低电平800us，即占空比20%。该数据信号与供电控制装置输出的10KHz的PWM载波信号叠加生成10KHz调制后的数据信号。调制原理：CP线上的载波信号持续输出为10KHz，幅值为6V的PWM，当数据信号为高电平时即开关S4断开，此时生成的调制后数据信号仍为10KHz，幅值为6V的PWM，当数据信号为低电平时即开关S4闭合，此时生成的调制后的数据信号为低电平0V，这样随着数据位的变化就会产生调制后间断的数据信号，该调制后的数据信号高电平为10KHz、占空比50%、幅值6V（本实施例中R1、R2、R3电阻值都是1K）的PWM，该调制后的数据信号高电平为0V，如图2所示。由车辆的状态信息和充电数据信息（如车辆VIN、车辆SOC、剩余充电时间、车辆工作状态等）形成的调制后的数据信号在CP线上周期循环发出，供电控制装置通过检测点1捕获到调制后的数据信号，根据软件解析即可获取车辆状态信息和充电数据信息。

B.2、充电桩向车辆控制装置发送信息：充电过程中支持充电电流调节，支持智能有序充电，主动调控充电电流。充电桩在充电过程中接收到操作人员或有序充电调控策略的功率调整指令：电流由32A降低为16A，供电控制装置首先将CP的PWM由10KHz转换为1KHz，同时占空比按照GB/T 18487.1-2015的规范设定为26%（占空比26%映射的电流为16A）。车辆控制装置通过检测点2检测到PWM频率变为1KHz，立即断开开关S4，开始计算限制电流，并调整输出电流不大于16A，电流调整完后，闭合开关S4，开关S4闭合后CP上的电压为0V。供电控制装置通过检测点1检测到S4闭合后，PWM频率由1KHz转换为10KHz、占空比转换为50%，继续输出载波PWM信号。在第四开关S4闭合并延时一段时间后车辆控制装置再断开第四开关S4，通过检测点2检测到PWM频率转换为10KHz后，继续循环周期发送车辆状态信息和充电数据信息。

C、充电停止确认

充电停止信号可以是充电桩端发起也可以是车辆端发起。充电桩正常结束（人为停止或收到车辆正常结束信号或SOC达到100%或检测到S2断开），供电控制装置停止发送PWM，转换为+12V直流；车辆控制装置通过检测点2检测到调制后的数据信号高电平由10KHz的PWM变为6V直流，立即停止充电，并断开开关S2和开关S4，车辆控制装置通过检测点1检测到直流电平由6V变为9V时切断交流接触器；充电桩故障结束（故障停止或收到车辆故障结束信号），供电控制装置停止发送PWM，转换为+12V直流，同时立即切断交流接触器；车辆控制装置通过检测点2检测到调制后的数据信号高电平由10KHz的PWM变为6V直流，立即停止充电，并断开开关S2和开关S4。

车辆正常结束时，车辆控制装置给供电控制装置发送车辆正常结束命令，同时停止电池充电，供电控制装置收到正常停止命令后，停止PWM转换为+12V直流，车辆控制装置通过检测点2检测到直流信号，立即断开S2和S4，供电控制装置通过检测点1检测到S2断开或S2断开超时时立即断开交流接触器；车辆故障结束时，车辆控制装置给供电控制装置发送车辆故障结束命令，同时停止电池充电，供电控制装置收到故障停止命令后，停止PWM转换为+12V直流，同时立即断开交流接触器，车辆控制装置通过检测点2检测到调制后的数据信号高电平由10KHz的PWM变为6V直流，立即断开S2和S4。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (2)

1.一种充电桩与电动汽车的数据交互系统，包括位于充电桩内的供电控制装置以及位于电动汽车内的车载充电机和车辆控制装置，其特征在于，在电动汽车内设有第四开关（S4），所述第四开关（S4）的两端分别与车身地线和控制导引线相连。

2.一种充电桩与电动汽车的数据交互方法，基于权利要求1所述的数据交互系统，其特征在于，包括以下步骤：

A、充电确认及开始：

A.1、充电桩确认充电连接器与车辆连接并达到启动充电条件后，充电桩内的第一开关（S1）动作使供电控制装置由直流连接状态切换至PWM连接状态，供电控制装置通过控制导引线向车辆控制装置输出固定频率和可变占空比的PWM充电控制信号；

A.2、车辆控制装置收到充电桩发出的PWM充电控制信号后闭合第二开关（S2），供电控制装置检测到第二开关（S2）闭合后控制交流接触器闭合以给车载充电机供电，车载充电机开始对电池进行充电；

B、充电过程中的数据交互：

B.1、车辆控制装置向充电桩发送信息：交流接触器闭合后供电控制装置将控制导引线上的PWM充电控制信号转换为用于信号载波的PWM连续脉冲信号，车辆控制装置识别到用于信号载波的PWM连续脉冲信号后通过控制第四开关（S4）断开和闭合在控制导引线上产生固定频率和可变占空比的数据脉冲信号，车辆控制装置发出的数据脉冲信号与供电控制装置发出的载波PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号，供电控制装置通过该调制后的数据信号获取车辆状态信息和充电数据信息；

B.2、充电桩向车辆控制装置发送信息：当供电控制装置接收到充电功率调整指令后将用于载波的PWM连续脉冲信号转换为步骤A.1中的PWM充电控制信号并根据调整的电流值设置该充电控制信号的占空比；车辆控制装置检测到PWM充电控制信号后断开第四开关（S4）、通过PWM充电控制信号中的占空比开始计算限制电流并通过车载充电机调整输出电流，电流调整完成后闭合第四开关（S4）；供电控制装置检测到第四开关（S4）闭合后将PWM充电控制信号转换为用于载波的PWM连续脉冲信号，在第四开关（S4）闭合并延时一段时间后车辆控制装置再断开第四开关（S4）并在收到用于载波的PWM连续脉冲信号后通过控制第四开关（S4）断开和闭合将带有车辆状态信息和充电数据信息的数据脉冲信号与PWM连续脉冲信号叠加生成调制后的数据信号发送至供电控制装置；

C、充电停止确认：

车辆要求正常结束时，车辆控制装置发送车辆正常结束信号并在收到供电控制装置的确认后断开第二开关（S2）和第四开关（S4），供电控制装置在接收到正常结束信号后将第一开关（S1）转换为直流连接状态，再检测到第二开关（S2）断开或者第二开关（S2）断开超时时断开交流接触器；

车辆要求故障结束时，车辆控制装置发送车辆故障结束信号同时立即断开第二开关（S2）和第四开关（S4），供电控制装置在接收到故障结束信号或检测到第二开关（S2）和第四开关（S4）断开后停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号、将第一开关（S1）转换为直流连接状态并立即断开交流接触器；

充电桩要求正常结束时，供电控制装置停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号，将第一开关（S1）转换为直流连接状态，车辆控制装置检测到第一开关（S1）转换为直流连接状态后，停止电池充电并断开第二开关（S2）和第四开关（S4），供电控制装置在检测到第二开关（S2）断开或者第二开关（S2）断开断开超时时，断开交流接触器；

充电桩要求故障停止时，供电控制装置停止发送用于载波的PWM连续脉冲信号，将第一开关（S1）转换为直流连接状态并立即断开交流接触器，车辆控制装置检测到第一开关（S1）转换为直流连接状态后停止电池充电，并断开第二开关（S2）和第四开关（S4）。

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