CN111645559B - 一种电动私家车有序充电控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动私家车有序充电控制系统，包括电网、电动汽车、上位机以及一一对应的充电桩和插枪，所述的充电桩设置多个，分别与上位机连接，包括与插枪连接的继电器以及分别与继电器连接的单片机、放电接口和充电接口，所述的放电接口和充电接口分别接入电网，所述的单片机与上位机连接，所述的电动汽车包括相互连接的蓄电池、采集模块和控制模块，所述的插枪在电动汽车充/放电时与控制模块连接，与现有技术相比，本发明具有有效缓解电网负荷、提高经济性和安全性等优点。

Description

一种电动私家车有序充电控制系统和方法
技术领域
本发明涉及电动汽车充电领域，尤其是涉及一种电动私家车有序充电控制系统和方法。
背景技术
电动汽车的发展规模是影响充电功率需求的主要因素之一，在单台电动汽车日充电功率一定的情况下，电动汽车规模越大，总充电功率需求越大，对电网的影响也越大。在我国，电动汽车主要可以分为公交车、出租车、公务车和私家车，在各类电动汽车中，用电负荷量从大到小依次为：私家车>公务车>公交车>出租车，负荷峰值从高到低排序依次为：私家车>公交车>公务车>出租车。
电动私家车的使用在时间和空间上具有随机性和相似性，充电时间、地点和容量的无序叠加，可随电网造成影响，产生“峰上加峰”的情况，因此电动私家车规模化充电对电网的冲击很大，不利于维持电网稳定安全运行，也不利于车主的充电经济性，电动汽车与普通负荷有所区别，其电池储能特性决定了电动汽车可在电网负荷低谷时段获取电能维持自身运行，并将多余电能在用电紧张时段反馈电网，而私家车充电时间灵活、易于调度，所以针对电动私家车参与电力系统负荷调度具有重要的现实意义，无序充电使电网峰谷差和均方差增大，负荷率降低，影响电网安全、经济、稳定运行。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效缓解电网负荷的电动私家车有序充电控制系统和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电动私家车有序充电控制系统，包括电网、电动汽车、上位机以及一一对应的充电桩和插枪，所述的充电桩设置多个，分别与上位机连接，包括与插枪连接的继电器以及分别与继电器连接的单片机、放电接口和充电接口，所述的放电接口和充电接口分别接入电网，所述的单片机与上位机连接，所述的电动汽车包括相互连接的蓄电池、采集模块和控制模块，所述的插枪在电动汽车充/放电时与控制模块连接；
在调度时段内，所述的上位机根据电动私家车调度模型判断各充电桩的充/放电状态并发送控制信号，所述的单片机接收控制信号并通过继电器控制插枪与放电接口或充电接口连通，控制充电桩的充/放电状态，所述的采集模块获取蓄电池参数信息，所述的控制模块根据蓄电池参数信息和充电桩的充/放电状态，控制蓄电池的充/放电状态。
进一步地，所述的充电桩还包括人机交互面板，所述的人机交互面板与单片机连接；
在非调度时段内，所述的人机交互面板根据用户输入信息发送控制信号，所述的单片机接收控制信号并通过继电器控制插枪与放电接口或充电接口连通，控制充电桩的充/放电状态。
根据电动私家车的出行特点，可以设置调度时段为17:00-次日7:00，剩下时间为非调度时段，在调度时段内，电动私家车连接充电桩后，充电和放电状态由上位机调度，非调度时段内，电动私家车车主可通过人机交互面板选择充电或放电。
优选地，所述的采集模块包括电流采集单元、电压采集单元和温度传感器，所述的电流采集单元包括霍尔传感器，所述的电压采集单元包括光电耦合器和运算放大器。
进一步优选地，所述的霍尔传感器的型号为ACS712，所述的光电耦合器的芯片型号为CNR201，所述的运算放大器的芯片型号为LMV321，所述的继电器为JDQ-008W网络继电器。
进一步优选地，所述的放电接口包括相互连接的YM1LE-63三相自动保护器和W5000-DT逆变模块，所述的充电接口包括相互连接的YM1LE-63三相自动保护器和VD-15-750-RM直流模块。
一种如所述的电动私家车有序充电控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：单片机判断当前时刻是否处于调度时段，若是，则执行步骤S2，否则执行步骤S3；
S2：工控机获取调度参数，并根据电动私家车调度模型判断各充电桩的充/放电状态，并发送控制信号，单片机接收工控机的控制信号，控制充电桩的充/放电状态；
S3：人机交互面板获取用户输入信息并发送控制信号，单片机接收人机交互面板的控制信号，控制充电桩的充/放电状态；
S4：采集模块获取蓄电池参数信息，控制模块根据蓄电池参数信息和充电桩的充/放电状态控制蓄电池的充/放电状态。
进一步地，所述的调度参数包括当前电网负荷和所有与充电桩连接的电动汽车中蓄电池的电池荷电状态。
进一步地，所述的电动私家车调度模型的目标函数为：
其中，R1为电网侧第一目标函数，R2为电网侧第二目标函数，R3为用户侧目标函数，PLj为电网j时段功率，Pi,j为第i电动汽车在j时段功率，L'Ave为电动汽车参与调度后的电网日平均负荷，L'max为调度后电网最大负荷，n为电动汽车数量，R1为电网侧第一目标函数，Cf,j为电动汽车在j时段充放电电价，Ci,θ为一天中第i辆电动汽车第θ次放电的损耗成本，ψ(i)为第i辆车在一天中的放电总次数，α1为电网侧第一目标函数的权重系数，α2为电网侧第二目标函数的权重系数，α3为用户侧目标函数的权重系数，且α1+α2+α3＝1，为小区日前负荷均方差，/>为电动汽车未参与调度时的充电成本。
进一步地，所述的电动私家车调度模型的约束条件包括充放电功率约束、电池可用容量约束、电动汽车次日出行需求约束和充放电守恒约束，所述的充放电功率约束的表达式为：
PL＜Pi,j＜PH
其中，PH为电动汽车最大充电功率，PL为电动汽车最大放电功率；
所述的电池可用容量约束的表达式为：
Socmin＜Soci,j＜Socmax
其中，Soci,j为第i辆电动汽车在第j时段的电池荷电状态，Socmin和Socmax分别为电动汽车荷电状态的上下限；
所述的电动汽车次日出行需求约束的表达式为：
其中，Si为电动汽车i的日行驶里程，W100为电动汽车百公里耗电量，为充放电效率；
所述的充放电守恒约束的表达式为：
其中，Qchi为电池标准容量。
进一步优选地，所述的工控机通过粒子群优化算法，根据目标函数和约束条件得到优化调度方案，判断各充电桩的充/放电状态，所述的粒子群优化算法中，粒子的每一维为每一辆电动汽车每一时段的充放电功率。
更进一步地，所述的蓄电池参数信息包括电流、电压、电荷量和温度；
当电流、电压和温度超过设定阈值时，所述的控制模块停止蓄电池的充电或放电；
当电荷量达到100％时，所述的控制模块停止蓄电池的充电；
当电荷量低于30％时，所述的控制模块停止蓄电池的放电。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明将多个充电桩与上位机连接，通过电动私家车调度模型实现各充电桩的充/放电状态切换，同时考虑多个约束条件和目标函数，得到优化的调度方案，调度方案考虑全面，最大程度减少电动私家车对电网负荷的冲击，同时实现“削峰填谷”的效果；
2)本发明中，在调度时段内，上位机发送控制信号后通过单片机实现控制，非调度时段内车主可自行选择充电和放电，灵活性高，提高电动汽车的充放电经济性；
3)本发明中电动汽车的控制模块根据蓄电池的温度、电压、电荷量和电流，控制蓄电池的充放电状态，配合充电桩充/放电状态的同时，保护蓄电池寿命并保证电动汽车的续航能力，安全性高。
附图说明
图1为本发明系统的整体结构示意图；
图2为电动私家车中控制模块与蓄电池和采集模块的连接示意图；
图3为本发明系统的控制方法流程示意图；
图4所示为无序充放电下电网负荷曲线；
图5为本发明系统的调度下无序充放电下电网负荷曲线；
图6为现有有序充放电调度策略下电网负荷曲线。
其中，1、电网，2、充电桩，21、单片机，22、放电接口，23、充电接口，24、继电器，25、人机交互面板，3、上位机，4、插枪，5、电动汽车，51、控制模块，52、采集模块，53、蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供一种电动私家车有序充电控制系统，包括电网1、电动汽车5、上位机3以及一一对应的充电桩2和插枪4。
充电桩2设置多个，分别与上位机3连接，包括人机交互面板25、与插枪4连接的继电器24以及分别与继电器24连接的单片机21、放电接口22和充电接口23，放电接口22和充电接口23分别接入电网1，单片机21分别与上位机3和人机交互面板25连接，电动汽车5包括相互连接的蓄电池53、采集模块52和控制模块51，插枪4在电动汽车5充/放电时与控制模块51连接；
在调度时段内，上位机3根据电动私家车调度模型判断各充电桩2的充/放电状态并发送控制信号；在非调度时段内，人机交互面板25根据用户输入信息发送控制信号。
单片机21接收控制信号并通过继电器24控制插枪4与放电接口22或充电接口23连通，控制充电桩2的充/放电状态，采集模块52获取蓄电池53参数信息，控制模块51根据蓄电池53参数信息和充电桩2的充/放电状态，控制蓄电池53的充/放电状态。
采集模块52包括电流采集单元、电压采集单元和温度传感器，电流采集单元包括ACS712霍尔传感器，电压采集单元包括光电耦合器CNR201芯片和运算放大器LMV321芯片，采集模块52获取蓄电池53的电流、电压、电荷量和温度，当电流、电压和温度超过设定阈值时，控制模块51停止蓄电池53的充电或放电；当电荷量达到100％时，控制模块51停止蓄电池53的充电；当电荷量低于30％时，控制模块51停止蓄电池53的放电。
如图2所示，控制模块51包括MCU控制芯片以及相互连接的驱动电路和切换电路，驱动电路与MCU控制芯片连接，设置两个三极管Q3和Q4，切换电路设置两个对应的场效应管Q1和Q2，型号均为IRF650A。该模块通过MCU控制芯片端口发送的高/低电平电压信号来控制三极管Q3和Q4的关断，当MCU控制芯片发送高电平信号至A1引脚或A2引脚时，对应的三极管处于导通状态，不能驱动对应场效应管工作，对应场效应管处于导通状态；当MCU控制芯片发送低电平信号至A1引脚或A2引脚时，对应的三极管处于截止状态，驱动对应场效应管工作，对应场效应管处于截止状态，对应的电路断开，从而有效控制蓄电池53的充放电状态。
本实施例的充电桩2中，放电接口22包括相互连接的YM1LE-63三相自动保护器和W5000-DT逆变模块，充电接口23包括相互连接的YM1LE-63三相自动保护器和VD-15-750-RM直流模块，继电器24为JDQ-008W网络继电器。YM1LE-63三相自动保护器可以实现过载保护。
如图3所示，本发明还提供一种电动私家车有序充电控制方法，括以下步骤：
S1：单片机21判断当前时刻是否处于调度时段，若是，则执行步骤S2，否则执行步骤S3；
S2：工控机3获取调度参数，并根据电动私家车调度模型判断各充电桩2的充/放电状态，并发送控制信号，单片机21接收工控机3的控制信号，控制充电桩2的充/放电状态；
S3：人机交互面板25获取用户输入信息并发送控制信号，单片机21接收人机交互面板25的控制信号，控制充电桩2的充/放电状态；
S4：采集模块52获取蓄电池53参数信息，控制模块51根据蓄电池53参数信息和充电桩2的充/放电状态控制蓄电池53的充/放电状态。
其中，调度参数包括当前电网负荷和所有与充电桩2连接的电动汽车5中蓄电池53的电池荷电状态；
工控机3通过粒子群优化算法(PSO)，根据目标函数和约束条件得到优化调度方案，判断各充电桩2的充/放电状态，所述的粒子群优化算法中，粒子的每一维为每一辆电动汽车每一时段的充放电功率，也可优选采用两群协作粒子群算法(two-groupcollaboration particle swarm optimization，TCPSO)。该算法将粒子群平均分为两个子群，一个主群，一个辅群。总共进行偶数次迭代，在奇数次辅群根据标准粒子群的速度位置更新公式更新粒子寻优，在偶数次主群通过辅群提供的信息，寻得最优解。
其中，电动私家车调度模型的目标函数为：
其中，R1为电网侧第一目标函数，R2为电网侧第二目标函数，R3为用户侧目标函数，PLj为电网j时段功率，Pi,j为第i电动汽车在j时段功率，正值为充电，负值为放电，L'Ave为电动汽车参与调度后的电网日平均负荷，L'max为调度后电网最大负荷，n为电动汽车数量，R1为电网侧第一目标函数，Cf,j为电动汽车在j时段充放电电价，Ci,θ为一天中第i辆电动汽车第θ次放电的损耗成本，ψ(i)为第i辆车在一天中的放电总次数，α1为电网侧第一目标函数的权重系数，α2为电网侧第二目标函数的权重系数，α3为用户侧目标函数的权重系数，且α1+α2+α3＝1，为小区日前负荷均方差，/>为电动汽车未参与调度时的充电成本。
本实施例中，电网侧第一目标函数的权重系数α1、电网侧第二目标函数的权重系数α2和用户侧目标函数的权重系数α3的取值为(0.2，0.4，0.4)。
电网侧第一目标函数为日负荷率最高，日负荷率指日平均负荷与最大负荷的比率的物理量，负荷率越高，系统电气设备利用程度越高，电网经济性越好。电网侧第二目标函数为电网负荷均方差最小，负荷均方差可用作表征电网负荷的波动情况，均方差越小，负荷曲线越平稳。结合充放电电价制度，综合衡量电动汽车车主充电花费和放电收益，以车主充电成本最低作为用户侧目标函数。
电动私家车调度模型的约束条件包括充放电功率约束、电池可用容量约束、电动汽车次日出行需求约束和充放电守恒约束，充放电功率约束的表达式为：
PL＜Pi,j＜PH
其中，PH为电动汽车最大充电功率，为正值，PL为电动汽车最大放电功率，为负值；
电池可用容量约束的表达式为：
Socmin＜Soci,j＜Socmax
其中，Soci,j为第i辆电动汽车在第j时段的电池荷电状态，Socmin和Socmax分别为电动汽车荷电状态的上下限，本实施例中，为保证车主行驶需求，同时考虑电池充放电的安全性以及深度放电时的电池损耗较大，Socmin取值为0.3，Socmax取值为1；
电动汽车次日出行需求约束的表达式为：
其中，Si为电动汽车i的日行驶里程，W100为电动汽车百公里耗电量，为充放电效率，本实施例中，充放电效率/>取值为0.9；
充放电守恒约束的表达式为：
其中，Qchi为电池标准容量。
本实施例中，以某住宅小区内电动私家车参与充放电调度为例进行仿真，小区规模为400户，包含四类典型用电特征家庭用户：A型空置房用户(10％)，B型老人家庭用户(25％)，C型上班族家庭用户(30％)，D型老人+上班族家庭用户(35％)。考虑到参与调度对象主要是上班族，以及当前电动私家车的渗透率较低，选取100辆电动私家车参与调度。
根据车主传统出行习惯，设定电动私家车参与调度的时段从17:00～次日7:00，其余时间电动汽车充放电功率为零，蒙特卡洛法抽取单辆电动汽车的日行驶里程。电动汽车的电池参数设定标准容量为24kW·h。
如图4所示，为无序充放电下电网负荷曲线，无序充电使电网峰谷差和均方差增大，负荷率降低，影响电网安全、经济、稳定运行。
图5为本发明系统的调度下无序充放电下电网负荷曲线，即调度时段从17:00～次日7:00，以日负荷率最高、均方差最小和用户成本最低为目标，进行多次充放电，本发明使原来电网峰值540kW降低到492kW，电网负荷最低点265kW升高至315kW，能够有效平抑电网负荷波动，减小峰谷差和均方差，提高负荷率，实现了电网的削峰填谷。
图6为现有有序充放电调度策略下电网负荷曲线，该调度策略为17:00-24:00放电，00:00-7:00充电，其余时间不参与调度，且充放电每天都只进行一次，充电充满为止、放电至电池容量下限SOC＝30％，该策略的最低点负荷仅为221kW，同时，凌晨电动汽车集体充电使原来的负荷低谷变为负荷高峰，达到515kW，电网负荷率提高5.4％，均方差减小5.2％，但是峰谷差增大6.9％，在提高电网负荷率和减小均方差方面能力较弱，优势不足。而且晚高峰时段大量电动汽车放电产生新的负荷低谷，凌晨时段由原来的负荷低谷段变为新的负荷高峰段，峰谷差不减反增。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电动私家车有序充电控制系统的控制方法，其特征在于，控制系统包括电网(1)、电动汽车(5)、上位机(3)以及一一对应的充电桩(2)和插枪(4)，所述的充电桩(2)设置多个，分别与上位机(3)连接，包括与插枪(4)连接的继电器(24)以及分别与继电器(24)连接的单片机(21)、放电接口(22)和充电接口(23)，所述的放电接口(22)和充电接口(23)分别接入电网(1)，所述的单片机(21)与上位机(3)连接，所述的电动汽车(5)包括相互连接的蓄电池(53)、采集模块(52)和控制模块(51)，所述的插枪(4)在电动汽车(5)充/放电时与控制模块(51)连接，所述的采集模块(52)包括电流采集单元、电压采集单元和温度传感器，所述的电流采集单元包括霍尔传感器，所述的电压采集单元包括光电耦合器和运算放大器；
在调度时段内，所述的上位机(3)根据电动私家车调度模型判断各充电桩(2)的充/放电状态并发送控制信号，所述的单片机(21)接收控制信号并通过继电器(24)控制插枪(4)与放电接口(22)或充电接口(23)连通，控制充电桩(2)的充/放电状态，所述的采集模块(52)获取蓄电池(53)参数信息，所述的控制模块(51)根据蓄电池(53)参数信息和充电桩(2)的充/放电状态，控制蓄电池(53)的充/放电状态；
控制方法包括以下步骤：
S1：单片机(21)判断当前时刻是否处于调度时段，若是，则执行步骤S2，否则执行步骤S3；
S2：上位机(3)获取调度参数，并根据电动私家车调度模型判断各充电桩(2)的充/放电状态，并发送控制信号，单片机(21)接收上位机(3)的控制信号，控制充电桩(2)的充/放电状态；
S3：人机交互面板(25)获取用户输入信息并发送控制信号，单片机(21)接收人机交互面板(25)的控制信号，控制充电桩(2)的充/放电状态；
S4：采集模块(52)获取蓄电池(53)参数信息，控制模块(51)根据蓄电池(53)参数信息和充电桩(2)的充/放电状态控制蓄电池(53)的充/放电状态；
所述的电动私家车调度模型的目标函数为：
其中，R1为电网侧第一目标函数，R2为电网侧第二目标函数，R3为用户侧目标函数，PLj为电网j时段功率，Pi,j为第i电动汽车在j时段功率，L'Ave为电动汽车参与调度后的电网日平均负荷，L'max为调度后电网最大负荷，n为电动汽车数量，Cf,j为电动汽车在j时段充放电电价，Ci,θ为一天中第i辆电动汽车第θ次放电的损耗成本，ψ(i)为第i辆车在一天中的放电总次数，α1为电网侧第一目标函数的权重系数，α2为电网侧第二目标函数的权重系数，α3为用户侧目标函数的权重系数，且α1+α2+α3＝1，为小区日前负荷均方差，/>为电动汽车未参与调度时的充电成本。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的充电桩(2)还包括人机交互面板(25)，所述的人机交互面板(25)与单片机(21)连接；
在非调度时段内，所述的人机交互面板(25)根据用户输入信息发送控制信号，所述的单片机(21)接收控制信号并通过继电器(24)控制插枪(4)与放电接口(22)或充电接口(23)连通，控制充电桩(2)的充/放电状态。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述的霍尔传感器的型号为ACS712，所述的光电耦合器的芯片型号为CNR201，所述的运算放大器的芯片型号为LMV321。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的继电器(24)为JDQ-008W网络继电器。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的放电接口(22)包括相互连接的YM1LE-63三相自动保护器和W5000-DT逆变模块，所述的充电接口(23)包括相互连接的YM1LE-63三相自动保护器和VD-15-750-RM直流模块。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的电动私家车调度模型的约束条件包括充放电功率约束、电池可用容量约束、电动汽车次日出行需求约束和充放电守恒约束，所述的充放电功率约束的表达式为：
PL＜Pi,j＜PH
其中，PH为电动汽车最大充电功率，PL为电动汽车最大放电功率；
所述的电池可用容量约束的表达式为：
Socmin＜Soci,j＜Socmax
其中，Soci,j为第i辆电动汽车在第j时段的电池荷电状态，Socmin和Socmax分别为电动汽车荷电状态的上下限；
所述的电动汽车次日出行需求约束的表达式为：
其中，Si为电动汽车i的日行驶里程，W100为电动汽车百公里耗电量，为充放电效率；
所述的充放电守恒约束的表达式为：
其中，Qchi为电池标准容量。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述的调度参数包括当前电网负荷和所有与充电桩(2)连接的电动汽车(5)中蓄电池(53)的电池荷电状态；
所述的上位机(3)通过粒子群优化算法，根据目标函数和约束条件得到优化调度方案，判断各充电桩(2)的充/放电状态，所述的粒子群优化算法中，粒子的每一维为每一辆电动汽车每一时段的充放电功率。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的蓄电池(53)参数信息包括电流、电压、电荷量和温度；
当电流、电压和温度超过设定阈值时，所述的控制模块(51)停止蓄电池(53)的充电或放电；
当电荷量达到100％时，所述的控制模块(51)停止蓄电池(53)的充电；
当电荷量低于30％时，所述的控制模块(51)停止蓄电池(53)的放电。
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