CN113859023B - 减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统及电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动汽车充电控制技术领域，公开了一种减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统及电路，充电检测控制单元用于监测电动汽车是否与充电桩连接，并获取电动汽车所需的充电功率，并实时监控汽车端功率需求变化；用于基于获取的功率数据向充电模块发出相应的动态充电控制指令，接通所需充电模块并输出对应的需求功率组合；按照预置时间策略，发出指令控制充电桩电源开关和供电变压器电源开关，适时(如闲置时段)切断设备供电电源；控制机构设置于设备前端，控制设备电源通断；储能电池用于断电情况下为控制机构和检测单元供电。本发明实现了功率自动匹配，减少直流充电功率模块和设备空载运行无功损耗。

Description

减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统及电路

技术领域

本发明属于电动汽车充电控制技术领域，尤其涉及一种减少电动汽车充电 桩空载损耗的三级自动控制系统及电路。

背景技术

目前，随着全球气候变暖，减少碳排放，实施碳中和，倡导绿色出行成为 人类生活共识。新能源电动汽车是践行绿色发展的重要策略，截止2020年底， 全国累计新能源汽车保有量达到1181万辆，而2021年1-7月，我国新能源汽 车的产销量分别达到150.4万辆和147.8万辆，已超过去年全年，产销两旺。随 着电动汽车产业的迅猛发展，充电桩作为电动汽车的基础充电设施，其作用愈 发突显出来。到2020年，新增集中式充换电站超过12万座，分散式充电桩超过480万个。

然而，大量充电桩的建设投运，面临两个问题，其一是物联网、云计算、 移动通信等IT技术的不断进步，充电桩作为一个信息技术产品，更新迭代快， 就像手机一样，3年就面临一个淘汰周期；其二是汽车的移动属性，决定了充电 设备必须有一个合理的分布，但总体来说电动汽车的保有量还是有限，因此， 电动汽车的远距离行驶的充电需求与充电设施配套建设成为了“先有鸡还是先 有蛋”的矛盾，也就造成了大量建设在高速公路服务区、偏远风景名胜区的充电桩利用率极低。据中国充电联盟的统计表明，全国整个公共充电桩的使用率 还不到10％，即平均每天充电时间不足3小时，特别是在一些偏远景区充电桩，有时几天不见一个电动汽车来充电，闲置非常严重。

充电桩闲置带来的问题：一是充电桩通常安装在室外，长期不用导致电子 器件及接插头受潮氧化，使得电动汽车急需充电的时候反而不能运行，并且容 易发生漏电引起安全事故；二是由于充电桩长期处于空载运行，整流模块和配 电变压器无负荷情况下的无功损耗大，使得充电站运营商在没有提供充电服务 获取收入的情况下被供电局进行无功电量考核，增加企业经济负担。

目前主要是通过人工值守，在不充电的时候拉闸断电，但这种方式对偏远 地区部署的无人值守充电桩执行困难，距离运营企业办公地点几百公里，来去 一趟要花上一整天时间，而且当断了电，可能恰好有电动汽车过来需要紧急充 电，却有电不能充，完全失去了为客户服务的社会责任。另外，拉闸断电也只 能切断充电桩的电，而并不能切断配电变压器的电，实际上变压器空载的无功损耗也很大，还是一样要被供电部门收取率调电费。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的电动汽车充电桩使 用率不高，充电站的空载损耗大。

解决以上问题及缺陷的难度为：鉴于充电桩分布广，特别是很多零散充电 桩，点多面广，而电动汽车充电需求存在明显的阶段聚集性特征，比如风景区 在旅游旺季、高速服务区在节假日充电繁忙，但是在其它时段则大量处于空载 运行。通过人工切断电源既不科学，也会增加人力成本，而远程控制则缺乏灵 活性和数据支撑，断电决策缺乏依据，零散分布的充电桩管控更加困难，大量的空载损耗和供电部门的率调电费考核显著增加了充电桩运营成本。

解决以上问题及缺陷的意义为：通过本发明的三级控制方法，能够有效实 现充电功率按照电动汽车需求动态柔性输出，并且在充电空闲期，大型充电站 能切断部分充电桩甚至供电变压器的电源，减少电能空载损耗，而当充电车辆 增加时，实时监测本站充电桩已满负荷则自动投运原来断电的充电设备，满足 充电需求。本控制方法软硬件结合，通过积累充电数据，实时监测电动汽车充电需求，在宏观上充电桩运行数量和微观上的充电模块动态切换，全面解决充 电桩和供配电设施空载损耗问题，对充电桩运营能源节约、降低成本、智慧化 管理具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种减少电动汽车充电桩空载损 耗的三级自动控制系统及电路。

本发明是这样实现的，一种减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制 系统，所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统包括：

充电检测控制单元，设置于充电桩终端，与动力电池信息管理系统BMS连 接；用于监测电动汽车是否与充电桩连接，并获取电动汽车所需的充电功率， 并实时监控汽车端功率需求变化；用于基于获取的功率数据向充电模块发出相 应的动态充电控制指令；同时用于控制供电变压器电源开关与充电桩电源开关；

充电模块，设置于充电桩终端，与充电检测控制单元连接；用于基于充电 控制指令向电动汽车输出对应充电功率；

动力电池信息管理系统BMS，设置于汽车端，与充电检测控制单元连接， 用于获取当前电动汽车储能电池的负载情况，并发送至充电检测控制单元。

本发明的另一目的在于提供一种应用于所述减少电动汽车充电桩空载损耗 的三级自动控制系统的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制方法，所 述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制方法包括：

步骤一，充电检测控制单元监测电动汽车是否连接到充电桩终端，当充电 桩终端与电动汽车相连接时，充电检测控制单元与动力电池信息管理系统BMS 进行通讯，获取电动汽车所需的充电功率；

步骤二，充电检测控制单元基于获取的电动汽车所需的充电功率判断电动 汽车是否需要充电，若判断电动汽车无需充电，则按照预设充电控制策略切断 充电桩电源以及供电变压器电源；若判断电动汽车需要充电，则转向步骤三；

步骤三，充电检测控制单元检测充电桩电源是否处于接通状态，若处于接 通状态，则充电检测控制单元基于获取的电动汽车所需的充电功率接通相应容 量的充电模块，并动态控制充电模块向电动汽车输出对应充电功率；否则，转 向步骤四；

步骤四，判断供电变压器电源是否处于接通状态，若是，则接通充电桩电 源并进行自检，同时返回步骤三；若供电变压器电源未处于接通状态，则接通 变压器供电电源并自检；同时接通充电桩电源并进行自检，并返回步骤三。

进一步，所述动态控制充电模块向电动汽车输出对应充电功率包括：

充电过程中充电检测控制单元实时监控电动汽车的功率需求变化，基于所 述电动汽车的功率需求变化对充电模块进行动态控制。

进一步，所述基于所述电动汽车的功率需求变化对充电模块进行动态控制 包括：

当所述电动汽车的功率需求增加即当前功率不足时，则接通更多的充电模 块增加功率输出；

当所述电动汽车的功率需求减少时，则释放相应充电模块。

本发明的另一目的在于提供一种应用于所述减少电动汽车充电桩空载损耗 的三级自动控制系统的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制电路，所 述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制电路设置有：

供电变压器、充电桩输入电源、充电直流模块输入电源、供电变压器输入 开关、充电桩输入电源控制开关、充电直流模块输入电源控制接触器组；

供电变压器输入开关为供电变压器的电源开关，用于基于网络通讯控制技 术接收充电控制指令，并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池进行自动通 断；

充电桩输入电源控制开关为充电桩的电源开关，用于基于网络通讯控制技 术接收充电控制指令，并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池进行自动通 断；

充电直流模块输入电源控制接触器组，即充电桩内部的充电模块通断继电 器；用于控制充电桩的充电模块的电源通断。

进一步，所述通断继电器与充电桩内部的充电模块一一对应。

进一步，所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制电路还设置有：

充电控制逻辑，用于在不同时间段切断充电桩电源开关B，供电变压器电源 开关A。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计 算机程序使电子设备执行所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制方 法，包括下列步骤：

步骤一，充电检测控制单元监测电动汽车是否连接到充电桩终端，当充电 桩终端与电动汽车相连接时，充电检测控制单元与动力电池信息管理系统BMS 进行通讯，获取电动汽车所需的充电功率；

步骤二，充电检测控制单元基于获取的电动汽车所需的充电功率判断电动 汽车是否需要充电，若判断电动汽车无需充电，则按照预设充电控制策略切断 充电桩电源以及供电变压器电源；若判断电动汽车需要充电，则转向步骤三；

步骤三，充电检测控制单元检测充电桩电源是否处于接通状态，若处于接 通状态，则充电检测控制单元基于获取的电动汽车所需的充电功率接通相应容 量的充电模块，并动态控制充电模块向电动汽车输出对应充电功率；否则，转 向步骤四；

步骤四，判断供电变压器电源是否处于接通状态，若是，则接通充电桩电 源并进行自检，同时返回步骤三；若供电变压器电源未处于接通状态，则接通 变压器供电电源并自检；同时接通充电桩电源并进行自检，并返回步骤三。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终 端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所 述处理器执行时，使得所述处理器执行所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三 级自动控制方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明通过自动检测是否有车辆前来充电的状态，再按照电动汽车充电容 量需求分级接通相应容量的充电模块进行充电的方法及电路，避免直流充电模 块空载运行增加损耗；并且在充电桩长期没有车辆前来充电情况下，或者因为 充电桩区域、时间(深夜)等原因充电车辆较少情况下，切断充电场站内的部 分充电桩，仅留能够满足当前电动汽车数量的充电桩工作；如果在季节性或比 较长时间无车充电情况下，直接切断供电变压器高压侧开关，整个供电、配电及充电系统均处于断电状态，最大限度减少充电站的空载损耗。

本发明通过监测电动汽车是否需要充电，并根据电动汽车的电池容量和充 电功率需求，接通充电桩满足需求的直流充电功率模块，并随充电过程的变化 切断或接通需要的功率模块来增加或减少输出功率，实现功率自动匹配，减少 直流充电功率模块空载运行无功损耗。

本发明采用时间累积算法和充电监测技术来控制投入运行的充电桩数量， 并进一步控制供电变压器运行的数量，即按时间累计前来充电的电动汽车数量 和充电时间，计算出整个充电站的充电桩空闲时间，然后经过大数据统计预测 在每个时间段充电桩使用频率，实时投运相应的充电桩；当出现长时间空闲时 段(比如季节性景区充电站)，在不同变压器供电情况下，则可直接切断变压 器高压供电侧开关，建设变压器无功损耗。

本发明通过实时检测是否有电动汽车前来充电，在供电电源断开情况下， 分级接通各级开关，逐级恢复充电电路，满足电动汽车充电需求。

本发明通过在充电桩内安装储能电池，储能电池在电源接通时充满电，当 供电电源切断时给充电桩监测控制回路、充电功率模块继电器、充电桩电源开 关控制电路、变压器电源开关控制电路供电，保证在外部电源完全切断后系统 控制回路的电源供电。

附图说明

图1是本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制 系统结构示意图；

图中：1、充电检测控制单元；2、充电模块；3、动力电池信息管理系统BMS。

图2是本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制 方法原理图。

图3是本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制 方法流程图。

图4是本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制 电路示意图；

图中：A1、A2表示供电变压器输入开关；B1、B2、B3、B4表示充电桩输 入电源控制开关；K、P、R、S表示充电直流模块输入电源控制接触器组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种减少电动汽车充电桩空载损 耗的三级自动控制系统及电路，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自 动控制系统包括：

充电检测控制单元1，设置于充电桩终端，与动力电池信息管理系统BMS 连接；用于监测电动汽车是否与充电桩连接，并获取电动汽车所需的充电功率， 并实时监控汽车端功率需求变化；用于基于获取的功率数据向充电模块发出相 应的动态充电控制指令；同时用于控制供电变压器电源开关与充电桩电源开关；

充电模块2，设置于充电桩终端，与充电检测控制单元连接；用于基于充电 控制指令向电动汽车输出对应充电功率；

动力电池信息管理系统BMS 3，设置于汽车端，与充电检测控制单元连接， 用于获取当前电动汽车储能电池的负载情况，并发送至充电检测控制单元。

如图2-图3所示，本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三 级自动控制方法包括：

S101，充电检测控制单元监测电动汽车是否连接到充电桩终端，当充电桩 终端与电动汽车相连接时，充电检测控制单元与动力电池信息管理系统BMS进 行通讯，获取电动汽车所需的充电功率；

S102，充电检测控制单元基于获取的电动汽车所需的充电功率判断电动汽 车是否需要充电，若判断电动汽车无需充电，则按照预设充电控制策略切断充 电桩电源以及供电变压器电源；若判断电动汽车需要充电，则转向步骤S103；

S103，充电检测控制单元检测充电桩电源是否处于接通状态，若处于接通 状态，则充电检测控制单元基于获取的电动汽车所需的充电功率接通相应容量 的充电模块，并动态控制充电模块向电动汽车输出对应充电功率；否则，转向 S104；

S104，判断供电变压器电源是否处于接通状态，若是，则接通充电桩电源 并进行自检，同时返回步骤S103；若供电变压器电源未处于接通状态，则接通 变压器供电电源并自检；同时接通充电桩电源并进行自检，并返回步骤S103。

本发明实施例提供的动态控制充电模块向电动汽车输出对应充电功率包 括：

充电过程中充电检测控制单元实时监控电动汽车的功率需求变化，基于所 述电动汽车的功率需求变化对充电模块进行动态控制。

本发明实施例提供的基于所述电动汽车的功率需求变化对充电模块进行动 态控制包括：

当所述电动汽车的功率需求增加即当前功率不足时，则接通更多的充电模 块增加功率输出；

当所述电动汽车的功率需求减少时，则释放相应充电模块。

如图4所示，本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自 动控制电路设置有：

供电变压器、充电桩输入电源、充电直流模块输入电源、供电变压器输入 开关、充电桩输入电源控制开关、充电直流模块输入电源控制接触器组；

供电变压器输入开关为供电变压器的电源开关，用于基于网络通讯控制技 术接收充电控制指令，并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池进行自动通 断；

充电桩输入电源控制开关为充电桩的电源开关，用于基于网络通讯控制技 术接收充电控制指令，并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池进行自动通 断；

充电直流模块输入电源控制接触器组，即充电桩内部的充电模块通断继电 器；用于控制充电桩的充电模块的电源通断。

本发明实施例提供的通断继电器与充电桩内部的充电模块一一对应。

本发明实施例提供的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制电路还 设置有：

充电控制逻辑，用于在不同时间段切断充电桩电源开关B，供电变压器电源 开关A。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

图4中展示了某个充电站供配充电路结构，充电站由多个(图中为2个) 供电变压器分别给两组充电桩(每组充电桩数量为1到N台(图中为2台)；

A1、A2为供电变压器1、2的电源开关，该开关具备网络通讯控制功能， 并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池实现自动通断；

B1、B2、B3、B4为充电桩1、2、3、4的电源开关，该开关具备网络通讯 控制功能，并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池实现自动通断；

K1～K4、P1～P4、R1～R4、S1～S4为充电桩内部的充电模块通断继电器， 按照充电桩的模块数量每个模块由1个继电器控制电源通断；

充电检测单元连接到充电桩终端，当充电桩终端与电动汽车相连接时，检 测单元和汽车端的动力电池信息管理系统BMS进行通讯，获取电动汽车所需的 充电功率，然后接通相应容量的充电桩充电模块，向电动汽车输出对应充电功 率；

充电过程中充电检测单元实时监控汽车端功率需求变化，按需对充电桩内 的充电模块进行控制，功率不足则接通更多的模块增加功率输出，功率减少则 释放相应充电模块减少过大功率空载运行，降低损耗；

充电检测控制单元检测到有电动汽车连接需要进行充电时，若此时充电桩 电源未接通，则先去接通充电桩电源开关B，然后再按照电动汽车功率需求接通 充电模块，并实时检测控制功率输出，动态匹配；

充电检测控制单元检测到有电动汽车连接需要进行充电时，若此时供电变 压器电源断开，则先控制供电变压器电源开关A接通电源，然后接通充电桩电 源开关B，充电桩自检后，控制充电桩充电模块继电器，实现对电动汽车充电功 率动态分配；

充电检测控制单元中内置充电控制逻辑，实现在不同时间段切断充电桩电 源开关B，供电变压器电源开关A，建设设备空载运行的无功损耗。)

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上； 术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、 “头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合 来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中， 由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普 通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在 处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸 如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载 体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、 可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的 处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

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技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (1)

1.一种减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统，其特征在于，所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统包括：

充电检测控制单元，设置于充电桩终端，与动力电池信息管理系统BMS连接；用于监测电动汽车是否与充电桩连接，并获取电动汽车所需的充电功率，并实时监控汽车端功率需求变化；用于基于获取的功率数据向充电模块发出相应的动态充电控制指令；同时用于控制供电变压器电源开关与充电桩电源开关；

充电模块，安装于充电桩终端或集中式充电堆，与充电检测控制单元连接；用于基于充电控制指令向电动汽车输出对应充电功率；

所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统还包括：

动力电池信息管理系统BMS，设置于汽车端，与充电检测控制单元连接，用于获取当前电动汽车动力电池的负载情况，并发送至充电检测控制单元；

应用于所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制方法包括：

步骤一，充电检测控制单元监测电动汽车是否连接到充电桩终端，当充电桩终端与电动汽车相连接时，充电检测控制单元与动力电池信息管理系统BMS进行通讯，获取电动汽车所需的充电功率；

步骤二，充电检测控制单元基于获取的电动汽车动力电池数据，若判断电动汽车电池故障则发出报警避免自燃等安全事故，并按照预设充电控制策略切断充电桩电源以及供电变压器电源；若判断电动汽车动力电池正常需要充电，则转向步骤三；

步骤三，充电检测控制单元检测充电桩电源是否处于接通状态，若处于接通状态，则充电检测控制单元基于获取的电动汽车所需的充电功率接通相应容量的充电模块，并动态控制充电模块向电动汽车输出对应充电功率；否则，转向步骤四；

步骤四，判断供电变压器电源是否处于接通状态，若是，则接通充电桩电源并进行自检，同时返回步骤三；若供电变压器电源未处于接通状态，则接通变压器供电电源并自检；同时接通充电桩电源并进行自检，并返回步骤三；

所述动态控制充电模块向电动汽车输出对应充电功率包括：

充电过程中充电检测控制单元实时监控电动汽车的功率需求变化，基于所述电动汽车的功率需求变化对充电模块进行动态控制；

所述基于所述电动汽车的功率需求变化对充电模块进行动态控制包括：

当所述电动汽车的功率需求增加即当前功率不足时，则接通更多的充电模块增加功率输出；

当所述电动汽车的功率需求减少时，则释放相应充电模块；

应用于所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制系统的减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制电路设置有：

供电变压器、充电桩输入电源、充电直流模块输入电源、供电变压器输入开关、充电桩输入电源控制开关、充电直流模块输入电源控制接触器组；

供电变压器输入开关为供电变压器的电源开关，用于基于网络通讯控制技术接收充电控制指令，并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池进行自动通断；

充电桩输入电源控制开关为充电桩的电源开关，用于基于网络通讯控制技术接收充电控制指令，并且在断电情况下通过充电桩自带储能电池进行自动通断；

充电直流模块输入电源控制接触器组，即充电桩内部的充电模块通断继电器；用于控制充电桩的充电模块的电源通断；

所述通断继电器与充电桩内部的充电模块一一对应；

所述减少电动汽车充电桩空载损耗的三级自动控制电路还设置有：

充电控制逻辑，用于在不同时间段切断充电桩电源开关B，供电变压器电源开关A。