CN111452665B - 一种电动自行车智能充换电柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动自行车智能充换电柜，包括主控板、检测板以及为各充电仓柜配置的仓控板；充电主回路包括充电输入电路和与充电输入电路连接的N个并联的输出支路，所述充换电控制回路包括主控板、检测板和N个仓控板。本发明将原有柜控控制板的功能进行分工设计，分别由主控板、检测板和各仓控板来负责，大大提高了系统通讯的可靠性和稳定性。

Description

一种电动自行车智能充换电柜

技术领域

本发明属于电动自行车充换电技术领域，特别涉及一种安全可靠的电动自行车智能充换电柜。

背景技术

电动自行车是常用的个人出行工具，具有操作简单、使用灵活、成本低等居多优点。目前，电动车正朝着智能化、轻便化、锂电化方向发展，并且随着新国标的实施，大量老旧车辆陆续被淘汰。

德勤预测，电动自行车将成为未来10年最畅销的电动车辆。据统计，2018年我国目前电动自行车的保有量达到了2.5亿量，由此引发的火灾，伤亡人数还有财产损失呈逐年上升趋势，特别是由电动自行车引起的火灾当中有将近9成都造成了人员伤亡。面对如此激增的电动自行车，如何保证电动自行车的使用安全，成为亟需解决的技术问题。

结合图1和图3所示，现有的电动自行车充电系统通讯架构采用一块控制板，集中处理整柜状态量和每个充电仓的状态以及充电策略，由于控制板需要兼负功能太多，导致整个系统稳定性和可靠性较差，特别是仓柜配置较多时，这种缺陷将更加显著，且维护难度和成本也非常大。此外，现有的电动自行车充电主回路中通过交流电能表和断路器与交流电源连接，然后经过充电模块直接连接电池，也存在较多安全隐患。

发明内容

为解决现有电动自行车充电稳定性和可靠性的问题，本发明提出一种安全可靠的电动自行车智能充换电柜，构建一种新型的充电系统通讯架构。

具体技术方案包括：

一种电动自行车智能充换电柜，配置有N个充电仓柜，N为不小于2的整数，所述充换电柜包括充电主回路和充换电控制回路；所述充电主回路包括充电输入电路和与充电输入电路连接的N个并联的输出支路，所述输入电路设有交流电能表和交流接触器，所述输出支路设有充电模块和充电电池；所述充换电控制回路包括主控板、检测板和N个仓控板；所述主控板通过CAN总线或RS485总线与仓控板的第一端口及检测板的第一端口电性连接；所述检测板的第二端口与充电输入电路中配置的交流电能表电性连接，第三端口与充电输入电路中配置的交流接触器电性连接，第四端口与充换电柜柜体内配置的第一检测模块电性连接；所述仓控板的第二端口与其所对应的充电仓柜中的充电模块电性连接，第三端口与其所对应的充电仓柜中的充电电池电性连接，第四端口与其所对应的充电仓柜中配置的第二检测模块电性连接；

所述检测板被构造将获取到的第一检测模块上传的柜体内检测数据以及交流电能表上传的充电模块输入侧充电数据发送至主控板，以及接收主控板发出的指令并控制第一执行模块执行相应的保护动作，所述第一执行模块包括交流接触器；所述主控板被构造为根据接收到的柜体内检测数据生成相应的执行指令并发送至检测板和/或仓控板；所述仓控板被构造为根据获取到的充电电池信息制定充电策略并发送至充电模块，接收充电模块上传的充电数据并发送至主控板，以及根据第二检测模块上传的仓柜内检测数据控制第二执行模块执行相应的保护动作，所述第二执行模块包括充电模块。

作为一种优选方案，所述检测板和仓控板具有遥信检测功能；所述充电模块、交流接触器、第一检测模块、第二检测模块、第一执行模块和第二执行模块均具有触点反馈功能。

作为一种优选方案，所述充电输入电路还设有具有状态反馈功能的漏电保护器和/或防雷器，所述漏电保护器、防雷器与检测板的第五端口电性连接；所述检测板还被构造为将漏电保护器、防雷器反馈的状态数据发送至主控板，所述主控板还被构造为根据接收到的状态数据生成相应的执行指令并发送至检测板和/或仓控板。

作为一种优选方案，所述输出支路中，充电模块输出侧还设有具有状态反馈功能的熔断器，所述熔断器与仓控板的第五端口电性连接；所述仓控板还被构造为根据熔断器反馈的状态数据控制第二执行模块执行相应的保护动作。

作为一种优选方案，所述第一检测模块包括水位传感器、烟雾传感器、整柜温度传感器、维护门限位开关、第一消防灭火装置和散热风机中的至少一种；所述第一执行模块还包括所述散热风机。

作为一种优选方案，所述第二检测模块包括仓柜门锁、第二消防灭火装置、红外传感器、仓柜温度传感器和散热风扇中的至少一种；所述第二执行模块还包括充电仓柜内配置的所述仓柜门锁、散热风扇以及加热超导中的至少一种。

作为一种优选方案，所述充换电控制回路还配置有微型断路器，所述仓控板通过微型断路器与交流电源连接。

作为一种优选方案，所述仓控板的第二端口通过CAN总线或RS485总线连接充电模块，第三端口通过RS485总线连接充电电池。

作为一种优选方案，所述充电模块自带多重保护功能，具有漏电保护、电压异常保护、过流保护和启动前短路保护功能；所述充电模块还自带泄放电路。

作为一种优选方案，电动自行车智能充换电柜还包括人机界面和视频监控系统，所述人机界面通过USB或LVDS与主控板电性连接，所述视频监控系统通过以太网与主控板通讯电性连接；所述主控板还通过4G或5G网络与上行通信单元通讯连接。

有益效果：

本发明通过对现有充换电柜中的系统通讯架构进行改进设计，将原来控制板的功能进行分工设计，分别由主控板、检测板和各仓控板来负责，对于每个不同仓柜的电池，仓控板可以分别进行隔离管理，制定相应的充电策略，并实时监控充电状态，由此大大提高了系统通讯的可靠性和稳定性。

本发明还通过在充电电路中增加交流接触器、防雷器、漏电保护、熔断器等电气元件；采用具备的遥信检测功能的仓控板和检测，以及具有触点反馈功能的漏电保护器、熔断器、交流接触器、防雷器等相关电气元件；采用自带泄放功能和多重保护功能的充电模块等，实现充电电路的多层级保护，大大提高了充换电柜的安全性能。

附图说明

图1是现有技术中充换电柜的系统架构图；

图2是本发明实施例所述的智能充换电柜的系统架构图；

图3是现有技术中充换电柜的电路框图；

图4是本发明实施例所述的智能充换电柜的电路框图。

具体实施方式

本发明所公开安全可靠的电动自行车智能充换电柜(简称充换电柜)，构建了一种新型的系统通讯架构和多层保护模型，明确各个组部件在系统中的分工，并可在电气元件层面能实现电气安全保护，结合柜控主控板、柜控检测板、仓控板、充电电池和充电模块的软硬件通讯以及交流电能表对电气参数的精确监测，多方并行处理来确保充换电柜的安全可靠。

结合图2和图4所示，实施例中公开一种充换电柜(以常见的八仓柜为例)，系统通讯架构主要分为柜控主控板(简称主控板)、柜控检测板(简称检测板)和八个仓控板。该充换电柜在图1所示方案的基础上，将柜控控制板所具有的功能进行分解，分别由主控板、检测板和设置在各仓柜中的仓控板负责完成。

充换电柜中的充电回路主要包括充电主回路和充换电控制回路，充电主回路包括一条位于充电模块输入侧的输入电路以及与输入电路连接的八条并联的输出支路(包含充电模块)，充电主回路的输入端通过供电接口与220V交流电源连接，输出端通过输出支路的充电接口与各仓柜内的充电电池(简称电池)连接。本实施例在图3所示的现有充换电柜的基础上，在充电主回路中增加漏电保护器、防雷器、交流接触器、熔断器，具体可设置为：输入电路按电流走向依次连接防雷器、交流电能表、漏电保护器和交流接触器，输出支路依次连接充电模块、熔断器和电池。本实施例中，充换电控制回路主要由仓控板、主控板和检测板组成，并在充换电控制回路的电源输入端中增加微型断路器，用于控制充换电控制回路通断，另外还配置有为充换电控制回路供电的辅助电源。图4中，虚线表示通讯(双向通信)，细箭头表示控制，虚线+细箭头则表示通讯和控制，仅具有触点反馈的连线图中未示意。本发明从成本考虑，在充电主回路中设置一个防雷器、交流电能表、漏电保护器和交流接触器，将充电模块、熔断器和电池按照1：1配置，即一个仓柜中配置一个充电模块、一个熔断器和一块电池。

充电主回路中，各充电模块均自带多重保护功能，包括漏电保护、电压异常保护、过流保护和启动前短路保护功能。各充电模块还自带泄放电路，以便在充电结束后进行电压泄放，防止接口带电。交流接触器用于控制充电主回路中充电模块输入侧的通断，以实现应急状态下迅速切断，减少待机损耗。在待机运行时，通过交流接触器断开充电模块输入侧的输入电路使充电模块失电，可以达到省电节能的效果。交流接触器还可以作为一种“急停”按钮，在需要断开或恢复输入电路时，通过交流接触器即可实现，且该操作普通用户就能完成操作，而无需操作漏电保护器，提高使用便利性，也减小了运维人员的工作量。此外，在出现异常状况需要停止充电时，既可以通过漏电保护器断电，也可以通过交流接触器急停，防止在漏电保护器出现故障时，无法停止充电的安全隐患，进一步提高了输入侧电路的安全性。防雷器主要用于防止雷击损坏设备绝缘。熔断器主要用于过流或短路时进行保护。进一步的，还可在充换电柜上设置与检测板连接的急停按钮(简称急停)，主要用于发生突发情况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。急停是人为去操作，不受主控板、检测板或其他控制器的控制。急停被按下后，对应的急停状态检测信号反馈给检测板。

充电主回路中的交流电能表和充电模块作为充电回路的计量单元，其中：交流电能表主要用于检测充电模块输入侧的电压、总电流和功率等充电数据，并将上述充电数据反馈至检测板，继而再由检测板上传至主控板；各个仓柜中的充电模块用于检测输出侧的最高电压、总电流和功率值等充电数据，并将上述充电数据反馈至仓控板，继而上传至主控板。

在充换电控制回路中，主控板是整个充换电柜的控制中枢，通过CAN总线(优选)或RS485总线与检测板和仓控板通讯连接。主控板还可通过4G或5G等网络与上一级平台(即上行通信单元，通常包括运营平台和运维平台)通讯连接，将相关数据上传至上一级平台；主控板还可通过LVDS或USB接口连接人机界面，通过以太网连接视频监控系统。

检测板主要连接充电主回路中的交流电能表、防雷器、漏电保护器、交流接触器和急停，以及位于充换电柜柜体内的第一检测模块。第一检测模块主要包括位于整柜内用于水位状态检测的水位传感器、用于烟感状态检测的烟雾传感器、用于整柜温度检测的温度传感器、用于维护门开关状态检测的维护门限位开关，以及带有消防状态反馈功能的灭火球和带有启停状态反馈功能的散热风机。散热风机同时还作为执行模块，检测板还用于控制散热风机、交流接触器等第一执行模块执行相应的保护动作。

仓控板与仓柜内的电池、充电模块通讯连接，根据获取的电池信息制定充电策略并发送至充电模块由其执行，同时还将获取的充电过程数据上传至主控板，再由主控板传至相关平台。具体的，仓控板通过电池内配置的BMS(电池管理系统)实时获取电池信息，包括单芯温度、单芯电压、电池SN码、总电压等，根据单芯温度和单体电压以及电芯种类等参数，制定相应的充电策略(包括电压、电流设定值等)，并发送至充电模块；充电模块根据充电策略中的电压、电流设定值进行充电，并同时将其工作参数上送至仓控板，包括电压、电流工作值、状态等。仓控板还与输出支路中的熔断器以及仓柜内的第二检测模块连接。第二检测模块主要包括用于检测仓柜内温度的温度传感器、用于红外检测的红外传感器、带有仓门状态反馈功能的仓柜门锁、带有消防状态反馈功能的灭火球，以及安装在仓柜内的带有启停状态反馈功能的散热风扇。仓柜门锁、散热风扇同时还作为执行模块，仓控板还用于控制充电模块、仓柜门锁、散热风扇和加热超导(加热器)等第二执行模块执行相应的保护动作。

基于上述系统通讯架构，检测板接收防雷器、漏电保护器、交流接触器、急停和第一检测模块发送的状态数据以及交流电能表上传的充电模块输入侧检测数据并反馈给主控板，由主控板生成相应的执行指令，并通过检测板控制第一执行模块执行相应的保护动作或通过仓控板转发至执行指令至充电模块进行执行。仓控板接收第二检测模块发送的状态数据，分析处理后，控制第二执行模块执行相应的保护动作，以及根据充电电池上传的电池信息制定充电策略并发送至充电模块，并将充电模块上传的充电数据发送至主控板。本发明的这种系统通讯架构和分工方式较为清晰、合理，易于实现今后不断增加的仓柜，完成多柜互联。

举例说明，安装在户外的充换电柜，雨天雨水漫进柜体内，水位传感器检测到有水进入后，将水位状态数据传送至与之相连的检测板，检测板通过报文方式将水位数据上报给主控板，主控板经过处理后立即制定相应的执行指令。如果是在待机状态，则直接发送断开交流接触器的指令给检测板，由检测板执行断开交流接触器的操作，从而控制交流接触器处于断开状态；如果在充电中，主控板先发送关闭充电模块的停机指令给各仓控板，再由仓控板发送停机指令给与其连接的充电模块，最后由充电模块自身去执行关机命令，紧接着主控板发送断开交流接触器的指令给检测板，由检测板去执行断开的操作。又例如，3号仓柜正在充电时，仓控板通过与之相连的仓柜温度传感器获取到温度值，与预设的阈值(例如，5℃)比较后，判断仓内温度低于阈值，仓控板通过启动加热超导控制加热器电源导通并开始工作，使得仓柜内温度逐渐上升，加热到一定温度后，仓控板关闭加热超导。

本实施例中，充电模块可选用自带多重保护特性的器件类型，包括漏电保护、电压异常保护、过流保护和启动前短路保护功能等，并能将这些状态反馈给与其连接的仓控板，以实现对充换电柜的多重保护。检测板具有遥信检测功能，与其连接的第一检测模块、第一执行模块均带有触点反馈功能。仓控板同样也具有遥信检测功能，与其连接的第二检测模块和第二执行模块也带有触点反馈功能。基于各电气元件自带的触点反馈功能，检测板和仓控板能通过遥信检测实时监测与其连接的各电气元件的状态，判断其状态是否匹配预设状态或预设充电状态，并在不匹配时即时作出相应的反应策略，同时还能判断电气元件的健康度(主要是指是否有黏黏)。

下面对实施例所述的智能充换电柜的工作原理进行简要说明：

为响应节能减排，交流接触器在待机状态下处于断开状态，充电主回路不导通，充电模块失电，充电控制主回路中，主控板、仓控板、检测板和上行通信单元保持上电。主控板通过上行通信单元即时向上一级平台上传各充电电路中相关数据信息，主要包括电路的运行状态及一些异常状况，例如，交流电能表通讯、急停按钮状态等等，使得整个待机功耗处于最低水平。

工作时，在此过程中，仓控板通过与BMS通信获取电池的充电参数，将充电模块输入和输出端的电压、电流检测值、以及充电模块反馈的电压、电流输出值等上报给主控板，由主控板上报至上一级平台。具体的，电池放入仓内，仓内的红外传感器检测到电池放入，立即将此状态反馈给仓控板；紧接着，仓门被关上，仓柜门锁也会立即将此仓门状态反馈给仓控板，仓控板检测到电池被放入并且门被关上后，开始和电池进行通讯，获取电池的基本参数，包括电池SOC、单体电压、电芯温度等数据后，开始制定相应充电策略，并将相关指令发送至充电模块；充电模块正常输出后，将相应的输出电压值和输出电流值发送给仓控板，仓控板接收到这些数据，将其转发给主控板，再由主控板上报至上一级平台。充电一定时间后，温度开始上升，检测板通过整柜内的温度传感器检测到整柜温度内温度达到一定阈值时，通过报文发送给主控板，主控板命令检测板开启散热风机，检测板开始执行相应动作，然后散热风机被启动。仓柜中散热风扇的启动由仓控板控制执行，启动过程与上述过程类似，此处不再赘述。

在上述过程中(包括待机状态和充电状态)，检测板和仓控板还会遥信检测与其连接的电气元件的健康状态，一旦检测到有器件黏黏，立刻命令充换电柜停止充电服务，同时将故障信息上传至主控板，通过与主控板连接的人机界面显示故障信息，并上送至上一级平台。例如，检测板通过遥信检测功能检测到与其电连接的交流接触器发生黏黏时，将故障信息发送至主控板，由主控板发送充换电柜故障信息显示在显示屏上，并控制充换模块停止充电服务，同时上报给相关平台，等待人工处理。由此，很好地杜绝了因器件黏黏可能造成的安全隐患。

综上可见，本发明通过对现有的充换电柜的系统架构及充电电路进行改进，可从各个维度对充换电柜进行保护，形成清晰的模块化系统通讯架构、形成多层次的保护机制，大大提升充电换电柜及使用过程的安全性，完全符合相关标准的要求，同时也可以更加精确的判断设备运行状态和更稳定地执行保护措施，从而提高了电气安全保护的完备性、实时性、准确性和环境适应性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电动自行车智能充换电柜，配置有N个充电仓柜，N为不小于2的整数，其特征在于，所述充换电柜包括充电主回路和充换电控制回路；

所述充电主回路包括充电输入电路和与充电输入电路连接的N个并联的输出支路，所述输入电路设有交流电能表和交流接触器，所述输出支路设有充电模块和充电电池；

所述充换电控制回路包括主控板、检测板和N个仓控板；所述主控板通过CAN总线或RS485总线与仓控板的第一端口及检测板的第一端口电性连接；所述检测板的第二端口与充电输入电路中配置的交流电能表电性连接，第三端口与充电输入电路中配置的交流接触器电性连接，第四端口与充换电柜柜体内配置的第一检测模块电性连接；所述仓控板的第二端口与其所对应的充电仓柜中的充电模块电性连接，第三端口与其所对应的充电仓柜中的充电电池电性连接，第四端口与其所对应的充电仓柜中配置的第二检测模块电性连接；

所述检测板被构造将获取到的第一检测模块上传的柜体内检测数据以及交流电能表上传的充电模块输入侧充电数据发送至主控板，以及接收主控板发出的指令并控制第一执行模块执行相应的保护动作，所述第一执行模块包括交流接触器；所述主控板被构造为根据接收到的柜体内检测数据生成相应的执行指令并发送至检测板和/或仓控板；所述仓控板被构造为根据获取到的充电电池信息制定充电策略并发送至充电模块，接收充电模块上传的充电数据并发送至主控板，以及根据第二检测模块上传的仓柜内检测数据控制第二执行模块执行相应的保护动作，所述第二执行模块包括充电模块。

2.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述检测板和仓控板具有遥信检测功能；所述充电模块、交流接触器、第一检测模块、第二检测模块、第一执行模块和第二执行模块均具有触点反馈功能。

3.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述充电输入电路还设有具有状态反馈功能的漏电保护器和/或防雷器，所述漏电保护器、防雷器与检测板的第五端口电性连接；所述检测板还被构造为将漏电保护器、防雷器反馈的状态数据发送至主控板，所述主控板还被构造为根据接收到的状态数据生成相应的执行指令并发送至检测板和/或仓控板。

4.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述输出支路中，充电模块输出侧还设有具有状态反馈功能的熔断器，所述熔断器与仓控板的第五端口电性连接；所述仓控板还被构造为根据熔断器反馈的状态数据控制第二执行模块执行相应的保护动作。

5.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述第一检测模块包括水位传感器、烟雾传感器、整柜温度传感器、维护门限位开关、第一消防灭火装置和散热风机中的至少一种；所述第一执行模块还包括所述散热风机。

6.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述第二检测模块包括仓柜门锁、第二消防灭火装置、红外传感器、仓柜温度传感器和散热风扇中的至少一种；所述第二执行模块还包括充电仓柜内配置的所述仓柜门锁、散热风扇以及加热超导中的至少一种。

7.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述充换电控制回路还配置有微型断路器，所述仓控板通过微型断路器与交流电源连接。

8.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述仓控板的第二端口通过CAN总线或RS485总线连接充电模块，第三端口通过RS485总线连接充电电池。

9.如权利要求1所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，所述充电模块自带多重保护功能，具有漏电保护、电压异常保护、过流保护和启动前短路保护功能；所述充电模块还自带泄放电路。

10.如权利要求1至9任意一项所述的电动自行车智能充换电柜，其特征在于，还包括人机界面和视频监控系统，所述人机界面通过USB或LVDS与主控板电性连接，所述视频监控系统通过以太网与主控板通讯电性连接；所述主控板还通过4G或5G网络与上行通信单元通讯连接。

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