CN112356728B - 直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，获取待充电设备的充电需求电压Ur和充电请求电流Ir；获取电源模块输出电压Ur时，最高充电效率Wo的输出电流Io；根据电流Ir/Io计算出初始需求电源模块数量n,通过n的取整运算和取整后电源模块输出功率比较，计算出所需电源模块个数No和最优输出充电功率W；通过No与空闲电源模块数Nf比较，计算出实际可提供电源模块个数N；计算每个空闲电源模块的累计使用时间、累计使用次数和空闲时间系数，从空闲模块中挑选出最优N个电源模块组合M并配置充电功率为W，开始充电输出。通过电源模块工作时输出最优充电效率，选择最佳电源模块组合，均衡各电源模块使用频率，提升系统整体性能，延长充电桩整体使用寿命。

Description

直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电技术领域，具体涉及一种直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法。

背景技术

随着电动汽车的普及，充电需求量急剧增加，充电过程中产生的能源损耗，充电自身的性能，使用寿命都面临着巨大挑战。因此，在充电过程对功率分配，性能的监控等优化措施，对降低能耗，提升使用寿命的意义重大。其中直流充电桩作为市面上主流的大功率充电设备产品，对其进行功率分配进行优化，提升运营寿命，降低整体成本尤为重要。

现有技术的缺陷和不足：

1、市面上的直流充电桩产品一般针对电源模块采用均分方式，模块性能低，能耗高；充电所有模块都参与，导致充电桩整体使用寿命减少。

2、简单统计电源模块的累计使用时间和频率，进行电源模块的选择，未关注电源模块自身的特性，包括生命周期，充电效率等，对充电桩寿命的提升有限，且能耗高问题仍然存在。

3、根据电源模块自身的效率静态特性，进行电源模块的选择，未考虑电源模块生命周期，对充电桩使用寿命提升有限。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过最优效率计算和电源模块的选择，达到功率均衡和电源模块输出的直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法。

实现本发明的技术方案如下

直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，包括以下步骤：

获取待充电设备发出的充电请求参数，包括充电需求电压Ur和充电请求电流Ir；

获取电源模块输出电压Ur时，最高充电效率Wo的输出电流Io；

根据电流Ir/Io计算出初始需求电源模块数量n,通过初始需求电源模块数量n取整运算和取整后电源模块输出功率比较，计算出所需电源模块个数No和最优输出充电功率W；通过所需电源模块个数No与空闲电源模块数Nf比较，计算出实际可提供电源模块个数N；

计算每个空闲电源模块的累计使用时间、累计使用次数和空闲时间系数，从空闲模块中挑选出最优N个电源模块组合M，并设置所选模块充电功率为W；

控制电源模块组合M的充电电路闭合，开始充电输出。

当初始需求电源模块数量n＜1，从空闲电源模块组中，选择一个空闲电源模块并设置充电功率为W，W＝Ur*Ir，控制该模块充电电路闭合，开始充电输出。

当初始需求模电源块数量n≥1，且为整数，空闲电源模块数量大于等于需求电源模块数量时，从空闲电源模块中选择n个电源模块，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

当初始需求电源模块数量n≥1，且为整数，空闲电源模块数量小于需求电源模块数量，选择全部空闲电源模块时，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

当初始需求电源模块数量n＞1，n为非整数，空闲电源模块数大于需求电源模块数量n时，比较n向上取整和n向下取整时的输出功率，计算最优充电功率W和所需电源模块个数No，所需电源模块个数No为初始需求电源模块数量n向上或向下取整值，从空闲电源模块中选择N＝No个电源模块，设置每个电源模块的充电功率为W。

当初始需求电源模块数量n＞1，空闲电源模块数小于需求电源模块数量n时，选择全部空闲电源模块时，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

电源模块选择按照如下公式进行计算：

J＝T×(X+Y×α)

其中，T:电源模块空闲时间系数；X:电源模块剩余电源时间；Y:电源模块剩余充电次数；α：每次充电时间系数比；

当电源模块使用超过了生命周期，累计充电时间或累计充电次数超过了生命周期的限制，即X<＝0或Y<＝0时，该电源模块将停止使用，会从空闲模块组中删除，不参与本公式计算和后续模块选择，并等待新模块的替换。

本发明主要是根据充电请求设备需求的充电电压Ur、充电电流Ir,计算出电源模块在输出电压Ur下，最优效率时的输出电流Io，根据Ir/Io和充电效率公式比较计算出所需的电源模块个数N,从空闲电源模块组中，根据电源模块选择算法选出最优的N个电源模块，控制这N个电源模块输出，开始本次充电。其中电源模块选择公式是基于电源模块的空闲时间，累计使用时间，累计使用次数，生命周期内的最大时间，生命周期内的最大使用次数，充电每次最小时间/次数系数的算法公式。

本发明通过电源模块工作时输出最优充电效率，降低能耗；通过电源模块使用时间，次数等因素，选择最佳电源模块组合，均衡各电源模块使用频率，提升系统整体性能，并延长了充电桩整体使用寿命。

本发明利用电源模块自身参数和特性，进行最优效率计算和模块的选择，达到功率均衡和模块输出的智能控制。能够保证充电桩电源模块输出最大充电效率，减少充电过程中的能耗损失，同时均衡每个电源模块的使用时间和频率，有效提高充电桩整体性能和延长整体寿命。

本发明对单体充电桩、充电场站采用充电堆形式都有良好适配性，能适用于各种建桩方式。本发明主要是根据电源模块自身参数和特性进行的一系列优化，能适配不同电源模块，并能够支持同一个充电桩或充电场站堆形式中采用不同品牌的电源模块。

附图说明

图1为充电请求设备与充电桩的交互示意图。

图2为直流充电桩功率均衡和电源模块选择系统控制流程示意图。

图3为本发明中功率比较流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-3所示，直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，包括以下步骤：

获取待充电设备发出的充电请求参数，包括充电需求电压Ur和充电请求电流Ir；

获取电源模块输出电压Ur时，最高充电效率Wo的输出电流Io；

根据电流Ir/Io计算出初始需求电源模块数量n,通过初始需求电源模块数量n取整运算和取整后电源模块输出功率比较，计算出所需电源模块个数No和最优输出充电功率W；通过所需电源模块个数No与空闲电源模块数Nf比较，计算出实际可提供电源模块个数N；

计算每个空闲电源模块的累计使用时间、累计使用次数和空闲时间系数，从空闲模块中挑选出最优N个电源模块组合M，并设置所选模块充电功率为W；

控制电源模块组合M的充电电路闭合，开始充电输出。

当初始需求电源模块数量n＜1，从空闲电源模块组中，选择一个空闲电源模块并设置充电功率为W，W＝Ur*Ir，控制该模块充电电路闭合，开始充电输出。

当初始需求模电源块数量n≥1，且为整数，空闲电源模块数量大于等于需求电源模块数量时，从空闲电源模块中选择n个电源模块，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

当初始需求电源模块数量n≥1，且为整数，空闲电源模块数量小于需求电源模块数量，选择全部空闲电源模块时，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

当初始需求电源模块数量n＞1，n为非整数，空闲电源模块数大于需求电源模块数量n时，比较n向上取整和n向下取整时的输出功率，计算最优充电功率W和所需电源模块个数No，所需电源模块个数No为初始需求电源模块数量n向上或向下取整值，从空闲电源模块中选择N＝No个电源模块，设置每个电源模块的充电功率为W。

当初始需求电源模块数量n＞1，空闲电源模块数小于需求电源模块数量n时，选择全部空闲电源模块时，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

电源模块选择按照如下公式进行计算：

J＝T×(X+Y×α)

T:电源模块空闲时间系数，例如大于10分钟,T＝1；小于等于10分钟，T＝10^-7。

X:电源模块剩余电源时间，模块生命周期允许工作最长时间-累计充电时间，单位为分钟。

Y:电源模块剩余充电次数，模块生命周期允许工作最大充电次数–累计充电次数，单位为次。

α：每次充电时间系数比，例如为5，即电源模块每工作一次的约为5min的正常工作时间。

当电源模块使用超过了生命周期，累计充电时间或累计充电次数超过了生命周期的限制，即X<＝0或Y<＝0时，该电源模块将停止使用，会从空闲模块组中删除，不参与本公式计算和后续模块选择，并等待新模块的替换。

例如:

电源模块A当期空闲20分钟，生命周期时间为2450000分钟，生命周期最大充电次数为12000次，累计使用时间100000分钟，次数420次。

Ja＝1×((2450000–100000)+(12000-420*5))＝2359900。

电源模块B当期空闲30分钟，生命周期时间为2450000分钟，生命周期最大充电次数为12000次，累计使用时间80000分钟，次数300次。

Jb＝1×((2450000–80000)+(12000-350*5))＝2380250。

电源模块C当期空闲10分钟，生命周期时间为2450000分钟，生命周期最大充电次数为12000次，累计使用时间70000分钟，次数200次。

Jc＝10^-7×((2450000–70000)+(12000-300*5))＝0.23905。

Ja>Jb>Jc，电源模块选择顺序为电源模块A->电源模块B->电源模块C。

实施例一：充电输入需求电压为500V,电流为60A时，电源模块如下配置：

Step 1：获取单个电源模块500V，最优效率96.5％时为20A。

Step 2：算法所需电源模块个数，60A/20A＝3。

Step 3：当前空闲电源模块为6，根据功率均衡计算流程，本次充电最佳充电功率为3个电源模块，每个电源模块输出电压为500V,电流为20A。

Step4:由于空闲电源模块6大于所需电源模块3，根据电源模块选择公式J，计算出电源模块2,3,5为优先选择电源模块。

Step5:设置模块2,3,5输出功率为10KW，其中电压为500V,电流为20A。

Step6：通过电源模块控制电路控制电源模块2,3,5开关吸合，开始充电。

实施例二：充电输入需求电压为600V,电流为70A时，电源模块如下配置：

Step 1：获取单个电源模块600V，最优效率96.8％时为20A。

Step 2：算法所需电源模块个数，70A/20A＝3.5。

Step 3：当前空闲电源模块为6，根据功率均衡计算流程，本次充电最佳充电功率为4个电源模块，每个电源模块输出电压为600V,电流为15A，效率95.8％。

Step4:由于空闲电源模块6大于所需电源模块4，根据模块选择公式J，计算出电源模块2,3,5,6为优先选择电源模块。

Step5:设置电源模块2,3,5,6输出功率为12KW，其中电压为600V,电流为20A。

Step6：通过电源模块控制电路控制电源模块2,3,5,6开关吸合，开始充电。

实施例三：充电输入需求电压为800V,电流为60A时，电源模块如下配置：

Step 1：获取单个电源模块800V，最优效率96.6％时为15A。

Step 2：算法所需充电的模块个数，60A/15A＝4。

Step 3：当前空闲电源模块为3，根据功率均衡计算流程，本次充电最佳充电功率为3个电源模块，每个电源模块输出电压为800V,电流为15A，效率96.6％。

Step4:由于空闲电源模块3小于所需电源模块4，空闲电源模块全部用来充电。

Step5:设置电源模块1,2,3输出功率为12KW，其中电压为800V,电流为15A。

Step6：通过电源模块控制电路控制电源模块1,2,3开关吸合，开始充电。

实现本发明控制方法的功率均衡和电源模块控制输出系统，包括电源模块输出功率计算模块，电源模块选择模块，电源模块控制电路。

其中，电源模块输出功率计算模块主要根据充电请求设备BMS系统发送的需求电压和需求电流，计算出电源模块最优功耗下的输出功率和对应所需的电源模块个数。

电源模块选择模块主要是从空闲的电源模块组中，根据每个空闲模块的累计使用时间，累计使用次数和空闲时间系数等因素计算出所需的N个电源模块组合M，并设置其充电输出功率,电压和电流。

电源模块控制电路主要是根据电源模块选择模块组合M，控制对应模块的输入和输出。

本发明主要包括但不限于使用在下面2种场景：

1、单体直流充电桩、控制桩内的电源模块功率输出，电源模块智能选择等。

2、充电场站采用充电堆形式，控制场站的充电堆中电源模块的功率输出，模块智能选择等。

本发明还可应用于使用不同品牌的电源模块组合方式，各品牌模块参与本发明计算的组合方式包括但不限于单独计算，均分，根据可用空闲充电桩状态动态组合等。

Claims (6)

1.直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取待充电设备发出的充电请求参数，包括充电需求电压Ur和充电请求电流Ir；

获取电源模块输出电压Ur时，最高充电效率Wo的输出电流Io；

根据电流Ir/Io计算出初始需求电源模块数量n,通过初始需求电源模块数量n取整运算和取整后电源模块输出功率比较，计算出所需电源模块个数No和最优输出充电功率W；通过所需电源模块个数No与空闲电源模块数Nf比较，计算出实际可提供电源模块个数N；

计算每个空闲电源模块的累计使用时间、累计使用次数和空闲时间系数，从空闲模块中挑选出最优N个电源模块组合M，并设置所选模块充电功率为W；

控制电源模块组合M的充电电路闭合，开始充电输出；

电源模块选择按照如下公式进行计算：

J＝T×(X+Y×α)

其中，T:电源模块空闲时间系数；X:电源模块剩余电源时间；Y:电源模块剩余充电次数；α：每次充电时间系数比；

当电源模块使用超过了生命周期，累计充电时间或累计充电次数超过生命周期的限制，即X<＝0或Y<＝0时，该电源模块将停止使用，会从空闲模块组中删除，不参与本公式计算和后续模块选择，并等待新模块的替换；

其中，电源模块空闲时间系数，大于10分钟,T＝1；小于等于10分钟，T＝10^-7；

电源模块选择时，J值大的先选。

2.如权利要求1所述的直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，其特征在于，

当初始需求电源模块数量n＜1，从空闲电源模块组中，选择一个空闲电源模块并设置充电功率为W，W＝Ur*Ir，控制该电源模块充电电路闭合，开始充电输出。

3.如权利要求2所述的直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，其特征在于，

当初始需求模电源块数量n≥1，且为整数，空闲电源模块数量大于等于需求电源模块数量时，从空闲电源模块中选择n个电源模块，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

4.如权利要求2或3所述的直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，其特征在于，

当初始需求电源模块数量n≥1，且为整数，空闲电源模块数量小于需求电源模块数量，选择全部空闲电源模块时，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

5.如权利要求4所述的直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，其特征在于，

当初始需求电源模块数量n＞1，n为非整数，空闲电源模块数大于需求电源模块数量n时，比较n向上取整和n向下取整时的输出功率，计算最优充电功率W和所需电源模块个数No，所需电源模块个数No为初始需求电源模块数量n向上或向下取整值，从空闲电源模块中选择N＝No个电源模块，设置每个电源模块的充电功率为W。

6.如权利要求4所述的直流充电桩功率均衡和电源模块能效寻优控制方法，其特征在于，

当初始需求电源模块数量n＞1，空闲电源模块数小于需求电源模块数量n时，选择全部空闲电源模块时，设置每个电源模块的充电功率为W，W＝Wo。

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