CN111251929A - 一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于解决现有技术中功率模块利用率低下的问题，提供一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法，提高功率模块利用率。方法包括：获取用户剩余预期充电时间和充电状态；根据用户剩余预期充电时间和充电状态，确定每辆充电电动汽车的预计充电时间；根据所述预计充电时间确定每辆充电电动汽车的充电优先级；在充电电动汽车是否进入恒压充电模式且充电模块的负载率大于预设的第一阈值时，计算充电桩的剩余功率，根据所述剩余功率确定并切除空闲的功率模块，切除空闲的功率模块后重新确定充电优先级，并基于充电优先级确定功率分配规则，根据功率分配规则为充电枪分配功率模块。提高了功率模块利用率。

Description

一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法
技术领域
本发明属于一种电动车充电技术，具体涉及一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法。
背景技术
目前市场上出现的直流充电设备为了适应多种类型电动汽车的充电需求，采用多台功率模块并联设计，通过改变模块的数量达到调节输出功率的目的。现有的直流充电设备为了满足更多电动汽车同时充电，从以前一桩一枪改进成双枪甚至三枪，然而目前每个充电枪设计成输出为平均功率或是全部功率模式，缺乏灵活的多枪柔性功率分配机制。大功率一体式多枪直流充电设备大都采用轮充或均充方式，轮充指的是当多辆电动汽车预约充电时，首先以最大功率给第一辆车充电，其余车辆预约排队，等前一辆车充完才被允许充电，这种方式能全速为一辆充电，但充电后期功率较小时充电利用率降低；而均充是指将可用充电功率平均分配到各个充电枪，实现多辆车同时充电，但是和轮充一样无法克服充电后期模块利用率低的问题。因此，业界目前的充电机系统普遍采用均充或轮充方式对电池进行作业，造成充电方式不灵活，功率模块总体利用率低下。
发明内容
本发明的目的在于解决现有所存在的其中一个问题，提供一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法，提高功率模块利用率。
为了实现所述目的，本公开的一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法，所述充电桩包括至少两个功率模块和至少两个充电枪；所述方法包括：
步骤S1：检测所述充电桩有无电动汽车接入充电或充电完成，若有，则进入步骤S2；
步骤S2：获取用户剩余预期充电时间和充电状态，所述充电状态包括电池剩余容量、电池容量和充电功率；
步骤S3：根据用户剩余预期充电时间和充电状态，确定每辆充电电动汽车的预计充电时间；
步骤S4：根据所述预计充电时间确定每辆充电电动汽车的充电优先级；
步骤S5：实时检测充电电动汽车是否进入恒压充电模式，若是，则进入步骤S6，若否，则执行步骤S8；
步骤S6：实时计算所有功率模块的负载率，并在充电模块的负载率大于预设的第一阈值时，进入步骤S7，在充电模块的负载率小于等于预设的第一阈值时，执行步骤S8；
步骤S7：计算充电桩的剩余功率，根据所述剩余功率确定并切除空闲的功率模块，并进入步骤S2；
步骤S8：基于所述充电优先级确定功率分配规则，根据功率分配规则为充电枪分配功率模块。
可选的，所述根据用户剩余预期充电时间和充电状态，确定每辆电动汽车的预计充电时间，包括：
根据如下公式确定电动汽车的预计充电时间；
Figure BDA0002388812080000031
TP为预计充电时间，Tep为用户剩余预期充电时间，SSOC是电池剩余容量，E为电池容量，Pbat是充电功率，其中所述充电状态包括电池剩余容量、电池容量和充电功率。
可选的，根据所述预计充电时间确定每辆充电电动汽车的充电优先级包括：根据预计充电时间长短确定每辆充电电动汽车的充电优先级，其中，预计充电时间越长的充电电动汽车的充电优先级越高。
可选的，所述第一阈值为50％。
可选的，所述实时计算所有功率模块的负载率包括：实时计算每个功率模块的负载率，根据每个功率模块的负载率判断所有功率模块的轻载率。
可选的，所述充电桩包括中央控制器和切换模块；每个功率模块与唯一切换模块电连接，切换模块与每个充电枪电连接；所述根据功率分配规则为充电枪分配功率模块包括：中央控制器根据功率分配规则通过切换模块为充电枪分配功率模块。
可选的，所述获取用户剩余预期充电时间和充电状态包括：从电池管理系统读取电池剩余容量、电池容量、充电电压和充电电流，根据充电电压和充电电流计算获得充电功率。
可选的，基于所述充电优先级确定功率分配规则包括：根据预设条件确定功率分配规则，所述预设条件为优先级高的电动汽车被优先分配更多的功率模块以及使用最少的功率模块开关切换。
通过实施本公开的技术方案可以取得以下有益技术效果：本公开的实施方式的技术方案基于每辆充电电动汽车的预计充电时间确定优先级，并在进入恒压充电模式时，基于负载率切除空闲的功率模块，进而起到减少功耗的目的，并在切除空闲的功率模块后，重新确定充电优先级，并基于充电优先级分配功率模块，进一步提高功率模块的利用率。
附图说明
图1为本公开一个实施方式中的一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法的流程图；
图2为本公开一个实施方式中的一种模块化直流充电桩的框图；
图3为本公开一个实施方式中的一种充电特性曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
参见图1，一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法，充电桩包括至少两个功率模块和至少两个充电枪；方法包括：
步骤S1：检测充电桩有无电动汽车接入充电或充电完成，若有，则进入步骤S2；
步骤S2：获取用户剩余预期充电时间和充电状态，所述充电状态包括电池剩余容量、电池容量和充电功率；
步骤S3：根据用户剩余预期充电时间和充电状态，确定每辆充电电动汽车的预计充电时间；
步骤S4：根据所述预计充电时间确定每辆充电电动汽车的充电优先级；
步骤S5：实时检测充电电动汽车是否进入恒压充电模式，若是，则进入步骤S6，若否，则执行步骤S8；
步骤S6：实时计算所有功率模块的负载率，并在充电模块的负载率大于预设的第一阈值时，进入步骤S7，在充电模块的负载率小于等于预设的第一阈值时，执行步骤S8；
步骤S7：计算充电桩的剩余功率，根据所述剩余功率确定并切除空闲的功率模块，并进入步骤S2；
步骤S8：基于所述充电优先级确定功率分配规则，根据功率分配规则为充电枪分配功率模块。
本公开的实施方式的技术方案中，“有电动汽车接入充电或充电完成”是功率分配触发条件，每当有电动汽车接入充电或充电完成时，功率需求发生变化，需要重新分配功率；此时获取用户剩余预期充电时间Tep和充电状态，根据获取用户剩余预期充电时间和充电状态计算每辆电动汽车预计充电时间Tp；其中，用户剩余预期充电时间Tep根据用户在充电设置时输入的用户期望的用户预计停车时间计算得到，例如：用户预计停车时间减去已充电时间得到用户剩余预期充电时间；充电状态是用于计算电池充满所需时间的数据，通过充电状态计算获得电池充满所需时间；从用户剩余预期充电时间Tep和电池充满所需的时间中选择时间较短的作为电动汽车预计充电时间Tp；根据预计充电时间Tp确定充电电动汽车的充电优先级，预计充电时间Tp越小，充电优先级越大；在充电电动汽车进入恒压充电模式时以及所有功率模块的负载率大于预设的第一阈值时，根据剩余功率确定并切除空闲的功率模块，切除的空闲的功率模块能减少功耗；切除空闲的功率模块后(此时存在充电电动汽车的充电功率减小，并且空闲的功率模块可以供其他充电电动汽车充电)，获取新的数据，并重新计算每辆电动汽车预计充电时间Tp，以及重新根据预计充电时间Tp确定充电优先级，并在充电电动汽车未进入恒压充电模式或进入恒压充电模式且轻载率小于等于第一阈值时，根据充电优先级确定功率分配规则，以及根据功率分配规则分配功率模块。其中，可以知道的，充电优先级确定后，可以按优先级高低，功率模块优先分配给优先级高的电动汽车所在的充电枪，在充电枪的功率能满足该优先级高的电动汽车的功率要求后，再从余下的功率模块中选择功率模块分配给优先级次高的电动汽车所在的充电枪。
综上，本公开的实施方式的技术方案基于每辆充电电动汽车的预计充电时间确定优先级，并在进入恒压充电模式时，基于负载率切除空闲的功率模块，进而起到减少功耗的目的，并在切除空闲的功率模块后，重新确定充电优先级，并基于充电优先级分配功率模块，进一步提高功率模块的利用率。
步骤S2中，检测充电电动汽车是否进入恒压充电模式，可以通过监测充电电动汽车的充电电流是否下降，若下降，则表示充电电动汽车是否恒压充电模式。
在一个实施方式中，所述根据用户剩余预期充电时间和充电状态，确定每辆电动汽车的预计充电时间，包括：
根据如下公式确定电动汽车的预计充电时间；
Figure BDA0002388812080000071
TP为预计充电时间，Tep为用户剩余预期充电时间，SSOC是电池剩余容量，E为电池容量，Pbat是充电功率，其中所述充电状态包括电池剩余容量、电池容量和充电功率。
从用户剩余预期充电时间Tep和电池充满所需的时间中选择时间较短的作为电动汽车预计充电时间Tp，并基于电动汽车预计充电时间Tp进行功率分配，可以更好地满足用户的不同需求。
在一个实施方式中，所述获取用户剩余预期充电时间和充电状态包括：从电池管理系统读取电池剩余容量、电池容量、充电电压和充电电流，根据充电电压和充电电流计算获得充电功率；上述充电功率Pbat通过充电电压和充电电流计算得到充电功率。
在一个实施方式中，实时计算所有功率模块的负载率包括：实时计算每个功率模块的负载率，根据每个功率模块的负载率判断所有功率模块的轻载率。第一阈值为50％。充电桩可提供的功率大于当前待充电动车所需要的输出功率，即轻载，当轻载率大于50％，关断部分模块，保证其他运行模块工作在70％负载率的最优状态，延长模块使用寿命；当轻载率小于50％，可实施每个模块均分功率，实现模块均流，达到负荷最轻，提高功率模块的寿命，对空闲模块直接切除能减少待机功耗。本专利将以轻载率作为检测对象，开启功率模块的切出及投入，有助于柔性功率分配的效率提高。
在一个实施方式中，参见图2，所述充电桩包括中央控制器1、功率模块2、若干切换模块3和若干充电枪4；每个功率模块与唯一切换模块电连接，切换模块与每个充电枪电连接；中央控制器根据功率分配规则通过切换模块为充电枪分配功率模块。可以知道的，如图2所示，切换模块可以将功率模块给任一个充电枪提供充电功率，切换模块可以控制第一个功率模块、第二个功率模块和第三个功率模块给第一个充电枪充电；第四个功率模块和第五个功率模块给第二个充电枪充电等；作为可选的，功率模块有N个，切换模块有N个，充电枪有M个，M小于N。
本实施例方式中，可以通过优先级的列表来表示电动汽车的优先级，其中，优先级的列表的排列顺序为外部终端电池与充电枪连接的先后顺序；若多个电动汽车同时与充电枪相连，充电优先级列表上的排列顺序按照充电枪的编号从小到大排列；若高优先级的外部终端电池完成充电，则低优先级的车辆优先级自动上升一级。
在步骤S8，基于所述充电优先级确定功率分配规则中，本着优先级高的电动汽车被优先分配更多的功率模块/使用最少的功率模块开关切换的原则，确定功率分配规则。
以下本公开的实施方式的技术方案的相关原理和实施方案做再做进一步的说明：
1、国内电动汽车动力电池的主流充电模式是CC-CV(恒流-恒压)模式，实际充电特性曲线如图3所示，图3中示出了时间、电流和电压的关系，包括预充电阶段的时间段[0，t0]、预充电电流I0和预充电电压阈值U0，恒流充电阶段的时间段[t0，t1]、恒定充电电流I1和恒流充电电压，恒压充电阶段的时间段[t1，t2]、最终电池调整电压U1、恒压充电电流。充电初始阶段动力电池需求为大电流恒流充电；随着动力电池端电压的不断升高，充电需求电流慢慢减小，直至充电结束阶段进入小电流的恒压充电模式，针对电池的不同充电阶段采用相应的充电策略，动态调整充电电流，在缓解电池极化效应的同时控制电池温升，有助于提高锂电池的充电效率和电池应用寿命。此外，在充电后期，也即是恒压模式开始之后，充电电流越来越小直至充电完成，当充电电流小到一定的时候，如果计算剩余功率，可能会有空闲模块，将其投入新的充电终端可节省充电时间和充电资源。当充电需求下降到可以减少功率模块的数量就可以满足时，将功率模块切除。低优先级的外部终端电池如果需要，则将切除的功率模块投入，实现概率模块动态切换；若切除的模块没有被利用，则处于待机状态。本公开以恒压充电开始时间为触发条件之一，实时跟踪充电模块功率。
2、用户在充电时，需要上传电动汽车的充电状态和充电期望，充电状态包括电池剩余SOC、电池容量、最高充电电压、最大充电电流、电池类型等；充电期望包括用户预计停车时间、期望最高和最低电池SOC等信息，中央控制器根据这些信息的实时更新来动态调整控制策略。充电状态由BMS通信获得，而用户期望来源于充电设置时的用户输入。
由此，充电需求功率：Pbat＝VbatIbat＝VCIC
其中Vbat是电池充电电压，Ibat是电池充电电流，VC是对应充电枪的输出电压，IC是对应充电枪的充电电流。
充电时间长度可通过预期停驶充电时间、电池SOC、电池容量和充电速率共同决定。如果以CC-CV模式下充电，充电时间长度为：
Figure BDA0002388812080000101
其中，TP为预计充电时间，Tep为用户剩余预期充电时间，SSOC是电池剩余容量(由百分比表示)，100％表示电池已经充满，不需要再充，E为电池容量，对于不同类型的电动汽车，该值是不同的，Pbat是充电功率，其中所述充电状态包括电池剩余容量、电池容量和充电功率。
3)检测实际功率模块的使用情况，对空闲模块进行软关断或开启，使正在运行的模块工作在比较高的效率点，能提高系统转换效率，同时提高直流充电桩的利用率。比如，充电桩可提供的功率大于当前待充电动车所需要的输出功率，即轻载，当轻载率大于50％，关断部分模块，保证其他运行模块工作在70％负载率的最优状态，延长模块使用寿命；当轻载率小于50％，可实施每个模块均分功率，实现模块均流，达到负荷最轻，提高功率模块的寿命，对空闲模块直接切除能减少待机功耗。本专利将以轻载率作为检测对象，开启功率模块的切除及投入，有助于柔性功率分配的效率提高。
4)充电枪分配功率更新源于几个触发条件的发生，一是最大可用功率的更新(本专利以恒压充电时刻为触发源)，二是有电动汽车接入充电或者充电完成。触发条件一出，中央控制器将会重新计算并更新各个充电枪的输出功率，当有较低或较高SOC的车辆突然接入充电或者充电完成离开时，将会打破上次的分配平衡，中央控制器根据所有电动汽车的SOC状态和剩余停车持续时间重新分配每辆电动汽车的充电时间段和充电速率，总之功率分配是动态和实时的，随着充电状态的变化而变化。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (8)

1.一种模块化直流充电桩的柔性功率分配方法，其特征在于，所述充电桩包括至少两个功率模块和至少两个充电枪；所述方法包括：
步骤S1：检测所述充电桩有无电动汽车接入充电或充电完成，若有，则进入步骤S2；
步骤S2：获取用户剩余预期充电时间和充电状态，所述充电状态包括电池剩余容量、电池容量和充电功率；
步骤S3：根据用户剩余预期充电时间和充电状态，确定每辆充电电动汽车的预计充电时间；
步骤S4：根据所述预计充电时间确定每辆充电电动汽车的充电优先级；
步骤S5：实时检测充电电动汽车是否进入恒压充电模式，若是，则进入步骤S6，若否，则执行步骤S8；
步骤S6：实时计算所有功率模块的负载率，并在充电模块的负载率大于预设的第一阈值时，进入步骤S7，在充电模块的负载率小于等于预设的第一阈值时，执行步骤S8；
步骤S7：计算充电桩的剩余功率，根据所述剩余功率确定并切除空闲的功率模块，并进入步骤S2；
步骤S8：基于所述充电优先级确定功率分配规则，根据功率分配规则为充电枪分配功率模块。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据用户剩余预期充电时间和充电状态，确定每辆电动汽车的预计充电时间，包括：
根据如下公式确定电动汽车的预计充电时间；
Figure FDA0002388812070000011
TP为预计充电时间，Tep为用户剩余预期充电时间，SSOC是电池剩余容量，E为电池容量，Pbat是充电功率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述预计充电时间确定每辆充电电动汽车的充电优先级包括：根据预计充电时间长短确定每辆充电电动汽车的充电优先级，其中，预计充电时间越长的充电电动汽车的充电优先级越高。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阈值为50％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时计算所有功率模块的负载率包括：实时计算每个功率模块的负载率，根据每个功率模块的负载率判断所有功率模块的轻载率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充电桩包括中央控制器和切换模块；每个功率模块与唯一切换模块电连接，切换模块与每个充电枪电连接；
所述根据功率分配规则为充电枪分配功率模块包括：中央控制器根据功率分配规则通过切换模块为充电枪分配功率模块。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取用户剩余预期充电时间和充电状态包括：从电池管理系统读取电池剩余容量、电池容量、充电电压和充电电流，根据充电电压和充电电流计算获得充电功率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述充电优先级确定功率分配规则包括：根据预设条件确定功率分配规则，所述预设条件为优先级高的电动汽车被优先分配更多的功率模块以及使用最少的功率模块开关切换。
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