TWI443505B - 智慧型行動載具充電系統及其操作方法 - Google Patents

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Description

智慧型行動載具充電系統及其操作方法
本發明係有關一種智慧型充電系統及其操作方法，尤指一種智慧型行動載具充電系統及其操作方法。
傳統的電動汽車供電設備(electric vehicle supply equipment,EVSE)的設計與發展，並沒有與電網通訊結合。並且，迄今為止的重點乃在於電源保護、電費計算以及安全可靠之功能。雖然這些功能提供了電動汽車充電所需要之最低要求，但是電動汽車供電設備(EVSE)必須能適應未來的變化，才會變得更具有能力。
基於一些原因，未來的電動汽車供電設備需要與電網連接，而當中最主要的原因乃在於電力負載管理(utility load management)的需要。由於插電式電動汽車(plug-in electric vehicles,PEVs)或混合動力電動汽車(hybrid electric vehicles,HEVs)大規模的使用，因此直接或間接造成電網負載的增加。假如能夠對電網負載提供有效地管理，例如，將充電時間轉移至離峰時段或對發電與配電網路提供更好的利用與運轉，如此，再無需再增設新的發電廠。此外，智慧型充電(smart charging)也能夠使得區域配電資產(local distribution asset)，例如變壓器(transformer)得到更好地利用。對電力事業公司(utility compan-ies)而言，能避免隨著負載多樣化(load diversific-ation)與尖峰負載管理智慧化(intelligent peak- load management)而造成區域變壓器容量的提升，是達到成本規避(cost avoidance)的主要策略。
除此之外，更最重要的是，插電式電動汽車的消費者也能夠受惠於智慧型EVSE。利用將插電式電動汽車的充電時間調整至夜間，不僅能使得發電成本下降，在某些情況下，也具有負值之區域邊際價格(locational mar-ginal price,LMP)，然而，這通常伴隨著風力發電的使用。智慧型EVSE也能夠接受直流快速充電，這將有助於插電式電動汽車使用者解決充電時間的問題。因此，智慧型充電(smart charging)將開啟插電式電動汽車的價值，並且將其推廣至大眾市場。綜上所述，智慧型EVSE係為電動汽車未來的核心組件。
智慧型充電的需求與EVSE成本問題兩者是密不可分的。現有通訊協定(communication protocol)的使用，例如CDMA調變解調變(CDMA modems)以及蜂巢式網路通訊(cellular network communication)，是系統成本主要的來源。如果每個EVSE都使用蜂巢式網路通訊作為主要電網通訊的來源，將會使得成本太高。因此，智慧型EVSE需要一個最佳化的通訊策略，使最大限度地減少整體成本，同時對電動汽車充電和電網負載提供更有效地管理。次要相關的問題在於EVSE本身的硬體成本。根據美國電動汽車協會(Plug-In America)對於二級(level 2,L2)所訂定的規格，經UL認證的EVSE其成本介於1,000美元和4,500美元之間。惟，事實上，這樣的成本是阻礙電動汽車在市場被廣為採用的原因之一，而 且，上述的成本尚未包括電網通訊的軟體與硬體。若將這種硬體加上多種形式的通訊協定，例如CDMA、Wi-Fi…等等，將會是造成成本增加的來源。
因此，如何設計出一種智慧型行動載具充電系統及其操作方法，使得該充電設備係根據該電網之供電資訊與該電動汽車之充電資訊，以對該電動汽車進行智慧充電，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。
本發明之一目的在於提供一種充電設備，以克服習知技術的問題。該充電設備係包含一量測單元、一通訊單元及一控制單元。該量測單元係連接該電網，以量測該電網之一輸出電壓與一輸出電流。該通訊單元係接收該電網之一輸出電壓與一輸出電流資訊、該電動汽車所需之一充電電壓與一充電電流資訊以及該電網之一負載狀況資訊。該控制單元係連接該量測單元與該通訊單元。其中，該控制單元係在符合一充電授權條件下，根據該輸出電壓與該輸出電流資訊、該充電電壓與該充電電流資訊以及該負載狀況資訊，以控制該電網透過一充電連接單元對該電動汽車進行適應性充電。
本發明之另一目的在於提供一種智慧型行動載具充電系統，以克服習知技術的問題。該智慧型行動載具充電系統係包含一充電設備、一電表及一雲端伺服器。該充電設備係連接於一電網與一電動汽車之間，以利用該電網進行供電，並對該電動汽車提供充電。該電表係操作性連接於該電網與該充電設備之間，且與該電網進行通訊 ，以獲得該電網提供至該充電設備之一輸出電壓與一輸出電流資訊。該雲端伺服器係操作性連接該電網，且該雲端伺服器進一步透過一閘道裝置與該充電設備操作性連接，以接收該輸出電壓與該輸出電流資訊與該電動汽車所需之一充電電壓與一充電電流資訊。其中，該充電設備係根據該輸出電壓與該輸出電流資訊、該充電電壓與該充電電流資訊及該電網之一負載狀況資訊，且在符合一充電授權條件下，對該電動汽車進行適應性充電。
本發明之再另一目的在於提供一種智慧型行動載具充電操作方法，係透過一電網對一電動汽車充電，以克服習知技術的問題。該智慧型行動載具充電系統之操作方法係包含下列步驟：(a)提供一充電設備，且該充電設備係連接於該電網與該電動汽車之間；(b)該電動汽車係提供一充電請求命令，且透過該充電設備傳送至該電網，以對該電網提出充電請求；(c)該電網係提供一充電許可命令，且透過該充電設備傳送至該電動汽車，以允許該電動汽車進行充電；(d)該電動汽車係提供一充電確認命令，且透過該充電設備傳送至該電網，以對該電網提出充電通知；及(e)該電網係透過該充電設備對該電動汽車充電。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
本發明包含一種實現住宅用途之智慧型充電設備的低成本最佳化方法。此最佳化方法考慮到一些智慧型電網化之充電設備的成本最佳化策略，包括設計一個精簡的智慧型充電設備架構、解決區域變壓器過載的問題、開發智慧型充電設備和PEV之間的通訊演算法、採用ZigBee無線技術、整合多種特色、結合多種功能在一個微處理器中、與電力事業公司連結的移動與位置相關通訊、提供可選擇的Wi-Fi通訊、提供自動偵測，以及使用大量生產能力的設計理念。
精簡的智慧型充電設備架構需要與區域的低成本無線網路連接，像是充電設備與家庭區域網路通訊閘道(home area network gateway,HAN gateway)之間的連接或是充電設備與家庭能源閘道(home energy gate-way,HEG)之間的連接，能夠最大限度地減少通訊需求和充電設備的成本。透過建立端對端(EVSE-to-EVSE,E2E)的通訊網路，使得社區區域網路(neighborhood area network,NAN)解決了區域變壓器過載的問題。其中，社區區域網路中的充電設備在不需要透過任何與電力事業公司的溝通下，能夠有智慧地彼此溝通，並且，透過判斷最佳的充電順序，以防止變壓器過載。值得一提，上述的新型通訊演算法，主要包含兩層結構：(1)利用社區區域網路端對端的通訊策略，來解決變壓器過載的問題；(2)利用與電力事業公司的雙向通訊，來解決電力超載的問題。其中，ZigBee無線技術被用來做為EVSE提供所有功能，並且達到低成本要求的通訊技術。至於 整合多種特色方面，可將原本不同製造商生產包裝的電源保護、收入級計量(revenue grade metering)…等等整合在一起，如此能夠減少元件數量(整個系統預估可減少約百分之五十)、最大限度地減少重複的電路，進而使得成本降低。關於結合多種功能係透過由一個微處理器處理，以減少電路板層的成本並且提高微處理器的控制與演算能力。再者，透過便宜的、可替換的閘道實現與電力事業公司連結的移動與位置相關通訊。可選擇的Wi-Fi(802.11)通訊能夠支援沒有家庭能源閘道(HEG)的家庭使用。此外，也提供閘道自動檢測、智慧型電表基礎建設(advanced metering infrastruc-ture,AMI)以及其他智慧型充電設備。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參見第一圖，係為本發明一充電設備之方塊示意圖。該充電設備10係連接於一外部交流電網與一電動汽車之間。該充電設備10係包含一量測單元102、一通訊單元104及一控制單元106。該量測單元102係連接該外部交流電網，以量測該外部交流電網之一輸出電壓與一輸出電流大小。該通訊單元104係接收該外部交流電網之一供電資訊、該電動汽車之一充電資訊以及該電網之負載狀況資訊。其中，該外部交流電網之該供電資訊係包含該交流電網之一輸出電壓與一輸出電流資訊；該電動汽車之該充電資訊係包含該電動汽車所需之一充電電壓與一充電電流資訊；該電網之負載狀況資訊係為該電網處於 重載或輕載之操作狀況。再者，該通訊單元104係具有ZigBee通訊協定、Wi-Fi通訊協定或藍芽(blue tooth)通訊協定之功能。該控制單元106係連接該量測單元102與該通訊單元104。其中，該控制單元106係根據該外部交流電網之供電資訊與該電動汽車之充電資訊，控制該外部交流電網透過一連接於該電動汽車與該控制單元106之一充電連接單元108，對該電動汽車充電。其中，該充電連接單元108係為一具有電力線通訊(power line communication,PLC)之SAE J1772充電接頭。此外，該控制單元106係控制連接於該控制單元106之一顯示單元110，顯示該外部交流電網對該電動汽車之供電狀況。再者，該充電設備10係進一步包含一保護單元112，以提供接地故障保護、過電流保護或過電壓保護。
請參見第二圖，係為本發明一智慧型行動載具充電系統之示意圖。該智慧型行動載具充電系統係主要包含一充電設備10、一電表40及一雲端伺服器50。該充電設備10係連接於一電網20與一電動汽車30之間，以利用該電網20進行供電，並對該電動汽車30提供充電。該電表40係操作性連接於該電網20與該充電設備10之間，且與該電網20進行通訊，以獲得該電網20提供至該充電設備20之供電資訊。該雲端伺服器50係操作性連接該電網20，且透過一閘道裝置60與該充電設備10操作性連接，以接收該電網20之供電資訊與該電動汽車30之充電資訊。其中，該充電設備10係根據該電網20之供電資訊與該電動汽車30之充電資訊，且在符合一充電授權條件下，以對該 電動汽車30進行智慧充電。
其中，該充電授權條件係包含：一充電請求授權模式，其包含：當該電動汽車透過該充電設備提供一充電請求命令給該電網時，該電網係根據電網負載狀況，以判斷是否接受該充電請求命令；其中，當電網負載狀況為輕載時，該電網係接收該充電請求命令；當電網負載狀況為重載時，該電網係拒絕該充電請求命令。一充電許可授權；當該電網透過該充電設備提供一充電許可命令給該電動汽車時，該電動汽車係根據該電網之該輸出電壓與該輸出電流資訊，以判斷是否接受該充電許可命令；其中，當該電網之該輸出電壓與該輸出電流符合該電動汽車所需之該充電電壓與該充電電流時，該電動汽車係接受該充電許可命令；當該電網之該輸出電壓與該輸出電流無法符合該電動汽車所需之該充電電壓與該充電電流，該電動汽車係拒絕該充電許可命令。以及一充電通知授權模式，其包含：當該電動汽車透過該充電設備提供一充電確認命令給該電網時，該電網係根據該電動汽車所需之該充電電壓與該充電電流資訊，以判斷是否接受該充電確認命令；其中當該電動汽車所需之該充電電壓與該充電電流符合該電網之該輸出電壓與該輸出電流，該電網係接受該充電確認命令；當該電動汽車所需之該充電電壓與該充電電流無法符合該電網之該輸出電壓與該輸出電流時，該電網係拒絕該充電確認命令。簡而言之，要實現智慧電能分配與充電操作，需要該電網20、該電動汽車30以及該充電設備10三者間有充分的協調 操作。該充電設備10透過該雲端伺服器50來監測該電網20供電能力之資訊，以及家用設備的總所需電力與該電動汽車30之充電資訊。當充電請求被接收並且使用者決定對該電動汽車30充電，該充電設備10係根據所接收的資訊，控制所需要的充電電量或充電時間以對該電動汽車30充電。換句話說，在該電動汽車30被確認充電之前，該充電設備10和該電網20間的授權認證(registration)是不可或缺的，以防止該電網20因不可預測的負載條件下發生災害事件，所以未授權認證的該充電設備10無法執行對該電動汽車30充電的動作。
該電表40係為一智慧型電表，且該充電設備10與該電表40係透過無線區域通訊協定進行通訊。其中，該充電設備10與該電表40係透過ZigBee通訊協定、Wi-Fi通訊協定或藍芽(blue tooth)通訊協定進行通訊，但不以此為限。並且，該閘道裝置60係為ZigBee通訊閘道器、Wi-Fi通訊閘道器或藍芽(blue tooth)通訊閘道器，但不以此為限。
在後文將以多個實施例為例加以說明該智慧型行動載具充電系統之架構與操作原理。請參見第三圖，係為本發明該智慧型行動載具充電系統第一實施例之架構示意方塊圖。該第一實施例之架構具有簡單並節省成本的優點，同時仍維持與所有所需的智慧型電網連接。在第三圖中，假設此家庭具有智慧型電表基礎建設(AMI)，並且，該閘道裝置60係為一家庭能源閘道(home energy gateway,HEG)，使用者能夠選擇個人喜好的電動汽車充 電需求，透過該閘道裝置60與該充電設備10進行資訊交換。
為了能夠充分利用智慧型電網的產品，以及使用通用界面(universal interface)與具有龐大系統的電力事業公司之電網進行通訊，該閘道裝置60是不可或缺的。而且，允許將多個家用智慧型設備(未圖示)，例如可程式控制恆溫器(programmable control thermo-stat,PCT)或家用能源顯示管理器(in-home display)，透過一個共用界面與電力事業公司連接，而能夠將數據傳輸到該雲端伺服器(cloud server)50。一旦該雲端伺服器50上的數據資料能夠提供給電力事業公司，智慧型電網將具有相當彈性之選擇性。此外，該閘道裝置60也提供智慧型電表基礎建設(AMI)的安全通訊路徑，讓重要的資訊，例如家用瞬時功率，能夠隨時地提供給與該閘道裝置60連接的所有產品。值得一提，該此外，充電設備10具有閘道自動偵測的功能，能夠提供使用者隨插即用(plug-and-play)的交握功能。
一旦有更多的消費者了解這些智慧型設備具有潛在的費用節省價值，它們將變得更加普遍，因此，這些價格將會因更大的需求與競爭而減少。此外，一些電力事業公司可以選擇性地提供使用者免費的閘道裝置。因此，閘道使用必要性的實現，應用在具有最低需求的通訊選項的智慧型充電設備上，將能夠降低費用與複雜性。
由於ZigBee通訊協定因應智慧能源規範(smart energy profile,SEP)而具有強化數據安全的優勢，因此， ZigBee被視為是該智慧型充電設備10與該閘道裝置60之間首選的通訊途徑。此外，由該閘道裝置60至該雲端伺服器50的主流通訊路徑是透過乙太網路(Ethernet)通訊協定，可直接在家中上網進行通訊，雖然其他的方式，例如通用封包無線服務技術(general packet radio service,GPRS)也是可行，但必須取決於居住地是否提供可用的通訊服務。因為該閘道裝置60是小型、價格低廉、可替換的裝置，如果將來朝向這方面發展，對於其他通訊方法的適應將可以很容易地被實現。
值得一提，該充電設備與該雲端伺服器之間連接所使用之該閘道裝置60可為以下種類：ZigBee通訊閘道器、Wi-Fi通訊閘道器或藍芽(blue tooth)通訊閘道。在此實施例中，該充電設備10與該雲端伺服器50係透過該ZigBee通訊閘道器60選擇性連接；其中該充電設備10與該ZigBee通訊閘道器60係透過ZigBee通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器50與該ZigBee通訊閘道器60係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊。
基準系統架構(baseline system architecture)的關鍵優勢在於端對端(E2E)的通訊。對電力事業公司來說，插電式電動汽車的使用並非是棘手的課題，倒是區域配電網路才是真正困難且具有挑戰性的。為了解決這個問題，該充電設備10與其他鄰近的充電設備之間，需要有明確的充電策略，以盡量地減少鄰近變壓器超載的風險。社區區域網路(NAN)使用端對端(E2E)的通訊，能夠對簡易、不具通訊或無法交換數據資訊的電力事業公司進 行保護。有許多可採用的改善策略，像是安排充電順序，其中可能包含特定的PEV資訊，例如充電狀態(state-of-charge,SOC)。最重要的還在於該充電設備10允許多個控制策略。此外，實現端對端通訊的較佳通訊路徑，是透過乙太網路通訊協定，直接在家中上網並且透過該雲端伺服器50處理。然而，使用區域性的ZigBee端對端通訊也是可行的選擇。具體而言，ZigBee存在有大約30公尺通訊的限制，如此，對於集中的地區，例如公寓、連棟式住宅…等等，ZigBee可能是最佳的選擇。一個ZigBee模組可與多個該充電設備10允許以及其他具有接收與發送功能的設備進行通訊。此外，該充電設備10具有自動檢測鄰近充電設備的功能，並且能夠提供使用者隨插即用(plug-and-play)的交握功能。再者，該充電設備10也能夠從該雲端伺服器50收集鄰近充電設備的資訊。
請參見第四圖，係為本發明該智慧型行動載具充電系統第二實施例之架構示意方塊圖。如圖所示，該實施例與上述第一實施例最大差異在於，此家庭所使用之該閘道裝置60並非該家庭能源閘道，而是一Wi-Fi通訊。因此，在上述第三圖中所描述的基本構架功能，在第四圖中同樣有用。因此，使用者可選擇廉價的Wi-Fi通訊，作為在沒有家庭能源閘道的狀況下，還能夠將數據資料傳輸至該雲端伺服器50。在這種情況下，該充電設備10能夠自動偵測出缺少家庭能源閘道，並使用ZigBee直接與該電表40進行通訊。因此，即使少了家庭能源閘道，所有家 用瞬時功率數據仍然可被該充電設備10所獲取。值得一提，在此實施例中，該充電設備10與該雲端伺服器50係透過該Wi-Fi通訊閘道器60選擇性連接；其中該充電設備10與該Wi-Fi通訊閘道器60係透過Wi-Fi通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器50與該Wi-Fi通訊閘道器60係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊。
請參見第五圖，係為本發明該智慧型行動載具充電系統第三實施例之架構示意方塊圖。如圖所示，在此實施例中，假設此家庭並不具有該智慧型電表基礎建設(AMI)通訊。在這種情況下，瞬時家庭負載資訊是沒有用的，並且該充電設備10的控制狀態必須受到限制。不過，這種情況可以進一步透過充電設備端對端(E2E)的通訊，收集來自鄰近共用變壓器的負載資訊而得到改善，如此將使得一些家用電源能夠得到更佳的控制策略，而大大地減少變壓器超載的風險。
請參見第六圖，係為本發明該智慧型行動載具充電系統第四實施例之架構示意方塊圖。如圖所示，在此實施例中，假設此家庭並不具有該智慧型電表基礎建設(AMI)通訊以及該家庭能源閘道(HEG)裝置。該充電設備10使用的策略在於結合前述第二實施例與第三實施例。所有的實施例都允許透過該雲端伺服器50通訊的該充電設備10與電力事業公司之間具有雙向資料交換的功能。假設在Wi-Fi通訊無法使用的情況下，就需要有一個適當的閘道裝置被採用與該雲端伺服器50進行通訊。此外，如果ZigBee通訊被鄰近的一個或多個充電設備所限制，則鄰 近的數據資料仍然可以透過該雲端伺服器50進行通訊傳輸。
請參見第七圖，係為本發明該充電設備之前視示意圖。如圖所示，該充電設備10具有”最低費率”功能，使得用戶能夠方便地選擇最經濟的充電方法，因此，該充電設備10所執行的智慧型動作，便能達到這種低成本的充電方法。利用該充電設備10本身的液晶顯示器可顯示出，如日期、時間、目前電能費率、充電電池充電模式、使用時間價格、充電狀態…等等。此外，該充電設備10也配置彩色LED，用簡單的RGY系統來指示使用者充電時負載的狀態，包括重載、中載以及輕載。另外，也可以利用LCD螢幕結合LED顯示，以提供使用者明，確並且簡單易讀的資訊。使用者可利用低成本的輸入裝置，例如按鈕或利用觸控式螢幕或按鍵來進行輸入的動作。如第七圖為例，包含一按鈕開啟充電操作，以及另一按鈕選擇最低費率(lowest rate)模式。在這個例子中，當使用者選擇最低費率模式時，該充電設備10將被安排在低費率時段執行充電程序，例如在半夜電網負載為較小時。
請參見第八圖，係為本發明該智慧型行動載具充電系統操作方法之流程圖。該智慧型行動載具充電系統係透過一電網對一電動汽車充電。該操作方法係包含下列步驟：首先，提供一充電設備(S100)，且該充電設備係連接於該電網與該電動汽車之間。接著，該電動汽車係提供一充電請求命令，且透過該充電設備傳送至該電網，以對該電網提出充電請求(S200)。值得一提，當該電動汽 車對該電網提出該充電請求命令時，該電動汽車、該充電設備與該電網需要進一步執行一充電請求授權模式。當該電動汽車透過該充電設備提供該充電請求命令，對該電網提出充電請求時，該電網係根據電網負載狀況，以判斷是否接受該充電請求命令；其中，當電網負載狀況為輕載時，該電網係接收該充電請求命令；當電網負載狀況為重載時，該電網係拒絕該充電請求命令。亦即，當該電網偵測出電網負載為高度使用狀況時，則該電網可拒絕接收該充電請求命令，而不接受該電動汽車充電請求；反之，當該電網偵測出電網負載為低度使用狀況時，則該電網係接收該充電請求命令，而接受該電動汽車充電請求。
接著，該電網係提供一充電許可命令，且透過該充電設備傳送至該電動汽車，以允許該電動汽車進行充電(S300)。值得一提，當該電網對該電動汽車提出該充電許可命令時，該電動汽車、該充電設備與該電網需要進一步執行一充電許可授權模式。當該電網透過該充電設備提供該充電許可命令，允許該電動汽車進行充電時，該電動汽車係根據該電網之輸出電壓與輸出電流資訊，以判斷是否接受該充電許可命令；其中，當該電網之輸出電壓與輸出電流符合該電動汽車所需之充電電壓與充電電流，該電動汽車係接收該充電許可命令；當該電網之輸出電壓與輸出電流無法符合該電動汽車所需之充電電壓與充電電流，該電動汽車係拒絕該充電許可命令。
接著，該電動汽車係提供一充電確認命令，且透過該充 電設備傳送至該電網，以對該電網提出充電通知(S400)。值得一提，當該電動汽車對該電網提出該充電確認命令時，該電動汽車、該充電設備與該電網需要進一步執行一充電通知授權模式。當該電動汽車透過該充電設備提供該充電確認命令，對該電網提出充電通知時，該電網係根據該電動汽車所需之充電電壓與充電電流資訊，以判斷是否接受該充電確認命令；其中當該電動汽車所需之充電電壓與充電電流符合該電網之輸出電壓與輸出電流，該電網係接收該充電確認命令；當該電動汽車所需之充電電壓與充電電流無法符合該電網之輸出電壓與輸出電流，該電網係拒絕該充電確認命令。最後，該電網係透過該充電設備對該電動汽車充電(S500)。
此外，該操作方法係進一步包含以下之步驟，以提供電網供電資訊與電動汽車充電資訊之無線通訊。該些步驟係包含：提供一電表，該電表係操作性連接於該電網與該充電設備之間，且與該電網進行通訊，以獲得該電網提供至該充電設備之供電資訊。其中，該充電設備與該電表係透過ZigBee通訊協定、Wi-Fi通訊協定或藍芽(blue tooth)通訊協定進行通訊，且該閘道裝置係為ZigBee通訊閘道器、Wi-Fi通訊閘道器或藍芽(blue tooth)通訊閘道器。另外，提供一雲端伺服器，該雲端伺服器係操作性連接該電網，且透過一閘道裝置與該充電設備操作性連接，以接收該電網之供電資訊與該電動汽車之充電資訊。
值得一提，該充電設備與該雲端伺服器之間連接方式有 以下方式：(1)該充電設備與該雲端伺服器係透過該ZigBee通訊閘道器選擇性連接；其中該充電設備與該ZigBee通訊閘道器係透過ZigBee通訊協定通訊，且該雲端伺服器與該ZigBee通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定通訊；(2)該充電設備與該雲端伺服器係透過該Wi-Fi通訊閘道器選擇性連接；其中該充電設備與該Wi-Fi通訊間道器係透過Wi-Fi通訊協定通訊，且該雲端伺服器與該Wi-Fi通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定通訊；或(3)該充電設備與該雲端伺服器係透過該藍芽(blue tooth)通訊閘道器選擇性連接；其中該充電設備與該藍芽(blue tooth)通訊閘道器係透過藍芽(blue tooth)通訊協定通訊，且該雲端伺服器與該藍芽(blue tooth)通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定通訊。
該充電設備、該電網(電力事業公司)以及該電動汽車三者之間更詳細之說明如下：首先，使用者將插電式電動汽車(PEV)接上插頭以接通電源。然後，該充電設備得到來自PEV的資訊，例如充電量、電池充電狀態…等等。然後，使用者在該充電設備中輸入選項，包括即時或延遲、PEV下次充電的開始時間…等等。接著，當該充電設備接收到來自PEV的資訊與來自使用者所輸入的選項資訊後，該充電設備傳送所接收的資訊至該電網。隨後，充電請求係根據電網負載的情況被決定，包括家庭電量消耗 、其他PEV的電力需求…等等。舉例來說，若電網負載大於85%，此充電請求將被拒絕；若電網負載大於70%但小於85%，此充電請求則是在峰值費率下啟用。此外，若電網負載小於70%，則此充電請求可被接受。惟，上述僅為舉例之用，不做為本發明實施之限制。接著，該電網回覆負載情況給該充電設備，然後該充電設備通知使用者。接著，使用者確認來自該電網的回覆，並判斷PEV是否透過該充電設備充電。最後，該充電設備將使用者的答覆傳送至該電網。值得一提，執行該方法的整個步驟所需的時間通常不到1分鐘。因此，此方法對PEV提供了一個簡單、快速、方便、經濟的充電操作。然而，上述的步驟可根據對該電網、該充電設備與PEV之間的整合之實際應用，提供適度地調整。
簡而言之，要實現智慧電能分配與充電操作，需要電力事業公司、PEV以及充電設備三者間有充分的協調操作。該充電設備透過雲端伺服器來監測電力事業公司供電能力的資訊，以及家用設備的總所需電力與PEV充電資訊。當充電請求被接收並且使用者決定對PEV充電，該充電設備根據所接收的資訊，控制所需要的充電電量或充電時間以對PEV充電。換句話說，在PEV被確認充電之前，該充電設備和電力事業公司間的授權認證(registration)是不可或缺的，以防止電力事業公司因不可預測的負載條件下發生災害事件，所以未授權認證的該充電設備無法執行對PEV充電的動作。
其他的實施態樣，例如包括各種使用時間(TOU)或由電力 事業公司所做的負載平衡測量…等等，都能在此技術下實行。另外，使用者輸入喜好的選項包含預先設定與其他參數。在此情況下，使用者和電力事業公司的投入充滿了高度的變數，但可以全面地支持該充電設備的發展。例如：(a)智慧型充電設備可在有LED或其他即時裝置，來做為指示當下電網負載的情形或與負載結合的價格信號，以提供使用者在輸入該充電設備之前參考。(b)使用者可透過電力事業公司或智慧型充電設備的排程，尋找低成本的備用充電時間或根據電力事業公司所安排的其他離峰時間。(c)電力事業公司可能會限制在峰值狀況下提供低價的功率潮流，例如，將充電設備用在3.3kW的充電或在尖峰時段提供低費率。(d)完全註冊程序持續約10約鐘。這程序僅僅是一種智慧型充電設備架構提供許多可能的解決方案之一。隨著各方之間的密切協調，許多最佳化使用控制概念將在現有的項目基礎下被發展。
綜上所述，本發明具有下列特徵與優點：1、簡單且精簡的通訊界面；2、該智慧型充電設備封裝提供了電力事業公司與插電式電動汽車之間必要功能，並且系統的元件數量減少百分之五十；3、透過廉價的、可替換的閘道與雲端伺服器通訊，能夠對未來的通訊更具適應性；4、鄰近充電設備之間具有智慧與自動的通訊；5、不需要AMI電表的估測演算法； 6、單一製造商提供該智慧型充電設備作為車載型充電器，能夠最大限度地降低PLC發展的風險；7、該智慧型充電設備提供PEV與電力事業公司之間重要資料的收集，並且提供對使用者與電力事業公司來說更具智慧的充電方法；8、可透過低價的閘道提供使用者的通訊選擇操作；9、提供電力事業公司與該充電設備之間的安全加密通訊；10、通用的架構能夠使已揭露的智慧型充電設備被應用在未來的V2G(vehicle-to-grid)概念；及11、相較於需要天線的GPRS而言，ZigBee使用上更為低價。
惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
〔本發明〕
10‧‧‧充電設備
102‧‧‧量測單元
104‧‧‧通訊單元
106‧‧‧控制單元
108‧‧‧充電連接單元
110‧‧‧充電設備
112‧‧‧保護單元
20‧‧‧電網
30‧‧‧電動汽車
40‧‧‧電表
50‧‧‧雲端伺服器
60‧‧‧閘道裝置
S100~S400‧‧‧步驟
第一圖係為本發明一充電設備之方塊示意圖；第二圖係為本發明一智慧型行動載具充電系統之示意圖； 第三圖係為本發明該智慧型行動載具充電系統第一實施例之架構示意方塊圖；第四圖係為本發明該智慧型行動載具充電系統第二實施例之架構示意方塊圖；第五圖係為本發明該智慧型行動載具充電系統第三實施例之架構示意方塊圖；第六圖係為本發明該智慧型行動載具充電系統第四實施例之架構示意方塊圖；第七圖係為本發明該充電設備之前視示意圖；及第八圖係為本發明該智慧型行動載具充電系統操作方法之流程圖。
10‧‧‧充電設備
20‧‧‧電網
30‧‧‧電動汽車
40‧‧‧電表
50‧‧‧雲端伺服器
60‧‧‧閘道裝置

Claims (20)

  1. 一種充電設備，係連接於一電網與一電動汽車之間；該充電設備係包含：一量測單元，係連接該電網，以量測該電網之一輸出電壓與一輸出電流；一通訊單元，係接收該電網之一輸出電壓與一輸出電流資訊、該電動汽車所需之一充電電壓與一充電電流資訊以及該電網之一負載狀況資訊；一控制單元，係連接該量測單元與該通訊單元；其中，該控制單元係在符合一充電授權條件下，根據該輸出電壓與該輸出電流資訊、該充電電壓與該充電電流資訊以及該負載狀況資訊，以控制該電網透過一充電連接單元對該電動汽車進行適應性充電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之充電設備，其中該充電授權條件係為一充電請求授權模式，其包含：當該電動汽車透過該通訊單元提供一充電請求命令給該電網時，該電網係根據其負載狀況，以判斷是否接受該充電請求命令，其中，當電網負載狀況為輕載時，該電網係接受該充電請求命令；當電網負載狀況為重載時，該電網係拒絕該充電請求命令。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之充電設備，其中該充電授權條件係為一充電許可授權模式，其包含：當該電網透過該通訊單元提供一充電許可命令給該電動汽車時，該電動汽車係根據該輸出電壓與該輸出電流資訊，以判斷是否接受該充電許可命令；其中，當該輸出電壓與該輸出電流符合 該充電電壓與該充電電流時，該電動汽車係接受該充電許可命令。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之充電設備，其中該充電授權條件係為一充電通知授權模式，其包含：當該電動汽車透過該通訊單元提供一充電確認命令給該電網時，該電網係根據該充電電壓與該充電電流，以判斷是否接受該充電確認命令；其中當該充電電壓與該充電電流符合該輸出電壓與該輸出電流，該電網係接受該充電確認命令。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之充電設備，其中該充電連接單元係為一具有電力線通訊(power line communication,PLC)之SAE J1772充電接頭。
  6. 如申請專利範圍第1項所述充電設備，其中該通訊單元係具有ZigBee通訊協定、Wi-Fi通訊協定或藍芽(blue tooth)通訊協定之功能。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之充電設備，其中該充電設備係進一步包含：一顯示單元，係連接該控制單元，以顯示該電網對該電動汽車之供電狀況；及一保護單元，係連接該控制單元，以提供接地故障保護、過電流保護或過電壓保護。
  8. 一種智慧型行動載具充電系統，係包含：一充電設備，係連接於一電網與一電動汽車之間，以利用該電網進行供電，並對該電動汽車提供充電；一電表，係操作性連接於該電網與該充電設備之間，且與該電網進行通訊，以獲得該電網提供至該充電設備之一輸出電壓與一輸出電流資訊；及 一雲端伺服器，係操作性連接該電網，且該雲端伺服器進一步透過一閘道裝置與該充電設備操作性連接，以接收該輸出電壓與該輸出電流資訊與該電動汽車所需之一充電電壓與一充電電流資訊；其中，該充電設備係根據該輸出電壓與該輸出電流資訊、該充電電壓與該充電電流資訊以及該電網之一負載狀況資訊，且在符合一充電授權條件下，對該電動汽車進行適應性充電。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之智慧型行動載具充電系統，其中該充電授權條件係為一充電請求授權模式，其包含：當該電動汽車透過該充電設備提供一充電請求命令給該電網時，該電網係根據其負載狀況，以判斷是否接受該充電請求命令，其中，當電網負載狀況為輕載時，該電網係接受該充電請求命令；當電網負載狀況為重載時，該電網係拒絕該充電請求命令。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之智慧型行動載具充電系統，其中該充電授權條件係為一充電許可授權模式，其包含：當該電網透過該充電設備提供一充電許可命令給該電動汽車時，該電動汽車係根據該輸出電壓與該輸出電流資訊，以判斷是否接受該充電許可命令；其中，當該輸出電壓與該輸出電流符合該充電電壓與該充電電流時，該電動汽車係接受該充電許可命令。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之智慧型行動載具充電系統，其中該充電授權條件係包含一充電通知授權模式，其包含：當該電動汽車透過該充電設備提供一充電確認命令給該電網時，該電網係根據該充電電壓與該充電電流，以判斷 是否接受該充電確認命令；其中當該充電電壓與該充電電流符合該輸出電壓與該輸出電流，該電網係接受該充電確認命令。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之智慧型行動載具充電系統，其中該電表係為一智慧型電表，且該充電設備與該電表係透過無線區域通訊協定進行通訊；且該充電設備與該電表係透過ZigBee通訊協定、Wi-Fi通訊協定或藍芽(blue tooth)通訊協定進行通訊；且該閘道裝置係為ZigBee通訊閘道器、Wi-Fi通訊閘道器或藍芽(blue tooth)通訊閘道器。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之智慧型行動載具充電系統，其中當該充電設備與該雲端伺服器係透過該ZigBee通訊閘道器選擇性連接，該充電設備與該ZigBee通訊閘道器係透過ZigBee通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器與該ZigBee通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊；其中，當該充電設備與該雲端伺服器係透過該Wi-Fi通訊閘道器選擇性連接，該充電設備與該Wi-Fi通訊閘道器係透過Wi-Fi通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器與該Wi-Fi通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊；其中，當該充電設備與該雲端伺服器係透過該藍芽(blue tooth)通訊閘道器選擇性連接，該充電設備與該藍芽(blue tooth)通訊閘道器係透過藍芽(blue tooth)通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器與該藍芽(blue tooth)通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊。
  14. 一種智慧型行動載具充電操作方法，係透過一電網對一電 動汽車充電；所述操作方法係包含下列步驟：(a)提供一充電設備，且該充電設備係連接於該電網與該電動汽車之間；(b)該電動汽車係提供一充電請求命令，且透過該充電設備傳送至該電網，以對該電網提出充電請求；(c)該電網係提供一充電許可命令，且透過該充電設備傳送至該電動汽車，以允許該電動汽車進行充電；(d)該電動汽車係提供一充電確認命令，且透過該充電設備傳送至該電網，以對該電網提出充電通知；及(e)該電網係透過該充電設備對該電動汽車充電。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之智慧型行動載具充電操作方法，其中在步驟(b)中，當該電動汽車對該電網提出該充電請求命令時，該電動汽車、該充電設備與該電網需要進一步執行一充電請求授權模式，其包含：當該電動汽車透過該充電設備提供該充電請求命令給該電網時，該電網係根據其負載狀況，以判斷是否接受該充電請求命令，其中，當電網負載狀況為輕載時，該電網係接受該充電請求命令；當電網負載狀況為重載時，該電網係拒絕該充電請求命令。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之智慧型行動載具充電操作方法，其中在步驟(c)中，當該電網對該電動汽車提出該充電許可命令時，該電動汽車、該充電設備與該電網需要進一步執行一充電許可授權模式，其包含：當該電網透過該充電設備提供該充電許可命令給該電動汽車時，該電動汽車係根據該輸出電壓與該輸出電流資訊，以判斷是否接受該充電許可命令；其中，當該輸出電壓與該輸出電流符合 該充電電壓與該充電電流時，該電動汽車係接受該充電許可命令。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之智慧型行動載具充電操作方法，其中在步驟(d)中，當該電動汽車對該電網提出該充電確認命令時，該電動汽車、該充電設備與該電網需要進一步執行一充電通知授權模式，其包含：當該電動汽車透過該充電設備提供該充電確認命令給該電網時，該電網係根據該充電電壓與該充電電流資訊，以判斷是否接受該充電確認命令；其中當該充電電壓與該充電電流符合該輸出電壓與該輸出電流，該電網係接受該充電確認命令。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之智慧型行動載具充電操作方法，其中所述操作方法係進一步包含：提供一電表，係操作性連接於該電網與該充電設備之間，且與該電網進行通訊，以獲得該電網提供至該充電設備之輸出電壓與輸出電流資訊；及提供一雲端伺服器，係操作性連接該電網，且透過一閘道裝置與該充電設備操作性連接，以接收該電網之輸出電壓與輸出電流資訊與該電動汽車所需之充電電壓與充電電流資訊。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之智慧型行動載具充電操作方法，其中該充電設備與該電表係透過ZigBee通訊協定、Wi-Fi通訊協定或藍芽(blue tooth)通訊協定進行通訊；且該閘道裝置係為ZigBee通訊閘道器、Wi-Fi通訊閘道器或藍芽(blue tooth)通訊閘道器。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之智慧型行動載具充電操作方法，其中該充電設備與該雲端伺服器係透過該ZigBee通 訊閘道器選擇性連接；該充電設備與該ZigBee通訊閘道器係透過ZigBee通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器與該ZigBee通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊；其中當該充電設備與該雲端伺服器係透過該Wi-Fi通訊閘道器選擇性連接，該充電設備與該Wi-Fi通訊閘道器係透過Wi-Fi通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器與該Wi-Fi通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊；其中，當該充電設備與該雲端伺服器係透過該藍芽(blue tooth)通訊閘道器選擇性連接，該充電設備與該藍芽(blue tooth)通訊閘道器係透過藍芽(blue tooth)通訊協定進行通訊，且該雲端伺服器與該藍芽(blue tooth)通訊閘道器係透過乙太網路(Ethernet)通訊協定進行通訊。
TW100147865A 2011-07-20 2011-12-22 智慧型行動載具充電系統及其操作方法 TWI443505B (zh)

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