功率动态分配的交流充电桩及其控制系统和方法与流程

本发明属于充电桩，具体涉及功率动态分配的交流充电桩及其控制系统和方法。

背景技术：

1、汽车产业作为高能耗产业，一方面快速发展极大地促进了世界经济繁荣，另一方面却势必进一步加剧世界能源危机和环境污染问题。电动汽车以电能为能源来驱动电机并带动车轮，行驶过程中不产生任何有害排放物；并且电能来源广泛，可以从太阳能、核能、风能等清洁能源转换得到，消除了对石油资源的过度依赖和消耗，从而能够作为应对能源危机和环境污染的有效手段，具有极大的应用前景。

2、充电桩是灵活布置在街头巷尾或住宅区内部的可以满足充电车自助充电的设备，对于完全缺电的电动汽车的蓄电池，直流桩一般为快充式充电桩，20min～2h即可完成充电，但快速充电会使车载电池组间压差不平衡，影响电池活性，对电池寿命造成影响；交流桩一般为慢充，需要6h～8h能完成充电，慢充充电温和，在充电结束阶段会对电池组做均衡处理，保证电池组内每块电池都处于满电状态，对延长电池寿命有一定帮助，且慢充充电时间长，可选择在用电谷时充电，节省充电成本。为了节省充电桩的安装占地面积，如公布号为cn208842245u的中国实用新型公开的一种自动双枪充电桩，可以在一个充电桩上设置两个充电枪，在充电高峰期内同时为两台充电车充电。此外，不同的充电时段具有不同的电费单价，因此，现有技术中还存在如公布号为cn208789516u的中国实用新型等技术实现预约充电的充电枪或充电桩。

3、然而，现有技术中的交流充电桩在两台充电车同时使用时，并不能实现准确识别充电车的充电底座已经与充电枪完全连接，并在充电过程中动态分配对两台充电车提供的充电功率，以防止蓄电池过载或短路的现象发生，且能够根据预测的动态分配的充电功率计算需要付的充电费用而选择充电开启时刻。

技术实现思路

1、本发明针对上述缺陷，提供一种功率动态分配的交流充电桩及其控制系统和方法。

2、本发明提供如下技术方案：功率动态分配的交流充电桩的控制方法，所述充电桩上设置有两个充电枪，所述充电枪为七孔慢充枪，所述交流充电桩为7kw交流充电桩，额定电压为220v，实时最大充电功率3.3kw，所述方法包括以下步骤：

3、s1、实时采集每个充电枪的第一检测点的电压值、每台充电车内充电口内cc口和cp口的电压值以及每台充电车内车辆控制装置内第三检测点的电阻值，充电桩内控制每台充电车的每个供电控制装置的电学元件参数数据，每台充电车内车载充电器和蓄电池的电学元件参数数据；

4、s2、确认每个充电枪与相应的充电车是否完全连接，识别充电桩与相应的充电车是否连接正常，以及充电桩能够为每台充电车提供的最大充电电流；

5、s3、根据所述s2步骤识别到的充电桩能够为每台充电车提供的最大充电电流，实时预测并动态调整充电桩为每台充电车充电的充电枪输出电流；

6、s4、根据预测的动态调整的充电枪输出电流输出预测收费，车主根据预测收费选择最佳充电时刻预约充电；

7、s5、根据所述s4步骤预测充满电所需费用车主预约充电开始时刻，根据车主预约充电开始时刻控制充电桩对应相应充电车的充电枪开启，为相应的充电车充电。

8、进一步地，所述s2步骤中确认每个充电枪与相应的充电车是否完全连接，包括以下步骤：

9、s201、控制充电桩内第i供电控制装置内s1开关接通+12v电压输出端，当检测到cc口处电压为12v或5v、cp口处电压为0v且第i充电车的第三检测点处cc口至pe口的电阻值rcp,i为无限大时，判断第i充电枪未插入第i充电车的充电口内，此时第i充电车的充电口内s3开关处于闭合状态；i＝1或2，当i＝1时为第1充电车，当i＝2时为第2充电车；

10、s202、当检测到cp口处电压值为12v时，判断充电桩的第i充电枪插入第i充电车的充电口内；

11、s203、当检测到rcp,i＝r4,i+rci时，第i充电枪与第i充电车在充电口处为半连接状态，此时第i充电车的充电口内s3开关处于断开状态；其中，r4,i为所述第i充电枪内设置的用于检测第i充电车的第三检测点处cc口至pe口电阻值的第四电阻的阻值，rci为所述第i充电枪内设置的用于检测第i充电车的第三检测点处cc口至pe口电阻值的固定电阻的阻值；

12、s204、当检测到rcp,i＝rci时，第i充电枪与与第i充电车在充电口处为完全连接状态，此时第i充电车的充电口内s3开关处于闭合状态并维持常闭状态至第i充电车充电完成；当第i充电枪第一检测点内电压为9v时，充电桩内第i供电控制装置控制第i充电枪的s1开关从+12v输出端切换到pwm信号输出端，控制第i充电车的充电口内s2开关闭合，s2开关闭合以后第i充电枪与第i充电车的充电口回路接入了第一电阻r1,i、第二电阻r2,i和第三电阻r3,i，回路电压从9v变成6v；

13、s205、当第i供电控制装置内的第一检测点电压值为6v且cp口电压值稳定为6v时，充电桩内第i充电枪为等待充电命令状态。

14、进一步地，rci＝680ω，r4,i＝1.8kω，r1,i＝＝1kω，r2,i＝1.5kω，r3,i＝3kω。

15、进一步地，所述s2步骤中识别充电桩与相应的充电车是否连接正常，以及充电桩能够为每台充电车提供的最大充电电流，包括以下步骤：

16、s211、构建充电桩与第i充电车之间的充电接口稳态模型：

17、

18、其中，vi(t)为充电桩与第i充电车充电口实时稳态电压；ti为充电桩第i充电车实时充电时刻；ci为控制第i充电车的供电控制装置的电容；li为控制第i充电车的供电控制装置的电感；ri为控制第i充电车的供电控制装置与第i充电车接口端在稳态充电过程中的总电阻；ri,1＝1kω，ri,2＝1.5kω，ri,3＝3kω；

19、

20、其中，epwm,i为充电桩内第i供电控制装置pwm信号输出端闭合时输出电能；ts为一个pwm周期时长；di为充电桩第i个供电控制装置pwm信号输出端输出电能信号占空比；

21、s212、在所述s211步骤构建的充电桩与第i充电车之间的充电接口稳态模型情况下，充电桩与第i充电车之间的充电接口实时稳态电压vi(ti)：

22、

23、其中，k1,i为第一计算系数，k2,i为第二计算系数；

24、s213、求解使稳态电压变化值v(t)最小的第i个供电控制装置pwm信号输出端输出电能信号最优占空比di.best：

25、

26、其中，n为pwm信号周期ts进行的总次数；为取n次pwm信号周期中最大实时稳态电压值函数，为取n次pwm信号周期中最小实时稳态电压值函数；

27、s214、根据所述s213步骤求解得到的最优占空比di.best处于充电桩释放电流选择映射关系的不同阈值范围内，控制充电桩是否开启并向第i充电车提供充电电流，所述充电桩释放电流选择映射关系如下：

28、1)、当di,best＝0时，代表cc口与cp口始终为-12v，此时充电桩不可用；

29、2)、当di,beat＝0.05时，需进一步确认充电口是否连接正常；

30、3)、当di,best处于0.10<di,best≤0.85范围内时，充电桩最大可供电流为imaxl；imaxl＝0.6×100×di,best

31、4)、当di,best处于0.85<di,best≤0.90范围内时，充电桩最大可供电流为imaxh；imaxh＝(di,best×100-64)×2.5，imaxh≤63；

32、5)、当di,best处于0.90<di,best≤0.97范围内时，充电桩处于等待为第i充电车充电状态；

33、6)、当di,beat＝1时，充电桩不可用。

34、进一步地，所述第一计算系数k1,i、所述第二计算系数k2,i的计算公式如下：

35、

36、进一步地，所述s3步骤包括以下步骤：

37、s31、计算第i充电车内车载充电器对输入的交流电转换为直流电的交直流转换效率ηi：

38、ηi＝ηf,iηh,i；其中，ηf,i为第i充电车的车载充电器全桥整流电路电流转换效率，ηh,i为第i充电车的车载充电器h桥整流电路电流转换效率；

39、

40、ηh,i＝rb,i/(rh,i+rb,i)；

41、其中，rb,i为第i个充电车的车载电阻器电性连接的蓄电池，为第i充电车的车载充电器为蓄电池充电的互感阻抗zfi,hi实部求解函数；

42、

43、其中，xh,i为第i个充电车的车载电阻器内的h桥整流电路的电抗，p为虚数；ω为交流电频率；

44、s32、根据所述s31步骤计算的交直流转换效率ηi进一步计算第i充电车内车载充电器对该车内蓄电池充电时蓄电池内的充电电流iout,i：

45、iout,i＝(jωmiiiηi)/zh,i，其中，ii为进入第i充电车的车载充电器的实时充电电流，imax为imaxl或imaxh；zh,i为第i充电车的车载充电器内的h桥整流电路的阻抗值；mi为第i充电车的车载充电器全桥整流电路与h桥整流电路工作时的互感系数，ki为第i充电车的车载充电器全桥整流电路的线圈与h桥整流电路的线圈耦合系数；0.70≤ki≤0.85；

46、s33、当两辆车初始充电时刻不同时，优先为先插枪的充电车充电，当处于同时充电后，根据第i充电车的交直流转换效率ηi的大小，进行电流分配实时动态调整两台车共用充电桩的充电功率，

47、s34、当优先获得较多充电电流的第i充电车充至满电的90％时，重新分配实时动态充电电流：ii,new为重新分配后进入第i充电车的车载充电器的实时充电电流，ij,new为重新分配后进入第i充电车的车载充电器的实时充电电流；

48、按照重新分配的实时动态充电电流为两台充电车实时充电，经过重新分配实时动态充电电流后，第i充电车内车载充电器对该车内蓄电池充电时蓄电池内的充电电流iout,i也由于ii变为ii,new而变为iout,new,i，iout,new,i＝(jωmiii,newηi)/zh,i。

49、进一步地，所述s4步骤包括以下步骤：

50、s41、计算第i台充电车的蓄电池的实时充电功率pe,i(ti)：

51、其中ie,i为第i台充电车蓄电池实时充电功率计算电流值，ie,i根据第i台充电车处于s33步骤和s34步骤的不同而动态变换，当处于所述s33步骤状态时，ie,i＝iout,i；当处于所述s34步骤时，ie,i＝iout,new,i；

52、s42、预测第i台充电车为充电池充满电所需付款总价mi：

53、

54、其中，ti,0为第i台充电车充电的初始时刻，ti,0≤ti≤ti,0+ti，以24小时计时制；ti为第i台充电车从初始时刻ti,0至充满所需要的总时长，price(ti)为充电桩的收费计价标准的单位为元；

55、

56、本发明还提供一种采用如上所述控制方法的的功率动态分配的交流充电桩控制系统，包括数据采集模块、充电枪及最大充电电流确认模块、功率动态分配调整模块、付费预测模块及充电预约指令发送模块；

57、所述数据采集模块，用于实时采集每个充电枪的第一检测点的电压值、每台充电车内充电口内cc口和cp口的电压值以及每台充电车内车辆控制装置内第三检测点的电阻值，充电桩内控制每台充电车的每个供电控制装置的电学元件参数数据，每台充电车内车载充电器和蓄电池的电学元件参数数据；

58、所述充电枪及最大充电电流确认模块，用于确认每个充电枪与相应的充电车是否完全连接，识别充电桩与相应的充电车是否连接正常，以及充电桩能够为每台充电车提供的最大充电电流；

59、所述功率动态分配调整模块，用于根据所述充电枪及最大充电电流确认模块识别到的充电桩能够为每台充电车提供的最大充电电流，实时预测并动态调整充电桩为每台充电车充电的充电枪输出电流；

60、所述付费预测模块，用于根据预测的动态调整的充电枪输出电流输出预测收费，发送至车主移动终端，车主根据预测收费选择最佳充电时刻预约充电；

61、所述充电预约指令发送模块，用于根据所述付费预测模块预测充满电所需费用车主预约充电开始时刻，根据车主预约充电开始时刻控制充电桩对应相应充电车的充电枪开启，为相应的充电车充电。

62、本发明还提供一种采用如上所述控制方法的功率动态分配的交流充电桩，所述充电桩包括充电桩箱体、两个充电枪组件，每个充电枪组件包括充电盒、与充电桩连接的第一线缆、第二线缆以及七孔交流充电枪，所述充电枪组件还包括设置在所述充电桩箱体前侧的挂钩；所述第二线缆一端设置于所述充电盒内，另一端与所述充电枪电性连接；所述充电盒内设置有供电控制装置；每台充电车内设置有进行交直流转换的车载充电器。

63、进一步地，所述车载充电机内的交直流转换模块包括与交流电源连接的全桥整流电路和h桥整流电路，所述全桥整流电路和h桥整流电路耦合进行交直流转换整流，所述h桥整流电路与蓄电池的正负极连接；所述全桥整流电路包括第一pfc整流二极管df1,i、第二pfc整流二极管df2,ti、第三pfc整流二极管df3,i和第四pfc整流二极管df4,i、开关管df5,i、交流滤波电感lf0,i、交流滤波电容cf0,i、开关桥臂、第一igbt开关igbt1、第二igbt开关igbt2、第三igbt开关igbt3、第四igbt开关igbt4、全桥电阻rf,i、全桥励磁电感lf,i、全桥电容cf,i，所述开关桥臂上设置有导通igbt开关igbtsw；每个igbt开关上均设置有外置续流二极管vd，每个igbt开关的e极与相应的外置续流二极管的正极连接，每个igbt开关的c极与相应的外置续流二极管的负极连接；

64、所述h桥整流电路包括第一h桥整流二极管dh1,i、第二h桥整流二极管dh2,i、第三h桥整流二极管dh3,i和第四h桥整流二极管dh4,i、直流滤波电感lh0,i、直流滤波电容ch0,i、h桥电阻rh,i、h桥漏感lh,i和h桥电容ch,i；

65、所述全桥励磁电感lf,i与第四igbt开关igbt4的e极连接一端与所述h桥漏感lh,i通过绕组线缆共同缠绕在同一铁芯上形成变压器；全桥励磁电感lf,i与第四igbt开关igbt4的e极连接的一端以及同时与第一h桥整流二极管dh1,i的正极与第三h桥整流二极管dh3,i的负极连接的h桥漏感cf,i的一端为同名端。

66、本发明的有益效果为：

67、1、本发明提供的方法及充电桩能够实现充电枪和充电车的完全连接动态识别，向车主发出完全连接等待充电的信号并预测稳态电压充电过程中的动态分配功率的充满电所需费用，根据车主选择的充电时刻对充电枪闭合第一继电器和第二继电器，并通过对进行交直流转换的交直流转换电路以及蓄电池的电阻值、电容值、励磁电感值和漏感值进行大数据统计建模，进而进行pwm信号调控，实现交直流转换后为第i充电车的蓄电池动态提供不同充电时刻的使充电过程呈现稳态电压的最优充电电流，同时实时动态掌握两车同时充电过程中的充电功率分配，实现在一车快要充满时，将大部分充电功率动态倾向供给于另一车，既满足了需要更多时间充电的另一车的大功率充电需求，以实现快速较短时间内充满电的需求的同时，也满足了快要充满的充电车实现降压稳流小功率充电，以避免充电完成时刻突然跳闸断流可能带来的充电桩瞬时回流过大所导致的电气故障。通过更精细的模块划分和功率管理，实现更灵活的充电策略和更高的充电效率。

68、2、本发明提供的充电桩及控制方法和系统，通过每个充电接口可能都配备有独立的供电控制模块，可以根据不同车辆的充电需求，实时动态调整每个充电枪与相应充电车的充电接口处可以实现稳态充电电压的最优充电电流的功率输出。

69、3、本发明提供的充电桩及控制方法和系统，当一辆车快充满时，充电桩可以自动将更多的功率分配给为另一辆车充电的充电枪，实现对另一辆车更高效快速的充电的同时，减少了快充满电的实时充电电流，避免从较高的充电电流瞬时降流导致的电气故障的发生。

70、4、本发明提供的充电桩及控制方法和系统，可以根据车辆的电池状态和需求，自动调整充电电流和电压，保护电池寿命。

技术特征：

1.功率动态分配的交流充电桩的控制方法，所述充电桩上设置有两个充电枪，所述充电枪为七孔慢充枪，所述交流充电桩为7kw交流充电桩，额定电压为220v，实时最大充电功率3.3kw，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的功率动态分配的交流充电桩的控制方法，其特征在于，所述s2步骤中确认每个充电枪与相应的充电车是否完全连接，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的功率动态分配的交流充电桩的控制方法，其特征在于，rci＝680ω，r4,i＝1.8kω，r1,i＝＝1kω，r2,i＝1.5kω，r3,i＝3kω。

4.根据权利要求1所述的功率动态分配的交流充电桩的控制方法，其特征在于，所述s2步骤中识别充电桩与相应的充电车是否连接正常，以及充电桩能够为每台充电车提供的最大充电电流，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的功率动态分配的交流充电桩的控制方法，其特征在于，所述第一计算系数k1，i、所述第二计算系数k2，i的计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的功率动态分配的交流充电桩的控制方法，其特征在于，所述s3步骤包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的功率动态分配的交流充电桩的控制方法，其特征在于，所述s4步骤包括以下步骤：

8.采用如权利要求1-7所述控制方法的的功率动态分配的交流充电桩控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、充电枪及最大充电电流确认模块、功率动态分配调整模块、付费预测模块及充电预约指令发送模块；

9.采用如权利要求1-7所述控制方法的功率动态分配的交流充电桩，其特征在于，所述充电桩包括充电桩箱体(1)、两个充电枪组件(2)，每个充电枪组件包括充电盒(21)、与充电桩连接的第一线缆(22)、第二线缆(23)以及七孔交流充电枪(24)，所述第二线缆(23)一端设置于所述充电盒(21)内，另一端与所述充电枪(24)电性连接，所述充电枪组件(2)还包括设置在所述充电桩箱体(1)前侧的挂钩(25)；所述充电盒(21)内设置有供电控制装置；每台充电车内设置有进行交直流转换的车载充电器。

10.根据权利要求9所述的功率动态分配的交流充电桩，其特征在于，所述车载充电机内的交直流转换模块包括与交流电源连接的全桥整流电路和h桥整流电路，所述全桥整流电路和h桥整流电路耦合进行交直流转换整流，所述h桥整流电路与蓄电池的正负极连接；所述全桥整流电路包括第一pfc整流二极管df1,i、第二pfc整流二极管df2,i、第三pfc整流二极管df3，i和第四pfc整流二极管df4,i、开关管df5,i、交流滤波电感lf0,i、交流滤波电容cf0，i、开关桥臂、第一igbt开关igbt1、第二igbt开关igbt2、第三igbt开关igbt3、第四igbt开关igbt4、全桥电阻rf，i、全桥励磁电感lf，i、全桥电容cf，i，所述开关桥臂上设置有导通igbt开关igbtsw；每个igbt开关上均设置有外置续流二极管vd，每个igbt开关的e极与相应的外置续流二极管的正极连接，每个igbt开关的c极与相应的外置续流二极管的负极连接；

技术总结
本发明提供一种功率动态分配的交流充电桩及其控制系统和方法，方法包括实时采集每个充电枪、每台充电车内充电口内电信号数据，充电桩内的每个供电控制装置以及车载充电器和蓄电池的电学元件参数数据；确认每个充电枪与相应的充电车是否完全连接以及是否连接正常和其能够为每台充电车提供的最大充电电流；实时预测并动态调整充电桩为每台充电车充电的充电枪输出电流；车主根据预测收费选择最佳充电时刻预约控制充电桩对应相应充电车的充电枪开启，为相应的充电车充电。本发明通过更精细的模块划分和功率管理，实现更灵活的充电策略和更高的充电效率；可以根据车辆的电池状态和需求，自动调整充电电流和电压，保护电池寿命。

技术研发人员：罗晓东,李明珏,付晨
受保护的技术使用者：河南途驹软件开发有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23