一种基于低压直流供电技术的计充一体化充电桩系统的制作方法

本发明涉及低压供电领域，尤其涉及一种基于低压直流供电技术的计充一体化充电桩系统。

背景技术：

随着全球经济水平的逐渐提高，与此同时带来的就是环境污染越发严重，资源面临枯竭，为了保证我国绿色经济的发展，低碳、环保的经济发展模式也成为世界各国的首选。新能源清洁度高、节能降耗等一系列优势在很大程度上降低了环境污染，这也使其成为未来资源使用的主流。新能源的应用促进充电站、充电桩等附属设备的发展。直流充电桩系统作为充电基础设备的重要组成部分，其功能的发挥会直接影响到新能源的发展。所以，对于功能可靠、安全稳定、兼容性优良的低压直流充电桩系统就具有极其重要的现实意义。

同时，传统充电桩供电要求较高，接电时需从公用变压器放置专线供电，并设置独立的配电控制箱。而不同充电桩现场的安装条件与所需的供电距离往往存在较大差异，使供电企业难以控制充电桩安装成本，无法标准化实施。需结合供电企业自身特点，将供电点、计量装置、充电控制模块等集中布置在充电桩内，减少中间环节的连接，节省成本，并提高适应性。

近年来，随着电力电子技术的发展，直流输配电面临的技术问题得到了逐步解决，直流系统的技术优势也已呈现。相比于交流系统，直流系统可以显著提高输配电运行水平，使输配电更简单、高效，并且降低了输配电成本。

中国专利文献cn105048562a公开了一种“直流充电桩”。包括充电电源、智能控制模块、直流充电机、主控模块和直流负载接触器；所述智能控制模块包括中央控制单元、计费单元、刷卡单元、能量调度单元、人机界面单元、低压辅助单元、充电保护单元、及至少两个充电接口，所述计费单元、刷卡单元、能量调度单元、人机界面单元、充电保护单元与中央控制单元交互连接，所述低压辅助单元的输入端与中央控制单元的输出端相连，其输出端与充电接口一的输入端相连，所述充电保护单元的输出端与充电接口二的输入端相连，所述充电接口一、充电接口二及中央控制单元的输出端分别经通信单元与直流充电机的输入端相连，所述直流充电机的输出端与主控模块交互连接。上述技术方案仅考虑直流充电桩的充电及断开功能，未实现计量及充电控制，功能单一且存在安全隐患。

技术实现要素：

本发明主要解决原有的充电桩仅实现充电功能，功能单一且存在安全隐患的技术问题，提供一种基于低压直流供电技术的计充一体化充电桩系统，基于现有低压直流供电技术，通过高频变压器和控制板电路以及软件设计形成计充一体化充电桩系统，利用低压电网资源，在现有停车位旁有条件安装的场所广泛安装，进一步盘活电网现有资源，实现提质增效，最大限度地提高充电控制的效果，降低故障发生，提高充电桩运行稳定性。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括直流充电桩，所述直流充电桩包括电源模块、通信模块、检测模块和充电接口，直流充电桩分别与设备、终端相连。检测模块设置在低压直流充电桩下的控制板上，借助设备内含有的通信模块实现快充电压、快充电流等的需求，从而满足低压直流充电桩控制板对电源组输出电压和电流的控制要求。

作为优选，所述的电源模块包括保护模块和变压模块，变压模块输入端由三相五相320v直流电供电。保护模块的功能主要是为了使一体化系统免遭低压直流电路内交流电和强电压的损害；变压模块则具体是对低压直流电网的流经电压与电流进行安全转换，从而为led驱动以及电路控制功能的实现提供安全电压。

作为优选，所述的变压模块包括高频变压器，所述高频变压器原边变压电压为252v，功率3kw，开关频率20khz，变压仪器频率0.9，磁通密度0.16t。

作为优选，所述的高频变压器的外在功率计算为：

按照ap法，则有：

公式②中，k0指系统窗口的使用指数，取值0.4；kf表示的是波形指数，正弦波取值4.44、方波取值4；j指电流的活动密度，在4-6之间取值，本设计以4a/mm²为标准。

由公式②的计算得到本次设计采用的磁芯ap最小值为：

根据权3内容，在考虑一定的变量因素的前提下，选择pm70型磁芯，pm70型磁芯的磁芯截面ae＝7.90cm²、磁芯表面积aw＝11.40cm²，ap＝ae×aw＝90.06cm⁴，检验其工作磁通密度的最大值即为：

上述计算得到的工作磁通密度的最大值和本文选取的工作磁通密度之间差值在允许范围内，因此选择pm74型磁芯。

作为优选，所述的高频变压器磁芯在低压电路中原边匝数np的计算公式为：

为方便使用，匝数取整数，原边匝数为13匝，同时半低压电路的原边以及副边缠绕的电路匝数比为：

由式⑥，高频变压器的副边匝数：13x3.5＝45.5，最终取整数46；

按照系统要求，能够获取到原低压电路所经电流的最大值分别是i1min＝26a,i＝12a，若电流密度取值4a/mm²，按照公式得出电路原、副边导线的赤裸面积分：

若经过的交流电流的频率较高，需考虑集群效应，要求电路导线直径不可以超过其穿透深度的3倍，以铜线为例，其温度值取100℃，则其穿透深度的计算公式：

按照pm74型磁芯的总线长度，铜线宽度取值为w＝35mm，则原副边铜线的厚度计算为：

综上所述，电路原副边导线的长度要求为35mm×0.2mm和35mm×0.1mm。

作为优选，所述的通信模块包括传输模块和接收模块，所述接收模块分别与电源模块、检测模块相连，所述传输模块与终端相连。传输模块通过无线网络实现实时充电进度、充电状态的上传，以利于一体化系统对充电桩的数字化管理和一体化监控；接收模块接收主系统上传信息从而实现对充电桩的实时控制。

作为优选，所述的检测模块包括状态监测模块、故障检测功能模块和电力计量装置模块，所述状态监测模块与电源模块相连，故障检测功能模块经过充电接口与设备相连。状态监测模块主要包括对充电状态的监测模块。充电状态监测模块存在的功能主要是为了对低压直流充电桩的充电状态进行实时监测，以确保整个一体化系统运行稳定，这其中具体包括是否处于充电状态、充电进度、电流状态等。控制板需要及时读取i/o获取到电路即时性信号，故障检测功能模块通过读取a/d接口完成输出/输入电压、电流以及充电桩状态的电压反馈信息，及时对can总线信号进行读取，从而获得can总线电路的电信反馈，以通用异步连接端口实现对can总线状态的读取与检测。

作为优选，所述的设备包括电池管理系统bms和动力电池组，所述电池管理系统bms分别与故障检测功能模块、动力电池组相连。

作为优选，所述的电力计量装置模块包括低压三相计量表与采集装置，采集装置与电池管理系统bms相连。用于满足直流充电桩计量与数据远程采集要求。

作为优选，所述的终端包括计算机或手持设备。

本发明的有益效果是：

1.提高充电控制的效果，降低故障发生，提高充电桩运行稳定性。

2解决传统充电桩充电与电力计量分别安装的不便性，将电力计量装置集成至充电桩内部，减少充电设施的连接环节，,实现计充一体化。

3.在现有停车位旁有条件安装的场所，如电杆、墙壁、停车棚等广泛安装，进一步盘活电网现有资源，实现提质增效

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接结构图。

图2是本发明的一种通信流程图。

图中1电源模块，1.1保护模块，1.2变压模块，2通信模块，2.1传输模块，2.2接收模块，3检测模块，3.1状态监测模块，3.2故障检测功能模块，3.3电力计量装置模块，4充电模块，5设备，5.1电池管理系统bms，5.2动力电池组，6终端。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种基于低压直流供电技术的计充一体化充电桩系统，如图1所示，包括直流充电桩，所述直流充电桩包括电源模块1、通信模块2、检测模块3和充电接口4，直流充电桩分别与设备5、终端6相连，终端6包括计算机或手持设备。检测模块3设置在低压直流充电桩下的控制板上，借助设备内含有的通信模块实现快充电压、快充电流等的需求，从而满足低压直流充电桩控制板对电源组输出电压和电流的控制要求。

控制板上板的主芯片一般选取主频为170m大小的sdo409fzkio8微型控制器。sdo409fzkio8以corlortextk5为内核，适合用于杂务处理；sdo409fzkio8微型控制器的内存最大者具备2mb的闪存和200kb的sram，足以满足嵌入式计充一体化充电桩系统微型内核的应用条件；具有2个以上的通用连接端口和6个通用异步串口，足以满足控制板电路的串口数量：有120个通用端口，足以满足控制板电路下对12个接口输入/输出的线路需求。控制板下板的主芯片选择以100mhz的tmd349f20001为主的数字化一体信号处理器为最佳，具备2个以上的can控制器，足以满足和bmsw以及模块电源完成网络实时通信的can接口要求；且同时具备2个以上的sdi模块，足以满足绝缘控制模块及故障通信之间的接口要求；18路a/d采样的设计是为了满足低压电路多通道实现高速采样的要求；36路数字i/o开关，是为了更好地满足充电桩对接口的实时监测和电路低电压控制的要求。控制板电路的通用设计一般会考虑到arm板电路和sdi板电路的双板设计。上板arm控制板电路则具体包括了电源电路、241通信电路、ps651通信串口、采样电路、信号调理总线、flash反馈电路、复位电路。下载板sdi控制板电路主要包括了电源电路、继电器保护和控制设置、can通信电路、复位电路。如此一来，控制板电路就具备了完整通信和联络的设计要求。

电源模块1包括保护模块1.1和变压模块1.2，变压模块1.2输入端由三相五相320v直流电供电。保护模块的功能主要是为了使一体化系统免遭低压直流电路内交流电和强电压的损害；变压模块则具体是对低压直流电网的流经电压与电流进行安全转换，从而为led驱动以及电路控制功能的实现提供安全电压。

变压模块1.2包括高频变压器，所述高频变压器原边变压电压为252v，保护整个电路；功率3kw，统一电路；开关频率20khz，预防短路；变压仪器频率0.9，预防断路；磁通密度0.16t，保护磁线。

本技术方案中高频变压器采取的主要是ap法，高频变压器的外在功率计算为：

按照ap法，则有：

公式②中，k0指的是系统窗口的使用指数，一般取值0.4；kf表示的是波形指数，一般正弦波取值4.44、方波取值4；j指的是电流的活动密度，通常在4-6之间取值，一般以5a/mm²为常见，而本设计则以4a/mm²为标准。

由公式②的计算得到本次设计采用的磁芯ap最小值为：

根据权3内容，在考虑一定的变量因素的前提下，选择pm70型磁芯，pm70型磁芯的磁芯截面ae＝7.90cm²、磁芯表面积aw＝11.40cm²，ap＝ae×aw＝90.06cm⁴，检验其工作磁通密度的最大值即为：

因为其工作磁通密度的最大值和本文选取的工作磁通密度之间相差无几，这就说明选择pm74型磁芯是可取的。这对于低压电路而言，其原边匝数np的计算公式就是：

为方便使用，匝数取整数，原边匝数为13匝，同时半低压电路的原边以及副边缠绕的电路匝数比为：

由式⑥，高频变压器的副边匝数：13x3.5＝45.5，最终取整数46；

按照系统要求，能够获取到原低压电路所经电流的最大值分别是i1min＝26a,i＝12a，若电流密度取值4a/mm²，按照公式得出电路原、副边导线的赤裸面积分：

若经过的交流电流的频率较高，需考虑集群效应，要求电路导线直径不可以超过其穿透深度的3倍，以铜线为例，一般其温度值取100℃，则其穿透深度的计算公式：

按照pm74型磁芯的总线长度，铜线宽度取值为w＝35mm，则原副边铜线的厚度计算为：

综上所述，电路原副边导线的长度要求为35mm×0.2mm和35mm×0.1mm。

通信模块2包括传输模块2.1和接收模块2.2，所述接收模块2.2分别与电源模块1、检测模块3相连，所述传输模块2.1与终端6相连。传输模块通过无线网络实现实时充电进度、充电状态的上传，以利于一体化系统对充电桩的数字化管理和一体化监控；接收模块接收主系统上传信息从而实现对充电桩的实时控制。

检测模块包括状态监测模块3.1、故障检测功能模块3.2和电力计量装置模块3.3，所述状态监测模块3.1与电源模块1相连，状态监测模块主要包括对充电状态的监测模块。充电状态监测模块存在的功能主要是为了对低压直流充电桩的充电状态进行实时监测，以确保整个一体化系统运行稳定，这其中具体包括是否处于充电状态、充电进度、电流状态等。故障检测功能模块3.2经过充电接口4与设备5相连。控制板需要及时读取i/o获取到电路即时性信号，故障检测功能模块通过读取a/d接口完成输出/输入电压、电流以及充电桩状态的电压反馈信息，及时对can总线信号进行读取，从而获得can总线电路的电信反馈，以通用异步连接端口实现对can总线状态的读取与检测。

设备5包括电池管理系统bms5.1和动力电池组5.2，所述电池管理系统bms5.1分别与故障检测功能模块3.2、动力电池组5.2相连。电力计量装置模块3.3包括低压三相计量表与采集装置，采集装置与电池管理系统bms5.1相连。用于满足直流充电桩计量与数据远程采集要求。

工作时，低压直流充电桩下的控制板借助设备内含有的通信模块实现快充电压、快充电流等的需求，从而满足低压直流充电桩控制板对电源组输出电压和电流的控制要求。低压直流计充一体化充电桩系统应用的电源一般具备电能转换的功能。电源一般会由三相五相320v直流电供电，通过内部电源实现直流/交流和交流/交流转换后，就将所需电压电流输出。由于过程应用了高效率模块电源，因而本文方案设计中不会对功率转换进行控制，方案的重点放在控制板电路对整组模块电源的一体化控制。因为单组模块电源的功率是没有办法完全满足低压直流充电桩在快速充电中对功率的要求，设计中需要采取串联多组模块电源的办法，从而实现快速充电。

直流充电桩控制板与模块电源组的通信模块电源的数量由额定功率和单个电源功率的比值决定。直流充电桩控制板通过与模块电源通信控制模块电源输出电动汽车需求的充电电压和充电电流。

低压直流充电桩的控制板电压和模块电源组间主要是利用can总线完成实时通信的。控制板电路和模块电源间的通信过程，具体如图2所示。整个实时通信的过程必须服从工作方式，以控制板为主，模块电源是从属。关键的信息主要包括启动电源信息、状态查询信息、参数设置信息以及电源关闭信息。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了检测模块、电源模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。