CN116494814A - 一种有序充电转接集成装置及新能源汽车充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有序充电转接集成装置及新能源汽车充电系统，涉及新能源汽车充电技术领域，其技术方案要点是：本发明将转接集成装置装配在充电枪上对新能源汽车进行充电过程中，当变压器高负荷或者超负荷运行时，通过模拟生成对初始CP信号的PWM占空比进行下调修改后的模拟CP信号，来实现对车辆充电的功率调整，从而降低变压器的负荷；当处于用电低谷期时，依据所接收的恢复充电功率命令上调充电桩对车辆的充电功率，不需要车主再到现场人工进行刷卡等操作恢复充电；且用户可以依据对充电时间以及充电电价的要求，灵活选择对转接集成装置的使用，在不需要对整个充电桩进行改造的情况下，也可以大范围实现用电负荷调控。

Description

一种有序充电转接集成装置及新能源汽车充电系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车充电技术领域，更具体地说，它涉及一种有序充电转接集成装置及新能源汽车充电系统。
背景技术
新能源汽车无序充电的随机性、冲击性特征明显，给城市配电网的承载力和安全、可靠、优质运行带来巨大挑战。大部分用户的充电时间都是在下班回家之后，导致充电桩负荷峰值与传统用电负荷高峰时段高度重合，重合率达到85%，造成了峰上叠峰，因此在当前电动汽车的发展速度下，现有配网将逐步无法承载居民区无序充电诉求。同时另一方面可以看到，晚上12-凌晨6点之间，配网负荷进入低谷。
为此，现有技术中记载有依据变压器负荷情况来调整正在运行的充电桩的最大输出功率，而对于尚未运行的充电状进行排队处理，待一个充电桩完成充电后再开启等待状态的充电桩。现有技术中还记载有在变压器负荷超出额定负荷时，通过远程控制将充电桩前的智能断路器进行拉闸断电，达到降低负荷效果；当变压器负荷降低至额定负荷时，再将智能断路器合闸恢复供电。然而，无论是充电桩排队，还是充电桩重新通电，在新能源汽车启动充电时均需要用户进行人工刷卡等操作，并不能自动恢复充电，这就导致新能源汽车在用电高峰期的充电操作复杂，用户体验差；此外，依据变压器负荷情况对所有充电桩的运行进行调控，难以满足在用电高峰期急需充电的用户需求；另外，部分存量的充电桩仍采用固定功率充电方式，并没有采用依据变压器负荷情况对充电桩的运行情况进行调控的控制方式，若需要对此部分存量的充电桩进行升级改造，其投入较大。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的有序充电转接集成装置及新能源汽车充电系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种有序充电转接集成装置及新能源汽车充电系统，通过模拟生成对初始CP信号的PWM占空比进行下调修改后的模拟CP信号，来实现对车辆充电的功率调整，从而降低变压器的负荷，不需要车主再到现场人工进行刷卡等操作恢复充电；且用户可以依据对充电时间以及充电电价的要求，灵活选择对转接集成装置的使用，在不需要对整个充电桩进行改造的情况下，也可以大范围实现用电负荷调控。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种有序充电转接集成装置，包括：
充电协议模拟组件，用于依据充电协议模拟与CP信号传输相关的电路，以实现输入端口与充电桩之间以及输出端口与车辆之间的信号传输；
CP通断模块，两端分别与输入端口、输出端口连接，用于在连通状态时支持充电桩与车辆直联充电控制，以及在断开状态支持充电桩与车辆转接充电控制；
CP信号读取模块，用于采集输入端口所接收初始CP信号的PWM占空比；
输出电压读取模块，用于读取输出端口所传输的PWM高电平；
通讯模块，用于接收充电功率调控信号以及发送充电状态信息；
MCU控制模块，用于对充电协议模拟组件、CP通断模块、CP信号读取模块、输出电压读取模块和通讯模块进行逻辑控制；
其中，所述MCU控制模块在车辆转接充电控制时，依据充电功率调控信号修改初始CP信号的PWM占空比后输出模拟CP信号；
所述MCU控制模块依据PWM高电平判断车辆S2开关的通断，并在S2开关断开时控制CP通断模块连通，实现车辆转接充电控制与车辆直联充电控制的转换。
进一步的，所述转接集成装置包括可与充电枪公头连接的转接母头以及可与汽车充电口母头连接的转接公头；
所述输入端口安装在转接集成装置的转接母头上；
所述输出端口安装在转接集成装置的转接公头上。
进一步的，所述充电协议模拟组件包括：
车辆模拟模块，用于依据充电协议模拟车辆端中与CP信号相关的第一电路；
充电桩模拟模块，用于依据充电协议模拟充电桩端中与CP信号相关的第二电路。
进一步的，所述第一电路包括二极管D1、三极管Q3、电阻R14和电阻R15；
所述电阻R14与电阻R15并联后，一端连接二极管D1的负极，另一端连接三极管Q3的集电极；
其中，二极管D1的正极连接输入端口；
三极管Q3：基极连接MCU控制模块，发射极接地。
进一步的，所述第二电路包括三极管Q1、三极管Q2、电阻R10、电阻R11和电阻R20；
所述三极管Q1的集电极通过电阻R20与三极管Q2的基极连接；
其中，三极管Q1：基极连接MCU控制模块，发射极接地，集电极通过电阻R20连接电源12V；
三极管Q2：发射极连接输入端口，集电极通过电阻R11连接电源12V。
进一步的，所述CP通断模块包括常闭继电器K3和三极管Q4；
所述输入端口与输出端口之间通过常闭继电器K3的常闭触点开关连接；
其中，三极管Q4：基极连接MCU控制模块，发射极接地，集电极通过常闭继电器K3连接电源12V。
进一步的，所述MCU控制模块以由初始CP信号的PWM占空比所决定的充电功率作为模拟CP信号对车辆进行充电的充电功率上限值，并以预设功率作为模拟CP信号对车辆进行充电的充电功率下限值；其中，预设功率不为0。
进一步的，若所述充电功率调控信号为调控触发信号，则MCU控制模块在接收到充电功率调控信号后，依据预设的功率调控幅度对初始CP信号的PWM占空比进行单次修改；
若所述充电功率调控信号为包含所需模拟CP信号的PWM占空比的实时调控信号，则MCU控制模块依据实时调控信号对初始CP信号的PWM占空比进行动态修改。
第二方面，提供了一种新能源汽车充电系统，包括变压器、负荷采集设备、能源路由器、多个充电桩以及如第一方面中任意一项所述的一种有序充电转接集成装置；
多个所述充电桩通过电力线与变压器的输出端连接，转接集成装置安装在充电桩的充电枪上；
所述负荷采集设备安装在变压器的输出端，且负荷采集设备的输出端与能源路由器的输入端连接；
所述能源路由器的输出端与转接集成装置中的通讯模块连接；
其中，能源路由器依据负荷采集设备所采集的变压器的负荷数据生成充电功率调控信号。
进一步的，所述能源路由器与通讯模块采用HPLC载波通信，通过电力线实现与能源路由器进行通信。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种有序充电转接集成装置，将转接集成装置装配在充电枪上对新能源汽车进行充电过程中，当变压器高负荷或者超负荷运行时，通过模拟生成对初始CP信号的PWM占空比进行下调修改后的模拟CP信号，来实现对车辆充电的功率调整，从而降低变压器的负荷；当处于用电低谷期时，依据所接收的恢复充电功率命令上调充电桩对车辆的充电功率，不需要车主再到现场人工进行刷卡等操作恢复充电；且用户可以依据对充电时间以及充电电价的要求，灵活选择对转接集成装置的使用，在不需要对整个充电桩进行改造的情况下，也可以大范围实现用电负荷调控；
2、本发明通过CP通断模块将输入端口与输出端口连接，在没有通电的情况下CP通断模块为连通模式，不会干扰初始CP信号，而在没有干扰初始CP信号的情况下交流充电桩可以正常为车辆充电，而交流充电桩正常为车辆充电以后，就可以从充电线上取电启动整个转接集成装置，无需外接供电；
3、本发明通过采集PWM高电平的电压来判断S2开关的通断，如果S2开关断后，将会断开干扰初始CP信号的模块，使交流充电桩和车辆再次直接连接，这样就不会干扰充电桩与新能源汽车的停止充电逻辑，当新能源车辆重新开始充电时又会重新开始对初始CP信号进行修改操作；
4、本发明通过极简的电路结构来保证转接集成装置与充电桩、车辆之间CP信号的正常传输，在一定程度上使得转接集成装置的体积更小，装置的复杂性更低；
5、本发明集成集成WIFI、蓝牙、4G、电力载波通信等多种通信方式，其中电力载波HPLC可通过电力线与台区的能源路由器（EMS）等设备进行通信，在无4G信号等情况下解决通讯问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中的工作原理图；
图2是本发明实施例1中第一电路的电路原理图；
图3是本发明实施例1中第二电路的电路原理图；
图4是本发明实施例1中CP通断模块的电路原理图；
图5是本发明实施例2中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：一种有序充电转接集成装置，如图1所示，包括充电协议模拟组件、CP通断模块、CP信号读取模块、输出电压读取模块、通讯模块和MCU控制模块。
其中，充电协议模拟组件，用于依据充电协议模拟与CP信号传输相关的电路，以实现输入端口与充电桩之间以及输出端口与车辆之间的信号传输；CP通断模块，两端分别与输入端口、输出端口连接，用于在连通状态时支持充电桩与车辆直联充电控制，以及在断开状态支持充电桩与车辆转接充电控制；CP信号读取模块，用于采集输入端口所接收初始CP信号的PWM占空比；输出电压读取模块，用于读取输出端口所传输的PWM高电平；通讯模块，用于接收充电功率调控信号以及发送充电状态信息；MCU控制模块，用于对充电协议模拟组件、CP通断模块、CP信号读取模块、输出电压读取模块和通讯模块进行逻辑控制；
MCU控制模块在车辆转接充电控制时，依据充电功率调控信号修改初始CP信号的PWM占空比后输出模拟CP信号；此外，MCU控制模块依据PWM高电平判断车辆S2开关的通断，并在S2开关断开时控制CP通断模块连通，实现车辆转接充电控制与车辆直联充电控制的转换。
在充电协议模拟组件中，输出PWM的高电平是不固定的，可能的值是6V和9V，这主要取决于车辆上的S2开关的通断，在S2开关断开后，表示车辆想要停止充电，这时就需要将CP信号通断模块闭合，所以需要此模块来读取输出的PWM的高电平，以此来判断车辆此时需不需要充电。
本发明中的转接集成装置设计为可与充电枪公头灵活拆卸的结构，转接集成装置包括可与充电枪公头连接的转接母头以及可与汽车充电口母头连接的转接公头；输入端口安装在转接集成装置的转接母头上；输出端口安装在转接集成装置的转接公头上。
充电协议模拟组件包括车辆模拟模块和充电桩模拟模块。其中，车辆模拟模块，用于依据充电协议模拟车辆端中与CP信号相关的第一电路；充电桩模拟模块，用于依据充电协议模拟充电桩端中与CP信号相关的第二电路。
如图2所示，第一电路包括二极管D1、三极管Q3、电阻R14和电阻R15；电阻R14与电阻R15并联后，一端连接二极管D1的负极，另一端连接三极管Q3的集电极；其中，二极管D1的正极连接输入端口；三极管Q3：基极连接MCU控制模块，发射极接地。
如图3所示，第二电路包括三极管Q1、三极管Q2、电阻R10、电阻R11和电阻R20；三极管Q1的集电极通过电阻R20与三极管Q2的基极连接；其中，三极管Q1：基极连接MCU控制模块，发射极接地，集电极通过电阻R20连接电源12V；三极管Q2：发射极连接输入端口，集电极通过电阻R11连接电源12V。
本发明通过极简的电路结构来保证转接集成装置与充电桩、车辆之间CP信号的正常传输，在一定程度上使得转接集成装置的体积更小，装置的复杂性更低。
如图4所示，CP通断模块包括常闭继电器K3和三极管Q4；输入端口与输出端口之间通过常闭继电器K3的常闭触点开关连接；其中，三极管Q4：基极连接MCU控制模块，发射极接地，集电极通过常闭继电器K3连接电源12V。
本发明通过CP通断模块将输入端口与输出端口连接，在没有通电的情况下CP通断模块为连通模式，不会干扰初始CP信号，而在没有干扰初始CP信号的情况下交流充电桩可以正常为车辆充电，而交流充电桩正常为车辆充电以后，就可以从充电线上取电启动整个转接集成装置，无需外接供电。
MCU控制模块以由初始CP信号的PWM占空比所决定的充电功率作为模拟CP信号对车辆进行充电的充电功率上限值，并以预设功率作为模拟CP信号对车辆进行充电的充电功率下限值；其中，预设功率不为0。
若充电功率调控信号为调控触发信号，则MCU控制模块在接收到充电功率调控信号后，依据预设的功率调控幅度对初始CP信号的PWM占空比进行单次修改；若充电功率调控信号为包含所需模拟CP信号的PWM占空比的实时调控信号，则MCU控制模块依据实时调控信号对初始CP信号的PWM占空比进行动态修改。
需要说明的是，在交流电正常后，转接集成装置中配置有会将交流电转换成12V和3.3V直流电作为电源的电路。
以台区下一个900户家庭小区为例，小区变压器容量选择的典型案例为：三相配电系数按0.26，每户按6kW，计算负荷为900*6*0.26=1404kW，按功率因数0.9，负载率不宜超85%来考虑，1404/0.9/0.85=1835kVA，选择2000kVA的变压器安装，冗余容量为165kVA。一般家用交流充电桩功率为 7kW，按功率因数0.9计算为7/0.9=7.78kVA，165/7.78=21，此小区最大仅能21个车位安装交流充电桩，在夏季晚上7点左右，做饭时空调等家电同时运行，新能源车主下班回家后进行充电，小区变压器将满负荷或重过载运行，容易损坏导致无法保障居民生活用电。
使用政策、电价优惠等方式，将本发明装置安装到用户交流充电桩上，在台区能源路由器处实时监控变压器负荷情况，根据负荷情况对交流充电桩进行柔性动态控制充电功率，极端情况下将所有交流充电桩的充电功率下调为1%，每个交流充电桩所需容量仅为7*0.01/0.9=0.078kVA，21个交流充电桩所需容量仅为1.6kVA，大幅降低变压器负荷压力，小区最大可容纳交流充电桩数量可以大幅提升。在凌晨用电低谷时，恢复充电桩的充电功率，保障新能源汽车充电需求，达到削峰填谷的效果。使用本发明装置，辅以柔性控制策略，可在台区或小区变压器不扩容的情况下让台区变压器工作在最佳状态，延长变压器的寿命，节省变压器的维护成本，同时满足更多新能源汽车用户安装交流充电桩的需求。
实施例2：一种新能源汽车充电系统，如图5所示，包括变压器、负荷采集设备、能源路由器、多个充电桩以及如实施例1中所记载的一种有序充电转接集成装置。
其中，多个充电桩通过电力线与变压器的输出端连接，转接集成装置安装在充电桩的充电枪上；负荷采集设备安装在变压器的输出端，且负荷采集设备的输出端与能源路由器的输入端连接；能源路由器的输出端与转接集成装置中的通讯模块连接；能源路由器依据负荷采集设备所采集的变压器的负荷数据生成充电功率调控信号。
负荷采集设备可以是电流互感器和/或电压互感器，也可以是其他能够采集变压器负荷数据的设备或器件。
在本实施例中，通信模块集成WIFI、蓝牙、4G、电力载波通信（HPLC）通信能力，可以通过多种方式与后台服务通信，接收后台服务发出的控制充电功率命令、上送装置当前功率、电压等状态信息。
能源路由器与通讯模块采用HPLC载波通信，通过电力线实现与能源路由器进行通信。其中，电力载波HPLC可通过电力线与台区的能源路由器（EMS）等设备进行通信，在无4G信号等情况下解决通讯问题。
工作原理：本发明将转接集成装置装配在充电枪上对新能源汽车进行充电过程中，当变压器高负荷或者超负荷运行时，通过模拟生成对初始CP信号的PWM占空比进行下调修改后的模拟CP信号，来实现对车辆充电的功率调整，从而降低变压器的负荷；当处于用电低谷期时，依据所接收的恢复充电功率命令上调充电桩对车辆的充电功率，不需要车主再到现场人工进行刷卡等操作恢复充电；且用户可以依据对充电时间以及充电电价的要求，灵活选择对转接集成装置的使用，在不需要对整个充电桩进行改造的情况下，也可以大范围实现用电负荷调控。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有序充电转接集成装置，其特征是，包括：
充电协议模拟组件，用于依据充电协议模拟与CP信号传输相关的电路，以实现输入端口与充电桩之间以及输出端口与车辆之间的信号传输；
CP通断模块，两端分别与输入端口、输出端口连接，用于在连通状态时支持充电桩与车辆直联充电控制，以及在断开状态支持充电桩与车辆转接充电控制；
CP信号读取模块，用于采集输入端口所接收初始CP信号的PWM占空比；
输出电压读取模块，用于读取输出端口所传输的PWM高电平；
通讯模块，用于接收充电功率调控信号以及发送充电状态信息；
MCU控制模块，用于对充电协议模拟组件、CP通断模块、CP信号读取模块、输出电压读取模块和通讯模块进行逻辑控制；
其中，所述MCU控制模块在车辆转接充电控制时，依据充电功率调控信号修改初始CP信号的PWM占空比后输出模拟CP信号；
所述MCU控制模块依据PWM高电平判断车辆S2开关的通断，并在S2开关断开时控制CP通断模块连通，实现车辆转接充电控制与车辆直联充电控制的转换。
2.根据权利要求1所述的一种有序充电转接集成装置，其特征是，所述转接集成装置包括可与充电枪公头连接的转接母头以及可与汽车充电口母头连接的转接公头；
所述输入端口安装在转接集成装置的转接母头上；
所述输出端口安装在转接集成装置的转接公头上。
3.根据权利要求1所述的一种有序充电转接集成装置，其特征是，所述充电协议模拟组件包括：
车辆模拟模块，用于依据充电协议模拟车辆端中与CP信号相关的第一电路；
充电桩模拟模块，用于依据充电协议模拟充电桩端中与CP信号相关的第二电路。
4.根据权利要求3所述的一种有序充电转接集成装置，其特征是，所述第一电路包括二极管D1、三极管Q3、电阻R14和电阻R15；
所述电阻R14与电阻R15并联后，一端连接二极管D1的负极，另一端连接三极管Q3的集电极；
其中，二极管D1的正极连接输入端口；
三极管Q3：基极连接MCU控制模块，发射极接地。
5.根据权利要求3所述的一种有序充电转接集成装置，其特征是，所述第二电路包括三极管Q1、三极管Q2、电阻R10、电阻R11和电阻R20；
所述三极管Q1的集电极通过电阻R20与三极管Q2的基极连接；
其中，三极管Q1：基极连接MCU控制模块，发射极接地，集电极通过电阻R20连接电源12V；
三极管Q2：发射极连接输入端口，集电极通过电阻R11连接电源12V。
6.根据权利要求1所述的一种有序充电转接集成装置，其特征是，所述CP通断模块包括常闭继电器K3和三极管Q4；
所述输入端口与输出端口之间通过常闭继电器K3的常闭触点开关连接；
其中，三极管Q4：基极连接MCU控制模块，发射极接地，集电极通过常闭继电器K3连接电源12V。
7.根据权利要求1所述的一种有序充电转接集成装置，其特征是，所述MCU控制模块以由初始CP信号的PWM占空比所决定的充电功率作为模拟CP信号对车辆进行充电的充电功率上限值，并以预设功率作为模拟CP信号对车辆进行充电的充电功率下限值；其中，预设功率不为0。
8.根据权利要求1所述的一种有序充电转接集成装置，其特征是，若所述充电功率调控信号为调控触发信号，则MCU控制模块在接收到充电功率调控信号后，依据预设的功率调控幅度对初始CP信号的PWM占空比进行单次修改；
若所述充电功率调控信号为包含所需模拟CP信号的PWM占空比的实时调控信号，则MCU控制模块依据实时调控信号对初始CP信号的PWM占空比进行动态修改。
9.一种新能源汽车充电系统，其特征是，包括变压器、负荷采集设备、能源路由器、多个充电桩以及如权利要求1-8任意一项所述的一种有序充电转接集成装置；
多个所述充电桩通过电力线与变压器的输出端连接，转接集成装置安装在充电桩的充电枪上；
所述负荷采集设备安装在变压器的输出端，且负荷采集设备的输出端与能源路由器的输入端连接；
所述能源路由器的输出端与转接集成装置中的通讯模块连接；
其中，能源路由器依据负荷采集设备所采集的变压器的负荷数据生成充电功率调控信号。
10.根据权利要求9所述的一种新能源汽车充电系统，其特征是，所述能源路由器与通讯模块采用HPLC载波通信，通过电力线实现与能源路由器进行通信。
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