CN114559850B - 一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统及控制方法，克服了现有技术单桩系统具有功率合理配置难度高、现场安装调试时间长、投资较大、功率浪费的问题，包括硬件连接部分和控制硬件连接部分的软件控制部分，硬件连接部分包括若干充电机和充电桩，每一台充电机对应十二个充电桩；每个充电机包括N个充电模块、N个A型PDU模块和一个B型PDU模块，每个充电模块均连接在同一个交流母线上，每个充电模块分别与一个A型PDU模块连接，每个充电桩与所有充电模块连接。本发明功率共享、节能高效，功率动态分配，柔性充电，平滑扩展、具有可持续性，能够降低成本、快速部署。

Description

一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统及控制方法

技术领域

本发明涉及充电技术领域，尤其是涉及一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统及控制方法。

背景技术

目前，我国公共充电设施建设很大程度上还存在缺口，充电设备往往供不应求，而传统直流充电桩功率固化，无法给不同功率需求的电动汽车充电，因此兼容性差。其次，传统直流充电桩无法适应电池技术迅速发展的需求，从而导致投资的充电设备无法持续使用，因此适应性差。且电动汽车充电设施建设具有建设周期长、各个场站单桩功率合理配置难度高、现场安装调试时间长、投资较大、功率浪费等缺点。随着未来电池技术迅速的发展，电动汽车充电倍率的大幅提升，各大车企不断突破大电流充电瓶颈，从而导致投资的常规充电设备无法持续使用。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的单桩系统具有功率合理配置难度高、现场安装调试时间长、投资较大、功率浪费的问题，解决传统的全矩阵式群控系统具有结构设计复杂、成本过高、控制逻辑复杂不易稳定等缺点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统的控制方法，包括以下内容：系统检测同时充电的车辆的充电需求，开始的时候，第一辆车占用180KW充电功率，第二辆车充电需求也是180KW，但是只剩余60KW的可用功率，当第一辆车大功率充电SOC达到99％的时候，需求会降至60KW左右，那么系统会立刻将冗余的120KW退出至空闲状态，然后分配投切给第二辆车需求使用；

通过30KW的功率极差分配，统计当前需求，根据当前需求使用功率分配算法分配具体的充电模块供充电桩使用。

作为优选，所述功率分配算法为：每个充电模块功率为30KW，云平台连接充电桩与充电模块，充电桩连接有短期、触摸屏、车辆交互系、电能表、充电控制、状态监测、液冷装置和数据采集；

云平台通过车辆交互采集当前使用的充电桩数量，即同时充电的车辆数量，若仅有一台车辆充电，则计算其当前需求，当前需求为与每个充电模块功率的比值为n，分配n+1个充电模块供当前充电桩使用；若当前需求小于30KW，系统根据功率分配算法投切一个对应的30KW的充电模块给当前充电桩使用，若需求大于30KW小于60KW则投切两个对应的30KW的充电模块给当前充电桩使用；

若当前充电车辆数量大于1，当前充电车辆数量为i，每个车辆的需求为Ni，判断总需求是否大于720KW，若大于720KW则优先为第一辆车充电，当第一辆车大功率充电SOC达到99％的时候，需求会降至60KW左右然后分配投切给后续车辆需求使用。

一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，包括硬件连接部分和控制硬件连接部分的软件控制部分，硬件连接部分包括若干充电机和充电桩，每一台充电机对应十二个充电桩；每个充电机包括N个充电模块、N个A型PDU模块和一个B型PDU模块，每个充电模块均连接在同一个交流母线上，每个充电模块分别与一个A型PDU模块连接，每个充电桩与所有充电模块连接。

本发明将充电模块集成在一起提高功率，利用功率分配控制技术对充电模块进行集中控制和管理，动态分配给12个充电桩为电动汽车充电，充电桩之间功率完全共享，提高每个充电桩的最大输出，每个充电桩都可以获得最理想的充电功率，能高效的提升充电站的利用率及收益率。

作为优选，所述B型PDU模块为6进6出的PDU模块。

作为优选，所述A型PDU模块为1进6出的PDU模块B型PDU模块。

作为优选，所述B型PDU模块一侧连接1-6号充电桩，B型PDU模块另一侧连接7-12号充电桩；数量为N/2的A型PDU模块与1-6号充电桩连接，剩余的数量为N/2的A型PDU模块与7-12号充电桩连接。

作为优选，所述充电模块功率为30KW，系统扩展功率为30NKW。

作为优选，所述十二个充电桩包括1号充电桩和2-12号充电桩，1号充电桩为超级快充桩，充电接口为额定500KW、500A@1000V的GBT液冷充电接口；2-12号充电桩为普通快充桩，充电接口为额定187KW、250A@750V的GBT自冷充电接口。

作为优选，所述软件控制部分包括TCU控制模块、CCU控制模块、PCU控制模块和PDU控制模块；

TCU控制模块包括CPU处理器、非易失性存储器、ESAM模块、定位模块、语音模块、通信接口、显示接口、开关量输入接口、开关量输出接口、时钟和电源，TCU控制模块与系统充电控制器通信；

CCU控制模块的电气接口包括充电连接控制导引、BMS通讯、电压电流采样与控制、开入状态监测、开出控制；

PCU控制模块电气接口包括充电模块控制、状态监测、开出控制；

PDU控制模块上集成有功率分配接触器。

TCU、CCU、PCU、PDU等核心控制模块组成，各控制模块分工明确，各司其职，有利于系统功率和充电桩数的平滑扩展，且单桩故障不影响其他充电桩的正常使用，无需断总电即可安全维护。

因此，本发明具有如下有益效果：

1.功率共享，节能高效：将充电站内功率模块集中部署，以30KW的功率极差分配，如一辆电动汽车充电，需求仅为20KW，系统根据功率分配控制算法通过A型PDU投切1个30KW的单元功率模块给充电桩充电使用，致使每个充电桩都可以获得最理想的充电功率，能高效的提升充电站的利用率及收益率；

2.功率动态分配，柔性充电：根据充电车辆BMS所发出的充电需求，动态分配充电功率，从而提高设备的使用率；在整个充电过程中，控制系统根据车辆需求的上升及下降，动态的增加及降低充电功率；

3.平滑扩展、可持续性：仅设计1#充电桩为超级快充接口，超级快充接口既可给普通的快充接口车辆充电，也可以给超级快充接口车辆充电。在不久的将来，超级快充电动汽车普及后，只需增加充电模块数量及A型PDU模块数量即可完成功率扩展，提高系统现在以及未来的兼容性；

4.降低成本、快速部署：系统的控制逻辑为矩阵式母联控制逻辑，而常规群控系统的控制逻辑为全矩阵式控制逻辑，且控制逻辑复杂，不易稳定；两种功率控制的共同优点为每个功率模块均可投切至每台充电桩使用，但是本系统的充电机整体结构设计会更小、内部结构设计更为简便及容易实现，控制逻辑简易稳定，成本甚低。

附图说明

图1是实施例1的720KW超级快充群控系统功率分配控制框图。

图2是全矩阵式群控系统。

图3是实施例2的超级快充群控系统功率扩展图。

1.充电模块 2、A型PDU模块 3、B型PDU模块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1：

本实施例提供了一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，包括硬件连接部分和控制硬件连接部分的软件控制部分，如图1所示，硬件连接部分包括若干充电机和充电桩，每一台充电机对应十二个充电桩；每个充电机包括24个充电模块1、24个A型PDU模块2和一个B型PDU模块3，每个充电模块均连接在同一个交流母线上，每个充电模块分别与一个A型PDU模块连接，每个充电桩与所有充电模块连接。

A型PDU模块为1进6出的PDU模块B型PDU模块；B型PDU模块为6进6出的PDU模块；B型PDU模块一侧连接1-6号充电桩，B型PDU模块另一侧连接7-12号充电桩；数量为12的A型PDU模块与1-6号充电桩连接，剩余的数量为12的A型PDU模块与7-12号充电桩连接；实现矩阵式母联控制的功率分配，功率分配调节极差为30KW。每个充电桩均可以获取到所有的充电模块功率，每个充电模块均可以分配至12个充电桩上，即每个充电桩最大可输出720KW。

1号充电桩设计为超级快充桩，采用额定500KW、500A@1000V的GBT液冷充电接口，输出通过软件限流，长时间限流500A，短时间5分钟内允许达到600A。

2-12号充电桩设计为普通快充桩，采用额定187KW、250A@750V的GBT自冷充电接口，输出通过软件限流250A。

软件控制部分包括TCU控制模块、CCU控制模块、PCU控制模块和PDU控制模块；TCU是计费控制单元的简称，TCU控制模块包括CPU处理器、非易失性存储器、ESAM模块、定位模块、语音模块、通信接口、显示接口、开关量输入接口、开关量输出接口、时钟和电源，TCU控制模块与系统充电控制器通信；

CCU是充电控制器的简称，CCU控制模块的电气接口包括充电连接控制导引、BMS通讯、电压电流采样与控制、开入状态监测、开出控制；

PCU是功率控制器的简称，PCU控制模块电气接口包括充电模块控制、状态监测、开出控制；PDU是功率分配模块的简称，功率分配接触器集成在PDU模块上，模块化设计，便于维护更换，主要负责电能的分配传送。

常规的充电站建设为120KW的单桩，如一辆纯电动汽车来充电，需求仅为20KW，那么将造成剩余100KW的资源浪费，长期以来，投资运营的收益率大大下降。

而超级快充群控系统是将充电站内功率模块集中部署，以30KW的功率极差分配，如一辆电动汽车充电，需求仅为20KW，系统根据功率分配控制算法通过A型PDU投切1个30KW的单元功率模块给充电桩充电使用，致使每个充电桩都可以获得最理想的充电功率，能高效的提升充电站的利用率及收益率。

根据充电车辆BMS所发出的充电需求，动态分配充电功率，从而提高设备的使用率。在整个充电过程中，控制系统根据车辆需求的上升及下降，动态的增加及降低充电功率，例如：两辆车同时充电，开始的时候，第一辆车占用180KW充电功率，第二辆车充电需求也是180KW，但是只剩余60KW的可用功率，当第一辆车大功率充电SOC达到99％的时候，需求会降至60KW左右，那么系统会立刻将冗余的120KW退出至空闲状态，然后分配投切给第二辆车满需求使用。从而实现功率动态分配，柔性充电。

如图2所示，传统的全矩阵式群控系统与本发明对比，两种系统的PDU模块所使用的接触器组数分别为150和288，每组接触器为正负极共2只，故本系统所使用的接触器数量可减少276只，目前市场上此型号接触器价格约80元左右，所以本系统单种器件的成本即可降低约2.2万元，且能实现同样的功率分配效果。

本系统具有集中化、预装式的特点，可大量节省现场的安装调试时间，极大的缩短充电站的建设周期。

实施例2：

图3中充电模块数量为N，其余方案均与实施例1相同，对功率进行扩展，A型PDU模块数量也为N。N表示模块数量，若N＝30，则整个系统扩展为900KW。

PDU控制器可控制12只接触器的闭合及断开从而实现电能往各个充电桩的传输，且实时监测每个接触器的开合状态并上传给上级监控，确保功率分配投切的准确性、可靠性。

充电机的功率仓独立设计，与其他部件结构隔离开来，形成独立的风道，配置调速风机用以散热，实时监测进风口及出风口的温升情况，设置安全阈值，一旦触发立即降额输出，从而实现本系统安全、稳定的运行。

超级快充桩配置液冷源及液冷充电枪，从而实现500KW的超级快充。超级快充桩内置温度传感器、压力传感器、流量传感器实时监测冷源的安全数据，从而提高大功率充电的安全性及可靠性。液冷源设计为预装式，可后期增装，为后期大功率超级快充车辆的普及，为兼容现在、拥抱未来，提供有利条件。

具有2种充电模式，智能充电模式和均分充电模式，总监控的用户设置界面上可设置。

1、智能充电模式：

每台充电桩根据车辆的BMS需求，以先来先得的最优方式智能分配功率进行充电，适用于白天社会车辆及公交快速补电。

2、均分充电模式：

每套720KW超级快充群控系统上的12台充电桩，无论BMS需求多少，12台充电桩均分输出，即每个充电桩固定60KW最大输出，适用于集中式直流充电站的车辆夜间集体补电，同时也避免了夜间光线不好，移车过程中导致车辆的擦碰等问题，而且整个夜间充电功率比较小，使得出现安全问题的几率更小。

本实施例还提供一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统的控制方法，包括以下内容：系统检测同时充电的车辆的充电需求，开始的时候，第一辆车占用180KW充电功率，第二辆车充电需求也是180KW，但是只剩余60KW的可用功率，当第一辆车大功率充电SOC达到99％的时候，需求会降至60KW左右，那么系统会立刻将冗余的120KW退出至空闲状态，然后分配投切给第二辆车需求使用；

通过30KW的功率极差分配，统计当前需求，根据当前需求使用功率分配算法分配具体的充电模块供充电桩使用。

功率分配算法为：每个充电模块功率为30KW，云平台连接充电桩与充电模块，充电桩连接有短期、触摸屏、车辆交互系、电能表、充电控制、状态监测、液冷装置和数据采集；云平台通过车辆交互采集当前使用的充电桩数量，即同时充电的车辆数量，若仅有一台车辆充电，则计算其当前需求，当前需求为与每个充电模块功率的比值为n，分配n+1个充电模块供当前充电桩使用；若当前需求小于30KW，系统根据功率分配算法投切一个对应的30KW的充电模块给当前充电桩使用，若需求大于30KW小于60KW则投切两个对应的30KW的充电模块给当前充电桩使用；

若当前充电车辆数量大于1，当前充电车辆数量为i，每个车辆的需求为Ni，判断总需求是否大于720KW，若大于720KW则优先为第一辆车充电，当第一辆车大功率充电SOC达到99％的时候，需求会降至60KW左右然后分配投切给后续车辆需求使用。

上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统的控制方法，其特征是，包括以下内容：系统检测同时充电的车辆的充电需求，开始的时候，第一辆车占用180KW充电功率，第二辆车充电需求也是180KW，但是只剩余60KW的可用功率，当第一辆车大功率充电SOC达到99％的时候，需求会降至60KW左右，那么系统会立刻将冗余的120KW退出至空闲状态，然后分配投切给第二辆车需求使用；

通过30KW的功率极差分配，统计当前需求，根据当前需求使用功率分配算法分配具体的充电模块供充电桩使用；所述功率分配算法为：每个充电模块功率为30KW，云平台连接充电桩与充电模块，充电桩连接有短期、触摸屏、车辆交互系、电能表、充电控制、状态监测、液冷装置和数据采集；

云平台通过车辆交互采集当前使用的充电桩数量，即同时充电的车辆数量，若仅有一台车辆充电，则计算其当前需求，当前需求为与每个充电模块功率的比值为n，分配n+1个充电模块供当前充电桩使用；若当前需求小于30KW，系统根据功率分配算法投切一个对应的30KW的充电模块给当前充电桩使用，若需求大于30KW小于60KW则投切两个对应的30KW的充电模块给当前充电桩使用；

若当前充电车辆数量大于1，当前充电车辆数量为i，每个车辆的需求为Ni，判断总需求是否大于720KW，若大于720KW则优先为第一辆车充电，当第一辆车大功率充电SOC达到99％的时候，需求会降至60KW左右然后分配投切给后续车辆需求使用。

2.一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，采用权利要求1所述的一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统的控制方法，其特征是，包括硬件连接部分和控制硬件连接部分的软件控制部分，硬件连接部分包括若干充电机和充电桩，每一台充电机对应十二个充电桩；每个充电机包括N个充电模块、N个A型PDU模块和一个B型PDU模块，每个充电模块均连接在同一个交流母线上，每个充电模块分别与一个A型PDU模块连接，每个充电桩与所有充电模块连接；所述B型PDU模块一侧连接1-6号充电桩，B型PDU模块另一侧连接7-12号充电桩；数量为N/2的A型PDU模块与1-6号充电桩连接，剩余的数量为N/2的A型PDU模块与7-12号充电桩连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，其特征是，所述B型PDU模块为6进6出的PDU模块。

4.根据权利要求2所述的一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，其特征是，所述A型PDU模块为1进6出的PDU模块B型PDU模块。

5.根据权利要求2所述的一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，其特征是，所述充电模块功率为30KW，系统扩展功率为30NKW。

6.根据权利要求2所述的一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，其特征是，所述十二个充电桩包括1号充电桩和2-12号充电桩，1号充电桩为超级快充桩，充电接口为额定500KW、500A@1000V的GBT液冷充电接口；2-12号充电桩为普通快充桩，充电接口为额定187KW、250A@750V的GBT自冷充电接口。

7.根据权利要求2所述的一种基于矩阵式母联控制的超级快充群控系统，其特征是，所述软件控制部分包括TCU控制模块、CCU控制模块、PCU控制模块和PDU控制模块；

TCU控制模块包括CPU处理器、非易失性存储器、ESAM模块、定位模块、语音模块、通信接口、显示接口、开关量输入接口、开关量输出接口、时钟和电源，TCU控制模块与系统充电控制器通信；

CCU控制模块的电气接口包括充电连接控制导引、BMS通讯、电压电流采样与控制、开入状态监测、开出控制；

PCU控制模块电气接口包括充电模块控制、状态监测、开出控制；

PDU控制模块上集成有功率分配接触器。