CN113285509B - 带自学习的充电桩功率分配控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带自学习的充电桩功率分配控制系统，包括开关控制板、开关阵列，直流接触器、输出直流母线、输入直流母线，开关控制板具备IO控制信号、AD采样、电流采样功能；开关控制板上具备有CAN通信接口，该CAN通信接口在使用时与充电控制主控CCM通信获取汽车需求电压、电流；开关阵列通过充电模块与输入直流母线相接；开关阵列通过输出直流母线与充电枪相接。本发明实施时，对充电模块的工作引入环境温度、模块的充电效率曲线、电池电压平台、电池实时充电电压、电流、模块的工作时间这些实时采集量、开关阵列次数，并利用上述实时数据自主变化控制参数，进而达到充电功率分配最优化。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车充电控制系统，具体地说是一种用于电动汽车充电站内使用的带自学习的充电桩功率分配控制系统及方法。
背景技术
为了快速满足电动汽车的补能需要，减少充电时长，目前充电桩的功率越来越大。但在实际的充电站的充电桩使用过程中发现，现有的大功率充电桩的功率分配还比较初级，具体的说，是简单以左右枪整个功率的切换，并不能让充电桩的充电功率达到最优。
更具体的说，因为电动汽车的充电是一个恒流、恒压、小电流充电的过程。而现有充电桩内一般包括多个充电模块，当恒流充电时候，针对一些需求功率比较大的车来说各充电模块都能满功率工作，此时效率最高，但工作在恒压模式时，需要电流减小，假如分配给所有参与工作的充电模块工作，自然每个充电模块工作的效率点最低，自然损耗增加。为解决充电模块的工作效率问题及损耗问题，目前也有一些较为初级的充电控制系统，其主要是根据充电功率需求，进而简单的控制某些充电模块满功率工作，另一些充电模块不工作，但这样的是固定某些充电模块长时间满功率工作。这样对开关阵列的次数、以及充电模块工作时间会导致不平衡。
基于上述现状，如何引入了根据电动汽车充电需求电压、电流以及充电模块的充电效率曲线，并通过实时检测需求功率，结合充电模块的充电效率曲线，进行充电模块阵列的控制管理，从而加强充电桩效率的提升，是行业内一直研究的方向和急迫需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足，提供一种可以根据充电车辆的充电需要结合环境温度、充电模块的充电效率曲线、电池电压平台、电池实时充电电压、电流、充电模块的工作时间等实时采集量自主学习控制从而使每个终端充电效率最优的带自学习的充电桩功率分配控制系统。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种带自学习的充电桩功率分配控制系统，包括开关控制板、开关阵列，直流接触器、输出直流母线、输入直流母线，开关控制板具备IO控制信号、AD采样、电流采样功能；开关控制板上具备有CAN通信接口，该CAN通信接口在使用时与充电控制主控CCM通信获取汽车需求电压、电流；开关阵列通过充电模块与输入直流母线相接；开关阵列通过输出直流母线与充电枪相接。
进一步的说，开关阵列内有多个可控开关，每个可控开关独立与开关控制板相连接。
进一步的说，开关阵列内的每个独立的可控开关通过一充电模块与一独立的输入直流母线连接。
进一步的说，开关阵列内的各可控开关与同一输出直流母线相连接配合。
进一步的说，直流接触器安装在输出直流母线上，用于控制输出直流母线与被充电电动汽车间的连通状态。
本发明还包括基于上述系统的一种带自学习的充电桩功率分配控制方法，包括以下步骤：
S1：获取充电汽车内BMS的充电需求M_need。
S2：根据充电需求M_need内的电压V_need电流C_need、需求功率P_need以及充电模块功率曲线PwrMatrix_mod确定需要分配的充电模块个数N，并求出每个充电模块的输出电压电流。
S3：根据充电模块累计工作时间以及开关阵列的次数求出所有充电模块的权重序列S。
S4：根据充电模块的权重选择权重小的N个充电模块叠加到当前输出或在当前工作充电模块中选择权重大的N个充电模块退出当前输出。
S5：结合充电模块的温度特性进行限功率。
进一步的说，所述步骤S1中获取BMS充电需求M_need，具体包括以下步骤：
S10：获取充电控制主控CCM下发的需求电压V_need和需求电流C_need，然后将V_need和功率分配控制系统中的输出直流母线的最高输出电压V_max进行比较判断是否小于等于V_max，当V_need>V_max时，全部充电模块工作并全功率工作，不进行功率分配。
S11；将需求电流C_need和功率分配控制系统中的输出直流母线的C_max进行比较，C_max为功率分配控制系统中的输出直流母线的最高输出电流，当C_need>C_max时，输出直流母线的输出电流为C_max；当C_need<C_max，功率分配控制系统中的输出直流母线的输出电流为C_need。
进一步的说，所述步骤S2中根据需求电压V_need电流C_need、需求功率P_need以及充电模块功率曲线PwrMatrix_mod确定需要分配的充电模块个数N并求出每个充电模块的输出电压电流，具体包括以下步骤：
S20：充电功率不足需要功率切换标记为S_p；计算当前分配的充电模块总功率P_dist，将P_dist与需求功率P_need进行比较；当P_need>P_dist，此时分配的功率不满足BMS需求，令S_p=1;如果P_need<P_dist表明当前充电模块功率超过BMS需求功率，需要降功率令S_p=-1。
S21：充电电流不足需要功率切换标记为S_c；计算当前分配的充电模块总电流C_dist，当C_need>C_dist，此时分配的电流不足，令S_c=1；当C_need<C_dist则当前充电模块电流超过了BMS需求电流，需要降功率令S_c=-1。
S22：当S_p=1或者S_c=1时，需要分配新的充电模块一起工作，设定单个充电模块（恒功率充电模块）的最大功率是P_m，最大输出电流为C_m，按照需求电流来计算出需要的充电模块个数N_need=（1+C_need）÷C_max，又令当前分配的充电模块个数为N_current，那么需要分配的充电模块个数为N_new=N_need-N_current；如果S_p=-1或者S_c=-1那么需要降低充电模块功率，需要关闭的充电模块个数N_turnOff=N_need-N_current。
S23：根据S22步骤求出的充电模块个数计算每个充电模块分配的电流C_cur=C_need÷N。
进一步的说，所述步骤S3中根据充电模块累计工作时间以及开关阵列的次数求出所有充电模块的权重序列S，具体包括以下步骤：
S30：每个充电模块的累计工作时间标记为TWork_x（其中x是充电模块序号），开关阵列的开关次数标记为SCounts_x（x是开关阵列的序号）；其中分配给TWork_x的权重为4，SCounts_x的权重为2，那么每个充电模块的权重计算公式为W_x=TWork_x×4+SCounts_x×2，从而得到权重序列S。
进一步的说，所述步骤S4中根据充电模块的权重选择权重小的N个充电模块叠加到当前输出或者在当前工作充电模块中选择权重大的N个充电模块退出当前输出，具体包括以下步骤：
S40：对权重序列S进行升序排序，当需要叠加到输出的充电模块个数N_new>0，当前待机状态的充电模块权重由小到大排序的前N_new个权重对应的充电模块就是需要分配的充电模块；当N_turnOff<0，当前工作充电模块的权重由大到小排序的前N_turnOff个充电模块需要关闭。
进一步的说，所述步骤S5中结合充电模块的温度特性进行限功率，具体包括以下步骤：
S50：当充电模块的工作温度高于温度阈值时，限制其输出功率，在设置充电模块工作参数的时候判断充电模块工作温度；充电模块温度接近限功率的温度阈值时（5℃的冗余量），限制充电模块输出电流防止充电模块限功率，取限流因子为80%，当满足限制条件时充电模块的工作电流Cur_x=C_cur×0.8，充电模块的工作电压Vol_x=V_need。
本发明实施时，对充电模块的工作引入环境温度、模块的充电效率曲线、电池电压平台、电池实时充电电压、电流 、模块的工作时间这些实时采集量、开关阵列次数，并利用上述实时数据自主变化控制参数，进而达到充电功率分配最优化。
附图说明
附图被结合在说明书中并构成说明书的一部分，附图示出了本说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。
图1为本发明具体实施例的自学习型功率分配系统步骤流程图。
图2为本发明具体实施例的自学习型功率分配系统结构示意图。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本说明书及其应用或使用的任何限制。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示 或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在 发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。
在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
参考图2，带自学习的充电桩功率分配控制系统，包括开关控制板、开关阵列，直流接触器、输出直流母线、输入直流母线，开关控制板具备IO控制信号、AD采样、电流采样；开关控制板上具备有CAN通信接口，该CAN通信接口在使用时与充电控制主控CCM通信获取汽车需求电压、电流；开关阵列通过充电模块与输入直流母线相接；开关阵列通过输出直流母线与充电枪相接。开关阵列内有多个可控开关，每个可控开关独立与开关控制板相连接。每个独立的可控开关通过一充电模块与一独立的输入直流母线相连接。各可控开关与同一输出直流母线相连接配合；直流接触器安装在输出直流母线上，用于控制输出直流母线与被充电电动汽车间的连通状态。
参照图1可知上述系统具体的功率分配过程步骤如下：
1、获取到BMS的需求后判断需求电压，然后得到正确的V_need。
2、判断需求电流，计算出正确的电流C_need。
3、判断当前模块功率是否满足BMS需求功率，如果不满足就需要重新分配模块。
4、判断当前模块电流是否满足BMS需求电流，如不满足则需要重新分配模块。
5、结合前述步骤中的判断结果决定是否需要进行功率切换。这里功率切换既可以是分配新的模块又可以是关闭模块输出。
6、经过前述步骤之后需要重新计算每个模块分配的电流，这是因为模块电流调整是实时的不管是需要重新分配模块或者关闭模块。
7、根据每个模块的权重计算公式为W_x=TWork_x×4+SCounts_x×2统计所有模块的权重信息，TWork_x为模块的累计工作时间，SCounts_x为模块对应的开关执行次数。
8、当需要分配新的模块时，我们将当前待机的模块权重升序排序取前N个权重对应的模块就是需要分配的新模块；当需要退出模块时，我们将当前工作中的模块权重降序排序取前N个权重对应的模块就是需要关闭的模块。
9、当模块温度上升到接近限功率阈值时，限制模块输出功率为分配功率的0.8防止模块温度上升过快。
10、经过S50可以得到需要分配的模块或者关闭的模块。在分配新模块的时候开关控制板先采集系统输出直流母线上的电压，然后对模块进行预充。
11、预充过程当AD采样得到模块的输出电压与输出直流母线上的电压误差在±5%以内，闭合模块对应的接触器开关，然后按照分配的功率进行输出。在关闭模块输出的时候，先降低模块输出电流当电流<5A时断开模块对应的接触器，然后发命令让模块关机。
以上已经描述了本说明书的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人物来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人物能理解本文披露的各实施例。本申请的范围由所附权利要求来限定。
Claims (1)
1.一种带自学习的充电桩功率分配控制系统，其特征在于：包括开关控制板、开关阵列，直流接触器、输出直流母线、输入直流母线，开关控制板具备IO控制信号、AD采样、电流采样功能；开关控制板上具备有CAN通信接口，该CAN通信接口在使用时与充电控制主控CCM通信获取汽车需求电压、电流；开关阵列内有多个可控开关，每个可控开关独立与开关控制板相连接；开关阵列内的每个独立的可控开关通过一充电模块与一独立的输入直流母线相连接；开关阵列内的各可控开关与同一输出直流母线相连接配合；直流接触器安装在输出直流母线上，用于控制输出直流母线与被充电电动汽车间的连通状态；
控制系统工作时包括以下步骤：
S1：获取充电汽车内BMS的充电需求M_need；
S2：根据充电需求M_need内的电压V_need电流C_need、需求功率P_need以及充电模块功率曲线PwrMatrix_mod确定需要分配的充电模块个数N，并求出每个充电模块的输出电压电流；
S3：根据充电模块累计工作时间以及开关阵列的次数求出所有充电模块的权重序列S；
S4：根据充电模块的权重选择权重小的N个充电模块叠加到当前输出或在当前工作充电模块中选择权重大的N个充电模块退出当前输出；
S5：结合充电模块的温度特性进行限功率；
步骤S1中获取BMS充电需求M_need，具体包括以下步骤：
S10：获取充电控制主控CCM下发的需求电压V_need和需求电流C_need，然后将V_need和功率分配控制系统中的输出直流母线的最高输出电压V_max进行比较判断是否小于等于V_max，当V_need>V_max时，全部充电模块工作并全功率工作，不进行功率分配；
S11；将需求电流C_need和功率分配控制系统中的输出直流母线的C_max进行比较，C_max为功率分配控制系统中的输出直流母线的最高输出电流，当C_need>C_max时，输出直流母线的输出电流为C_max；当C_need<C_max，功率分配控制系统中的输出直流母线的输出电流为C_need；
步骤S2中根据需求电压V_need电流C_need、需求功率P_need以及充电模块功率曲线PwrMatrix_mod确定需要分配的充电模块个数N并求出每个充电模块的输出电压电流,具体包括以下步骤：
S20：充电功率不足需要功率切换标记为S_p;计算当前分配的充电模块总功率P_dist，将P_dist与需求功率P_need进行比较；当P_need>P_dist，此时分配的功率不满足BMS需求，令S_p=1;如果P_need<P_dist表明当前充电模块功率超过BMS需求功率，需要降功率令S_p=-1；
S21：充电电流不足需要功率切换标记为S_c;计算当前分配的充电模块总电流C_dist，当C_need>C_dist，此时分配的电流不足，令S_c=1；当C_need<C_dist则当前充电模块电流超过了BMS需求电流，需要降功率令S_c=-1；
S22：当S_p=1或者S_c=1时，需要分配新的充电模块一起工作，设定单个充电模块的最大功率是P_m，最大输出电流为C_m，按照需求电流来计算出需要的充电模块个数N_need=（1+C_need）÷C_max，又令当前分配的充电模块个数为N_current，那么需要分配的充电模块个数为N_new=N_need-N_current；如果S_p=-1或者S_c=-1那么需要降低充电模块功率，需要关闭的充电模块个数N_turnOff=N_need-N_current；
S23：根据S22步骤求出的充电模块个数计算每个充电模块分配的电流C_cur=C_need÷N；
步骤S3中根据充电模块累计工作时间以及开关阵列的次数求出所有充电模块的权重序列S，具体包括以下步骤：
S30：每个充电模块的累计工作时间标记为TWork_x，开关阵列的开关次数标记为SCounts_x；其中分配给TWork_x的权重为4，SCounts_x的权重为2，那么每个充电模块的权重计算公式为W_x=TWork_x×4+SCounts_x×2，从而得到权重序列S；
步骤S4中根据充电模块的权重选择权重小的N个充电模块叠加到当前输出或者在当前工作充电模块中选择权重大的N个充电模块退出当前输出，具体包括以下步骤：
S40：对权重序列S进行升序排序，当需要叠加到输出的充电模块个数N_new>0，当前待机状态的充电模块权重由小到大排序的前N_new个权重对应的充电模块就是需要分配的充电模块；当N_turnOff<0，当前工作充电模块的权重由大到小排序的前N_turnOff个充电模块需要关闭；
步骤S5中结合充电模块的温度特性进行限功率，具体包括以下步骤：
S50：当充电模块的工作温度高于温度阈值时，限制其输出功率，在设置充电模块工作参数的时候判断充电模块工作温度；充电模块温度接近限功率的温度阈值时，限制充电模块输出电流防止充电模块限功率，取限流因子为80%，当满足限制条件时充电模块的工作电流Cur_x=C_cur×0.8，充电模块的工作电压Vol_x=V_need。
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