CN111993944B - 一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，包括计量模块、充电模块、充电监测模块、边缘计算模块、充电控制模块、用户交互模块和通信模块，其中：计量模块，分别与充电监测模块和边缘计算模块相连接；充电模块，分别与充电监测模块和充电控制模块相连接，用于对电动汽车进行充电；充电监测模块与边缘计算模块相连接；边缘计算模块，分别与充电控制模块和通信模块相连接；充电控制模块，分别与用户交互模块和通信模块相连接；用户交互模块，用于接收用户输入的充电控制命令；通信模块，与远方控制中心相连接。本发明将边缘计算功能和通信功能集成进充电桩内，让充电桩具备数据存储、统计、分析、计算与通信的能力，具有重大实践意义。

Description

一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩

技术领域

本发明涉及智能电动汽车充电桩技术领域，特别是涉及一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩。

背景技术

目前，由于空气污染严重，世界各国都在大力预防和治理大气污染问题。其中，燃油车尾气是大气污染物的一个重要来源，因此，电动汽车凭借着零排放的优势，保有量得到迅速增大。

大量的电动汽车，自然需要大量的电动汽车充电站。目前的电动汽车充电站仅仅具备基本的充电功能，无法对其进行统一的管理，无法对电动汽车的充电进行优化控制，当大量的电动汽车接入电网充电时，不可控的随机充电负荷，会给电网带来不利的影响。

随着5G通信技术的普及，即将进入万物互联的时代，未来必然需要对大量的电动汽车充电桩进行统一的管理。如果所有的充电桩都通过通信线路，将实时采集的信息上送至远方控制中心，必将对通信可靠性及远方控制中心的信息处理能力提出了更高的要求，从安全、可靠和经济的角度看，这种方案并不可行。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩。

为此，本发明提供了一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，包括计量模块、充电模块、充电监测模块、边缘计算模块、充电控制模块、用户交互模块和通信模块，其中：

计量模块，分别与充电监测模块和边缘计算模块相连接，用于接收充电监测模块发来的充电时间和充电功率信息，然后根据所述充电时间和充电功率信息，进行充电电量的计量和电费的计算，然后将计量计算结果，发送至边缘计算模块中存储；

充电模块，分别与充电监测模块和充电控制模块相连接，用于对电动汽车进行充电，以及获取电动汽车的实时充电信息，然后传输给充电监测模块；同时，还用于接收来自充电控制模块的控制命令，根据该控制指令，对应执行对电动汽车的充电启停控制操作以及充电功率大小的控制；

充电监测模块，与边缘计算模块相连接，用于实时接收所述充电模块发来的实时充电信息，并将这些信息通过内部总线，分别传送至边缘计算模块及计量模块；

边缘计算模块，分别与充电控制模块和通信模块相连接，用于实时接收并存储所述计量模块发来的充电电量的计量和电费的计算结果以及所述充电监测模块发来的充电信息，以及根据充电控制模块转发的远方控制中心的远方充电控制命令，实时记录起始充电时间、结束充电时间和计算实时充电功率，该远方充电控制命令包括充电启动和停止指令以及充电电压和电流值信息；

充电控制模块，分别与用户交互模块和通信模块相连接，用于执行边缘计算模块输出的具体充电控制命令，以及执行由通信模块转发的远方控制中心所发来的远方充电控制命令；还用于执行用户通过用户交互模块所输入的充电控制命令；

用户交互模块，用于接收用户输入的充电控制命令，然后转发给充电控制模块，实现充电控制操作；

通信模块，与远方控制中心相连接，用于将来自边缘计算模块的数据，通过通信通道上至远方控制中心，以及接收来自远方控制中心的远方充电控制命令，然后转发给充电控制模块。

其中，充电监测模块所接收的实时充电信息，是包括电池温度信息、电池实时荷电状态、充电开始及停止时间、充电实时电压和电流值在内的信息。

其中，充电模块包括充电输入接口和充电输出接口；

其中，充电输入接口与交流的公共电网相连，用于作为充电桩的电源输入端口；

充电输出接口，用于作为电动汽车的电能输入端口，对电动汽车进行充电，以及通过该充电输出接口同时获取电动汽车的实时充电信息，然后传输给充电监测模块。

其中，充电控制模块，还用于在执行用户通过用户交互模块所输入的充电控制命令之后，将执行结果反馈至用户交互模块；

对应地，用户交互模块，还用于接收并显示充电控制模块发来的执行结果。

其中，用户交互模块包括键盘和可触控面板。

其中，通信模块，包括光纤接口模块、无线4G通信模块和无线5G通信模块中的至少一种。

其中，充电控制模块，用于接收来自用户交互模块的就地控制命令，驱动充电模块对电动汽车进行开始充电、停止充电和充电功率大小的控制。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其将边缘计算功能和通信功能集成进充电桩内，让充电桩具备数据存储、统计、分析、计算与通信的能力，既可以根据自身所采集的充电信息进行统计、分析和计算，从而有利于进一步提供电动汽车充电行为特性统计、优化充电策略制定、充电功率预测等功能，为远方控制中心优化控制电动汽车充电提供数据和硬件的支撑，降低远方控制中心存储及计算资源的需求，也可以接收并自主执行远方控制中心的充电控制命令，实现对电动汽车充电站的统一管理，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩的结构方框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参见图1，本发明提供了一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，主要应用于集中式电动汽车充电站及分散式个人使用的充电桩，具体包括计量模块100、充电模块200、充电监测模块300、边缘计算模块400、充电控制模块500、用户交互模块600和通信模块700，其中：

计量模块100，分别与充电监测模块300和边缘计算模块400相连接，用于接收充电监测模块300发来的充电时间和充电功率信息，然后根据所述充电时间和充电功率信息，进行充电电量的计量和电费(即电价)的计算，然后将计量计算结果，发送至边缘计算模块400中存储；

充电模块200，分别与充电监测模块300和充电控制模块500相连接；

充电模块200包括充电输入接口和充电输出接口；其中，充电输入接口与交流的公共电网1000相连，用于作为充电桩的电源输入端口；充电输出接口，根据充电快慢，可以分别提供直流快充输出接口和交流慢充交流输出接口，用于作为电动汽车800的电能输入端口，对电动汽车进行充电，以及用于通过该充电输出接口同时获取电动汽车800的实时充电信息，然后传输给充电监测模块300；

充电模块200，还用于接收来自充电控制模块500的控制命令，根据该控制指令，对应执行对电动汽车800的充电启停控制操作以及充电功率大小的控制；

充电监测模块300，与边缘计算模块400相连接，用于实时接收所述充电模块200发来的实时充电信息(具体通过内部总线)，该实时充电信息包括电池温度信息、电池实时荷电状态、充电开始及停止时间、充电实时电压和电流值等在内的信息，并将这些信息通过内部总线，分别传送至边缘计算模块400及计量模块100；

边缘计算模块400，分别与充电控制模块500和通信模块700相连接，用于实时接收并存储所述计量模块100发来的充电电量的计量和电费的计算结果以及所述充电监测模块300发来的充电信息；并且用于制定有序充电控制策略(例如充电的顺序，以及在一天中具体的充电时间段，或者包括电动汽车充电功率曲线)，然后发给充电控制模块500来执行；以及根据充电控制模块500转发的远方控制中心900的远方充电控制命令，实时记录起始充电时间、结束充电时间和计算实时充电功率，该远方充电控制命令包括充电启动和停止指令以及充电电压和电流值信息。

在本发明中，具体实现上，边缘计算模块400，具体包括计算芯片和存储芯片两部分；

其中，存储芯片，一方面用于保存来自充电监测模块300和计量模块100的实时充电信息数据，作为后续计算的原始数据；另一方面，用于存储计算芯片计算产生的结果数据。

其中，计算芯片具备自主统计、分析和计算的能力，用于统计分析电动汽车充电行为特性和生成电动汽车充电功率曲线(即以充电时间为横坐标、充电功率为纵坐标绘制的曲线)；以及基于电动汽车充电行为特性和历史充电率曲线(即以充电时间为横坐标、充电率为纵坐标绘制的曲线)，利用现有的神经网络方法进行充电功率预测；同时，还用于根据来自充电控制模块500的优化充电命令，自主制定有序充电控制策略，并将有序充电控制策略发送至充电控制模块500；

需要说明的是，电动汽车充电行为特性，是指电动汽车每天的出行距离、开始充电时间、开始充电时荷电状态、结束充电时间及结束充电时核电状态等反应电动汽车出行、充电、及电池状态的数据信息。

在本发明中，对于充电控制模块500，优化充电命令由远方控制中心900通过通信模块700发送至充电控制模块500，比如，当前处于用电峰时段，调控中心(即远方控制中心900)下达控制电动汽车充电负荷不超过充电桩额定功率的80％，充电控制模块500将控制命令传送至边缘计算模块400，边缘计算模块500再根据当前充电桩的功率输出状态，给出具体的控制命令，比如维持当前输出功率，或者减小10％当前输出功率等，将其反馈至充电控制模块500。

对于边缘计算模块400，有序充电控制策略是指按照特定的充电时间顺序进行充电的控制指令集合，比如，一辆电动汽车晚上8：00接到充电桩开始充电，计划第二天早上8点充电完成，达到100％荷电状态。边缘计算模块400就可以根据在这期间的远方调控中心900的经济调度命令，制定电动汽车充电功率曲线，传送至充电控制模块500执行相关充电控制，只要保证第二天早上完成充电即可，在这期间，同时参与了电网的消峰填谷、调频等辅助服务，提升了电网的安全、稳定及经济的运行。

在本发明中，具体实现上，边缘计算模块400通过内部总线与通信模块700相连接，用于将所述实时充电功率的计算结果，通过通信模块700上传至远方控制中心900(即反馈至远方控制中心900)。

充电控制模块500，分别与用户交互模块600和通信模块700相连接，其具备启动、停止、充电功率大小控制、充电时间设置等控制功能；

充电控制模块500，通过内部总线与边缘计算模块400进行双向通信，用于向边缘计算模块400提出有序充电控制策略制定的计算任务，充电控制模块500执行边缘计算模块400所制定的有序充电控制策略(即边缘计算模块400输出的具体充电控制命令)；

充电控制模块500，用于执行由通信模块700转发的远方控制中心900所发来的远方充电控制命令；

充电控制模块500，还用于执行用户通过用户交互模块600所输入的充电控制命令，并将执行结果反馈至用户交互模块600。

用户交互模块600，其是用户与充电桩的交互界面，用于接收用户输入的充电控制命令，然后转发给充电控制模块500，实现充电控制操作，以及接收并显示充电控制模块500发来的执行结果。

此外，用户交互模块600，还用于实时显示充电开始时间、充电时长、充电电费、电池当前荷电状态、预计剩余充电时间等必要的充电信息。

在本发明中，具体实现上，用户交互模块600包括键盘和可触控面板等输入设备，用于输入用户的充电控制命令。

通信模块700，与远方控制中心900相连接，用于将来自边缘计算模块400的数据，通过通信通道上至远方控制中心900，以及接收来自远方控制中心900的远方充电控制命令，然后转发给充电控制模块500；

在本发明中，具体实现上，通信模块700，包括光纤接口模块、无线4G通信模块和无线5G通信模块等在内的一种或多种通信方式。

需要说明的是，对于本发明，为了实现边缘计算功能，本发明提出了充电监测模块的功能设计，并且提出了充电模块、边缘计算模块和远方控制中心之间的数据处理及数据传递过程及方法。

其中，充电监测模块300，能够从充电模块200处，实时获取电动汽车的实时充电信息，具体包括充电起始时间、充电结束时间、充电时长、充电实时功率、电动汽车电池荷电状态信息等，然后将这些信息通过内部数据总线传送至边缘计算模块。边缘计算模块400，具有计算处理芯片和内部存储器，根据充电控制模块的控制要求，利用存储器中所存储的数据进行统计、分析和计算，用于进行电动汽车充电行为特性(例如充电的时长以及充电时间段)概率统计，用于进行充电桩随机充电负荷预测，以及用于根据充电控制模块所下发的充电控制命令，自主计算起始、结束充电时间及实时充电功率，能够将计算结果在本地存储，并通过通信模块上送至远方控制中心。

需要说明的是，对于本发明，为了实现边缘计算功能，本发明提出充电模块的功能设计，并提出了充电模块、充电监测模块、计量模块、边缘计算模块通过内部数据总线进行数据传输的过程及方法。

其中，充电模块200，用于从公共电网获取电能，并通过充电输出接口与电动汽车车载充电装置连接，对电动汽车进行充电；此外，充电模块200通过充电输出接口，还可以同时获取电动汽车的实时充电信息并通过内部总线传输给充电监测模块；充电监测模块300再将电动汽车实时充电信息处理后，传送至边缘计算模块和计量模块，计量模块再根据电动汽车实时充电信息进行充电电量的计量与电价的计算。

需要说明的是，对于本发明，为了实现边缘计算功能，本发明提出了充电控制模块应具有的功能，并提出了控制模块、远方控制中心、边缘计算模块、用户交互模块之间的数据传输与处理方法。

其中，充电控制模块500，用于一方面接收来自通信模块700转发的远方控制中心的远方控制命令，从而对应控制充电模块200进行开始、停止、充电功率大小的控制，同时可以根据控制需要，去驱动边缘计算模块400进行实时计算，将计算后的控制策略返回至充电控制模块500，充电控制模块500根据边缘计算的实时控制策略去控制充电模块。

同时，充电控制模块500，还用于接收来自用户交互模块600的就地控制命令，驱动充电模块200对电动汽车800进行开始充电、停止充电、充电功率大小的控制；充电控制模块500也会反馈必要的控制确认信息，至用户交互模块600。

需要说明的是，对于本发明，本发明提出了通信模块的设计，并提出了通信模块与内部总线、充电控制模块、边缘计算模块之间的交互方式。通信模块700具备有线通信,包括光纤、电力线载波，无线通信，具体包括wifi、4G、5G等多种通信方式及接口，与远方控制中心进行通信，通信模块通过内部总线预充电控制模块和边缘计算模块进行通信。

需要说明的是，对于本发明，本发明提出了用户交互控制模块应具备的功能。用户交互模块600是用户与充电桩的交互界面，用户通过用户交互模块(比如键盘、可触控面板等输入设备)可以输入充电控制命令，进行充电控制操作，用户交互模块可以显示充电控制模块500反馈的控制执行结果，并实时显示充电开始时间、充电时长、充电电费、电池当前荷电状态、预计剩余充电时间等必要的充电信息。

在本发明中，具体实现上，边缘计算模块400，可以包括至少一台工业计算机。

在本发明中，具体实现上，用户交互模块600可以为现有的液晶触摸显示屏模块。

在本发明中，具体实现上，通信模块700，包括现有的光纤接口模块、无线4G通信模块和无线5G通信模块中的至少一种。

在本发明中，具体实现上，计量模块100，为现有的模块，例如可以采用深圳市艾锐达光电有限公司生产的IM1253B型号的交直流电能计量模块，可以满足《JJG1148-2018》计量标准要求，支持《DL/T 645-2007》、《MODBUS-RTU》双规约。在本发明中，计量模块100用于获取充电监测模块的充电时间和充电功率信息，并进行充电电量的计量和电费(即电价)的计算。

在本发明中，具体实现上，充电模块200，可以采用现有的模块，例如可以采用艾默生电气(中国)投资有限公司生产的ER45033/T型号的电动汽车充电桩充电模块，符合CE安规和电磁兼容ClassA标准要求，符合欧盟RoHS指令。在本发明中，充电模块200，可以作为充电桩的电源输入端口和充电输出接口，实现对电动汽车进行电能供给。

在本发明中，具体实现上，充电控制模块300与充电监测模块，均可以采用深圳市米尔科技有限公司生产的MY-EVC6100S型号的充电控制单元，该充电控制单满足GB/T27930-2015、NB/T 33008.1-2013、Q/CSG1211013-2016等系列检验标准，负责接收充电桩的实时充电信息、以及对充电桩的运行状态进行控制。

与现有技术相比较，本发明提供的具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，具有如下有益效果：

1、采用本发明，能够为充电站运行企业、电力企业以及政府的大数据中心提供实时、短期和长期的电动汽车充电数据；

2、本发明的应用，能够方便充电站运营企业对电动汽车充电进行控制与管理，能够为电力企业提供电汽车充电功率数据，为电力规划、运行、调度提供真实的数据支撑；

3、本发明的应用，能够进一步为政府大数据中心提供所辖行政区划内的电动汽车行为数据、充电数据，为政府制定本地区电动汽车发展规划提供数据支撑，具有较大的经济与社会效益。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其将边缘计算功能和通信功能集成进充电桩内，让充电桩具备数据存储、统计、分析、计算与通信的能力，既可以根据自身所采集的充电信息进行统计、分析和计算，从而有利于进一步提供电动汽车充电行为特性统计、优化充电策略制定、充电功率预测等功能，为远方控制中心优化控制电动汽车充电提供数据和硬件的支撑，降低远方控制中心存储及计算资源的需求，也可以接收并自主执行远方控制中心的充电控制命令，实现对电动汽车充电站的统一管理，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其特征在于，包括计量模块(100)、充电模块(200)、充电监测模块(300)、边缘计算模块(400)、充电控制模块(500)、用户交互模块(600)和通信模块(700)，其中：

计量模块(100)，分别与充电监测模块(300)和边缘计算模块(400)相连接，用于接收充电监测模块(300)发来的充电时间和充电功率信息，然后根据所述充电时间和充电功率信息，进行充电电量的计量和电费的计算，然后将计量计算结果，发送至边缘计算模块(400)中存储；

充电模块(200)，分别与充电监测模块(300)和充电控制模块(500)相连接，用于对电动汽车进行充电，以及获取电动汽车(800)的实时充电信息，然后传输给充电监测模块(300)；同时，还用于接收来自充电控制模块(500)的控制命令，根据该控制指令，对应执行对电动汽车(800)的充电启停控制操作以及充电功率大小的控制；

充电监测模块(300)，与边缘计算模块(400)相连接，用于实时接收所述充电模块(200)发来的实时充电信息，并将这些信息通过内部总线，分别传送至边缘计算模块(400)及计量模块(100)；

边缘计算模块(400)，分别与充电控制模块(500)和通信模块(700)相连接，用于实时接收并存储所述计量模块(100)发来的充电电量的计量和电费的计算结果以及所述充电监测模块(300)发来的充电信息，以及根据充电控制模块(500)转发的远方控制中心(900)的远方充电控制命令，实时记录起始充电时间、结束充电时间和计算实时充电功率，该远方充电控制命令包括充电启动和停止指令以及充电电压和电流值信息；

充电控制模块(500)，分别与用户交互模块(600)和通信模块(700)相连接，用于执行边缘计算模块(400)输出的具体充电控制命令，以及执行由通信模块(700)转发的远方控制中心(900)所发来的远方充电控制命令；还用于执行用户通过用户交互模块(600)所输入的充电控制命令；

用户交互模块(600)，用于接收用户输入的充电控制命令，然后转发给充电控制模块(500)，实现充电控制操作；

通信模块(700)，与远方控制中心(900)相连接，用于将来自边缘计算模块(400)的数据，通过通信通道上至远方控制中心(900)，以及接收来自远方控制中心(900)的远方充电控制命令，然后转发给充电控制模块(500)。

2.如权利要求1所述的具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其特征在于，充电监测模块(300)所接收的实时充电信息，是包括电池温度信息、电池实时荷电状态、充电开始及停止时间、充电实时电压和电流值在内的信息。

3.如权利要求1所述的具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其特征在于，充电模块(200)包括充电输入接口和充电输出接口；

其中，充电输入接口与交流的公共电网(1000)相连，用于作为充电桩的电源输入端口；

充电输出接口，用于作为电动汽车(800)的电能输入端口，对电动汽车进行充电，以及通过该充电输出接口同时获取电动汽车(800)的实时充电信息，然后传输给充电监测模块(300)。

4.如权利要求1所述的具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其特征在于，充电控制模块(500)，还用于在执行用户通过用户交互模块(600)所输入的充电控制命令之后，将执行结果反馈至用户交互模块(600)；

对应地，用户交互模块(600)，还用于接收并显示充电控制模块(500)发来的执行结果。

5.如权利要求1所述的具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其特征在于，用户交互模块(600)包括键盘和可触控面板。

6.如权利要求1所述的具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其特征在于，通信模块(700)，包括光纤接口模块、无线4G通信模块和无线5G通信模块中的至少一种。

7.如权利要求1至6中任一项所述的具备边缘计算功能的电动汽车充电桩，其特征在于，充电控制模块(500)，用于接收来自用户交互模块(600)的就地控制命令，驱动充电模块(200)对电动汽车(800)进行开始充电、停止充电和充电功率大小的控制。

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