CN112373346B - 一种矩阵式v2g充电桩的精细化控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法，涉及电动汽车充电桩领域，包括以下步骤：预先对充电桩中的矩阵式模块按照算法组织成模块组，即模块调用法；当电动汽车与充电桩握手完成，充电控制单元将NumMOD_READY个充电模块设置为热备状态；在充电阶段，充电控制单元获取电动汽车的电压、电流需求及充电模式，调整接入的模块个数，再按照模块调用法调用模块组对电动汽车进行充电；最后将充电功率按照模块的充电功率转化率分配到每个模块。该方法在满足按照电动汽车充电的电压、电流需求和充电模式的情况下，保证交直流变换模块工作在最佳效率点或者系统工作在最佳效率点，提高电能利用率，降低系统热损耗。

Description

一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车充电桩领域，尤其涉及一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法。
背景技术
电动汽车属于新能源汽车的一种，它是以电池作为能量，通过控制器、电机等部件将电能转化成机械能。未来15年纯电动和插电式混合动力汽车的产销量将占到汽车总产销量相当的比例，占汽车保有量的比例将逐年快速提升。
但是，目前在电动汽车充电方面，采用矩阵式控制策略给电动汽车充电存在不足：利用充电桩给电动汽车充电时，充电控制单元接收电动汽车的充电电压需求、充电电流需求及充电模式，控制充电桩输出对应的电压、电流需求及模式。充电控制单元根据接入的模块数量计算出平均输出功率Pout，由于交直流变换模块存在转换效率η，转换效率函数为η＝f(Pout)。充电控制单元下发给交直流变换模块输出功率Pout大概率不会落在交直流变换模块最佳功率转换范围[Pmin,Pmax]内，导致交直流变换模块能量转换效率低，造成电能量的损耗，加快了交直流变换模块的老化速度。同理，在放电模式下，同样存在上述问题。
基于上述现状，本专利提供一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法。在满足按照电动汽车充电的电压、电流需求和充电模式的情况下，保证交直流变换模块工作在最佳效率点或者系统工作在最佳效率点，系统交直流转换损耗最低，提高电能利用率，降低系统热损耗，减缓交直流变换模块的老化速度。
发明内容
由于电动汽车在充电过程中，其电压和电流随时间会产生变化，导致电动汽车请求充电功率随时间不断变化，所以实现在满足按照电动汽车充电的电压、电流需求和充电模式的情况下，保证交直流变换模块工作在最佳效率点或者系统工作在最佳效率点，系统交直流转换损耗最低的目的，本发明提供一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是提供了一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：预先对充电桩中的矩阵式模块按照算法组织成模块组，形成模块调用法，有充电需求时可以调用模块组，按组调控；步骤S1中模块调用法包括以下步骤：
步骤S11：假设充电模块的总数为N，接入的模块的个数为NumMOD_REQ，将剩余模块个数按照等比数列an＝a1*qn-1分配，其中a1＝1，q＝2，将等比数列的每一项作为一个组，不能满足等比数列的模块个数设定为NumPOOL；
步骤S12：当充电需求减少时，则有b个模块从充电状态转为空闲状态，NumPOOL值增加，未有状态转变前不满足等比数列模块个数为NumPOOL *，每次添加1个模块添加至NumPOOL中，直至增加至b个为止，每增加1个模块时进行如下判断：如果NumPOOL等于an+1，则将NumPOOL个模块纳入第n+1组管理，如果NumPOOL不等于an+1，则NumPOOL＝1+NumPOOL *；
步骤S13：当充电需求增加时，则有模块从空闲状态转为充电状态，优先调度最佳满足功率需求的组，假设为ai，如果NumPOOL>ai，则从NumPOOL中重新分出第i组，如果NumPOOL≤ai，则将等比数列最高项组中模块分解成最佳满足功率需求的组模块数与剩余模块数，其中最佳满足功率需求的组模块数纳入需求增加的组，剩余模块数纳入NumPOOL中；
步骤S14：当充电控制器接收到汽车的充电请求时，将从等比数列中取出满足功率需求的最少项，此时充电控制器按组控制充电模块，提高控制响应速率。
步骤S2：电动汽车与充电桩握手完成后，电动汽车与充电桩参数配置完成，充电控制单元将准备接入NumMOD_READY个充电模块设置为热备状态；
步骤S3：调整每个模块的输出功率以达到最佳功率；
步骤S4：在充电阶段，充电控制单元获取电动汽车的电压需求、电流需求及充电模式，调整接入的模块个数，在充电阶段使用所述模块调用法，提高模块的利用率，转换点以提高能源利用率。
从步骤S1和S2中可以得出该方法的优点：该方法预先对充电桩中的矩阵式模块按照算法组织成模块组，当电动汽车有充电需求时可以按组调控，这样缩短了反应时间，提高了充电效率。
具体地，步骤S2中，根据模块调用法需要计算接入的模块的个数，所以根据参数配置阶段的参数最高允许充电电流IMAX，整车动力蓄电池当前电池电压VPRESENT，计算模块准备接入个数NumMOD_READY，此时NumMOD_READY为接入的模块的个数，NumMOD_READY的计算公式为：
Figure GDA0003042100810000031
NumMOD_READY为正整数。
具体地，步骤S3中，为了将每个模块输出时的功率落在交直流变换模块最佳功率转换范围[Pmin,Pmax]内，所以动态调整每个模块的输出功率以达到最佳功率，步骤S3包括以下步骤:
步骤S31：动态调整各模块的输出功率以达到最佳功率；
功率分配方式1：将电动汽车的充电功率平均分配到每一个充电模块，则功率转换效率为σ0＝fun(power)；
功率分配方式2：假设V2G充电桩有Num个模块处于工作状态，使Num-1个充电模块工作在最佳功率转换点，剩余1个模块负责补足剩余的功率需求。工作在最佳功率转换点时Num-1个充电模块的功率转换效率为σ1，σ1计算公式为σ1＝fun(power)max，σ2为负责补足剩余的功率需求的那一个模块的转换效率，设此时模块的输出功率为PBEST，σ2计算公式为σ2＝fun(PREQ-(NumMOD_REQ-1)*PBEST),此时综合功率转换效率为
Figure GDA0003042100810000032
步骤S32：若σ0>σ3，则选择功率分配方式1执行控制；若σ0<σ3，则选择功率分配方式2执行控制；
步骤S33：当实际接入的模块的个数NumREQ由Num变为Num±1时，优先将功率转换效率最低的模块从系统中退出，以减小系统输出功率的波动。
步骤S34：当实际接入的模块的个数NumREQ个数为1时，功率输出模块按照充电请求功率PCHG_REQ输出，此时PCHG_REQ≤PMOD_RAT。
具体地，步骤S4中，根据充电请求功率PREQ，模块在当前温度下的额定输出功率PMOD_RAT调整接入的模块个数，所以调整接入的模块个数为NumREQ，
Figure GDA0003042100810000033
NumREQ为正整数，且需满足要求如下：
PMOD_RAT*(NumREQ-1)<PREQ≤PMOD_RAT*NumREQ；
在放电阶段，也可采用该方法。
从步骤S1和S2中可以得出该方法的优点：动态调整各模块的输出功率以达到最佳功率，将充电功率按照模块的充电功率转化率分配到每个模块，实现功率及效率的精细化控制，保证交直流变换模块工作在最佳效率点或者系统工作在最佳效率点，系统交直流转换损耗最低，提高电能利用率，降低系统热损耗，减缓交直流变换模块的老化速度。
附图说明
图1是一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法的流程图；
图2是热备状态、工作状态和待机状态下模块调用的关系示意图；
图3是电动汽车充电系统示意图。
具体实施方式
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是提供了一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法，如图1所示一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法的流程图，该方法包括以下步骤S1、步骤S2和步骤S3：
步骤S1：为了缩短充电桩对电动汽车充电时反应时间，提高充电效率，预先对充电桩中的矩阵式模块按照算法组织成模块组，有充电需求时可以调用模块组按组调控，上述调用模块的方法称为模块调用法。其中模块调用法的包括步骤S11、步骤S12、步骤S14、步骤S15：
步骤S11：假设充电桩中充电模块的总数为N，接入的模块的个数为NumMOD_REQ，将剩余模块个数按照等比数列an＝a1*qn-1分配，其中a1＝1，q＝2，将等比数列的每一项作为一个组，不能满足等比数列的模块个数设定为NumPOOL。例如：假设充电模块的总数为10，接入的模块的个数为1，剩余模块数为9，将剩余模块按照等比数列分组，第一个组1个模块，第二个组2个模块，第三个组4个模块，剩下2个模块则为NumPOOL。成组的模块处于热备状态，接入的模块处于工作状态，NumPOOL个模块处于待机状态。当电动汽车在充电需要的模块改变时，调用不同状态下(热备状态、工作状态和待机状态)的模块之间的关系如图2所示。
步骤S12：当第一辆电动汽车充电需求增加时，则有模块从空闲状态转为充电状态，优先调度最佳满足功率需求的组，假设为ai，如果NumPOOL>ai，则从NumPOOL中重新分出第i组，如果NumPOOL≤ai，则将等比数列最高项组中模块分解成最佳满足功率需求的组模块数与剩余模块数，其中最佳满足功率需求的组模块数纳入需求增加的组，剩余模块数纳入NumPOOL中。例如：假设充电模块的总数为10，接入的模块的个数为1，剩余模块数为9，将剩余模块按照等比数列分组，第一个组1个模块，第二个组2个模块，第三个组4个模块，剩下2个模块则为NumPOOL。若接入模块新增加1个模块的需求，最佳满足功率需求的组为第一组a1，此时NumPOOL>1，从NumPOOL中重新分出1个模块作为新的组进行充电。若新增加的充电需求为3个模块，最佳满足功率需求的组为第三组a3，此时NumPOOL<4，将热备状态下最高项即第三组分解，分解成3个模块和1个模块，3个模块补充到新增需求的接入模块中，1个模块补充至NumPOOL中。若新增加的充电需求为2个模块，最佳满足功率需求的组为第二组a2，此时NumPOOL＝2，将热备状态下最高项即第三组分解，分别分解成2个模块，2个模块补充到新增需求的接入模块中，2个模块补充至NumPOOL中。
步骤S13：当第一辆电动汽车充电需求减少时，则有b个模块从充电状态转为空闲状态，NumPOOL值增加，未有状态转变前不满足等比数列模块个数为NumPOOL *，每次添加1个模块添加至NumPOOL中，直至增加至b个为止，每增加1个模块时进行如下判断：如果NumPOOL等于an+1，则将NumPOOL个模块纳入第n+1组管理，如果NumPOOL不等于an+1，则NumPOOL＝1+NumPOOL *。例如：假设充电模块的总数为19，接入的模块的个数为10，剩余模块数为9，第一个组1个模块，第二个组2个模块，第三个组4个模块，剩下2个模块则为NumPOOL。若接入的模块中有2个模块空闲，此时将1个空闲模块增加至NumPOOL中，NumPOOL值为3，不满足等比数列第四组中模块值，再将另一个空闲模块增加至NumPOOL中，NumPOOL值为4，不满足等比数列第四组中模块值，最终NumPOOL值为4。若接入的模块中有6个模块空闲，按照上述逐个增加再进行判断的方式，最终NumPOOL值为8，满足等比数列第三组中模块值，将NumPOOL个模块纳入第三组中管理。
步骤S14：当充电控制器接收到第二辆汽车的充电请求时，将从等比数列组中取出满足功率需求的最小项组，此时充电控制器按组控制充电模块，提高控制响应速率。例如：假设充电模块的总数为22，第一辆车接入的模块的个数为3，剩余模块数为17，第一个组1个模块，第二个组2个模块，第三个组4个模块，第四个组8个模块，剩下2个模块则为NumPOOL。此时第二辆电动汽车的充电请求需要3个模块，则选取满足功率需求的最小项组第三组对第二辆电动汽车进行充电。
步骤S2：电动汽车与充电桩握手完成后，电动汽车与充电桩参数配置完成，充电控制单元将准备接入NumMOD_READY个充电模块设置为热备状态。其中，模块准备接入个数NumMOD_READY的计算方法如下，根据参数配置阶段的参数最高允许充电电流IMAX，整车动力蓄电池当前电池电压VPRESENT，计算模块准备接入个数NumMOD_READY，
Figure GDA0003042100810000061
模块准备接入个数NumMOD_READY为正整数。
步骤S3：为了将每个模块输出时的功率落在交直流变换模块最佳功率转换范围[Pmin,Pmax]内，所以动态调整每个模块的输出功率以达到最佳功率，步骤S3包括以下步骤:
其中模块的功率转化率的计算方法如下：根据充电请求功率为PREQ，模块的额定输出功率为PMOD_RAT，模块的功率转换效率函数为fun(power)。假设实际接入的模块个数NumREQ＝k，分别设第1个模块至第K个模块的输出功率分别为P1ACT，P2ACT…PkACT，则有
Figure GDA0003042100810000062
则综合充电转换效率
Figure GDA0003042100810000063
充电目标使得σ趋近于1。
为充电功率按照模块的充电功率转化率分配到每个模块，实现功率及效率的精细化控制，保证交直流变换模块工作在最佳效率点或者系统工作在最佳效率点，系统交直流转换损耗最低，提高电能利用率，降低系统热损耗，减缓交直流变换模块的老化速度。先计算不同功率分配方式下功率转换效率，功率分配方式1：将电动汽车的充电功率平均分配到每一个充电模块，则有功率转换效率为
σ0＝fun(power)。功率分配方式2：假设V2G充电桩有Num个模块处于工作状态，使Num-1个充电模块工作在最佳功率转换点，剩余1个模块负责补足剩余的功率需求。工作在最佳功率转换点时Num-1个充电模块的功率转换效率为σ1，σ1计算公式为σ1＝fun(power)max，σ2为负责补足剩余的功率需求的那一个模块的转换效率，设此时模块的输出功率为PBEST，σ2计算公式为σ2＝fun(PREQ-(NumMOD_REQ-1)*PBEST),此时综合功率转换效率为σ3＝(σ1*(Num-1)+σ2)/Num；若σ0>σ3，则选择功率分配方式1执行控制；若σ0<σ3，则选择功率分配方式2执行控制；若σ0＝σ3，任意选择其中一种方式进行执行。
当实际接入的模块的个数NumREQ由Num变为Num±1时，优先将功率转换效率最低的模块从系统中退出，以减小系统输出功率的波动。
当实际接入的模块的个数NumREQ个数为1时，功率输出模块按照充电请求功率PCHG_REQ输出，此时PCHG_REQ≤PMOD_RAT。
步骤S4：如图3所示为电动汽车充电系统示意图，在充电阶段，充电控制单元获取电动汽车的电压需求、电流需求及充电模式，调整接入的模块个数，利用模块调用法满足充电需求，提高模块的利用率以及交直流转换率，以提高能源利用率。其中，调整接入的模块个数根据充电请求功率PREQ，模块在当前温度下的额定输出功率PMOD_RAT来进行调整，实际接入的模块个数为NumREQ，
Figure GDA0003042100810000071
NumREQ为正整数，且需满足：
PMOD_RAT*(NumREQ-1)<PREQ≤PMOD_RAT*NumREQ
在放电阶段，也可采用该方法。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：预先对充电桩中的矩阵式模块按照算法组织成模块组，形成模块调用法，有充电需求时可以调用模块组，按组调控；步骤S1中所述模块调用法包括以下步骤：
步骤S11：假设充电模块的总数为N，接入的模块的个数为NumMOD_REQ，将剩余模块个数按照等比数列an＝a1*qn-1分配，其中a1＝1，q＝2，将所述等比数列的每一项作为一个组，不能满足等比数列的模块个数设定为NumPOOL；
步骤S12：当充电需求减少时，则有b个模块从充电状态转为空闲状态，NumPOOL值增加，未有状态转变前不满足等比数列模块个数为NumPOOL *，每次添加1个模块添加至NumPOOL中，直至增加至b个为止，每增加1个模块时进行如下判断：如果NumPOOL等于an+1，则将NumPOOL个模块纳入第n+1组管理，如果NumPOOL不等于an+1，则NumPOOL＝1+NumPOOL *；
步骤S13：当充电需求增加时，则有模块从空闲状态转为充电状态，优先调度最佳满足功率需求的组，假设为ai，如果NumPOOL>ai，则从NumPOOL中重新分出第i组，如果NumPOOL≤ai，则将等比数列最高项组中模块分解成最佳满足功率需求的组模块数与剩余模块数，其中最佳满足功率需求的组模块数纳入需求增加的组，剩余模块数纳入NumPOOL中；
步骤S14：当充电控制器接收到汽车的充电请求时，从等比数列中取出满足功率需求的最少项，充电控制器按组控制充电模块；
步骤S2：电动汽车与充电桩握手完成后，电动汽车与充电桩参数配置完成，充电控制单元将准备接入NumMOD_READY个充电模块设置为热备状态；
步骤S3：动态调整所有模块的输出功率，包括以下步骤；
步骤S31：计算不同功率分配方式下功率转换效率；
功率分配方式1：将电动汽车的充电功率平均分配到每一个充电模块，则有功率转换效率为σ0＝fun(power)；
功率分配方式2：让Num-1个充电模块工作在最佳功率转换点，则Num-1个充电模块的功率转换效率为σ1＝fun(power)max，设此时模块的输出功率为PBEST，则第Num个模块的功率转换效率为σ2＝fun(PREQ-(NumMOD_REQ-1)*PBEST),此时综合功率转换效率为
Figure FDA0003042100800000021
步骤S32：若σ0>σ3，则选择功率分配方式1执行控制；若σ0<σ3，则选择功率分配方式2执行控制；
步骤S33：当实际接入的模块的个数NumREQ由Num变为Num±1时，优先将功率转换效率最低的模块从系统中退出，以减小系统输出功率的波动；
步骤S34：当实际接入的模块的个数NumREQ个数为1时，功率输出模块按照充电请求功率PCHG_REQ输出，此时PCHG_REQ≤PMOD_RAT；
步骤S4：在充电阶段，充电控制单元获取电动汽车的电压需求、电流需求及充电模式，调整接入的模块个数，在所述充电阶段使用所述模块调用法。
2.根据权利要求1所述一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，模块准备接入个数NumMOD_READY的计算方法如下，根据参数配置阶段的参数最高允许充电电流IMAX，整车动力蓄电池当前电池电压VPRESENT，计算模块准备接入个数NumMOD_READY，
Figure FDA0003042100800000022
3.根据权利要求2所述一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法，其特征在于：所述模块准备接入个数NumMOD_READY为正整数。
4.根据权利要求1所述一种矩阵式V2G充电桩的精细化控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，调整接入的模块个数的过程根据充电请求功率PREQ,模块在当前温度下的额定输出功率PMOD_RAT,则实际接入的模块个数NumREQ，NumREQ≥1需满足要求如下：PMOD_RAT*(NumREQ-1)<PREQ≤PMOD_RAT*NumREQ。
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