本发明涉及电动公交客车的充电技术领域，尤其是一种用于电动公交车的一体化直流充电桩及其智能充电方法。
背景技术：
随着新能源公交客车的投入运营，与其配套的充电站也在快速发展，技术以直流快充为主，在固定地点布置一定数量的直流充电桩来满足运营过程中公交客车补电需要。基于运营的需求，充电时间主要为夜间补电和中午补电两种时段，其中以夜间充电为主，中午为辅，夜间充电时段时间充足，可满足桩上各公交客车的充电需求。然而，因各公交客车的运营线路距离长短不同，夜间充满电的公交车可满足次日一天的短线路运营，却满足不了长线路的运营，因此需要进行中午的短时间补电，满足当日剩下线路电量需求。
考虑成本的经济性和充电桩的利用率，公交客车充电站内采用的直流充电桩多为一体式多充型，一桩配置2到4个充电枪头，受桩体功率限制，每台充电桩针对其桩上多枪实行先到先充原则，即对先接入的公交客车进行充电。这种充电方式在夜间时间充足时，可满足桩上各个客车的补电需求，但是面对公交客车中午短时补电需求时会出现以下问题：1)由于中午进行短时补电的公交客车线路运营情况各异，对补充电量的需求也不同，当前先到先充的充电模式无法判断桩上公交客车的实际运营电量需求，无法依据实际需求优先充电，导致后接入的公交客车在较短的补电时间内电量需求达不到满足，影响其后续的线路运营；2)当前电池采用先恒流后恒压充电技术，后面的恒压一般为小电流的涓流充电，时间长，但对电量的补充很小，在针对公交客车短时补电的环境下，这种充电占用了充电桩有限的资源，影响到后接入缺电公交客车及时充电，使充电资源未得到合理利用。同时，这种涓流充电特性，还会导致后接入的充电公交客车电池得不到充分充电，长时间运营下影响电池性能，缩短电池使用寿命。
技术实现要素：
本发明的首要目的在于提供一种在直流充电桩的枪头接入电动公交车时，能够依据电动公交车的运营线路和当前电量，智能判断充电的优先顺序，最大化满足多车的运营需求的用于电动公交车的一体化直流充电桩。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于电动公交车的一体化直流充电桩，包括人机交互单元和充电控制单元，二者之间通过串口进行信息交互，所述人机交互单元由第一微控制器MCU、通信端口模块、读卡器、液晶显示模块和按键输入模块组成，第一微控制器MCU分别与通信端口模块、读卡器双向通讯，第一微控制器MCU的输入端与按键输入模块的输出端相连，第一微控制器MCU的输出端与液晶显示模块的输入端相连；所述充电控制单元包括第二微控制器MCU、模拟开关、AD采样芯片、开关量驱动模块、继电器、切换开关和充电枪接口，第二微控制器MCU的输入端通过AD采样芯片接模拟开关，第二微控制器MCU的第一输出端通过开关量驱动模块接继电器，第二微控制器MCU的第二输出端通过切换开关接充电枪接口，充电枪接口与电动公交车的充电枪头连接。
所述第一微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其ETH口接通信端口模块，其UART口分别接读卡器、液晶显示模块、充电控制单元，其GPIO口接按键输入模块。
所述第二微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其SPI口接AD采样芯片的输出端，AD采样芯片的输入端接用于检测直流接触器后端枪头电压、对地绝缘检测、检测充电枪电流、直流互感器对地绝缘监测、枪头电阻检测的模拟开关的输出端；其AD口接枪连接确认模块；其I2C口接存储器；其CAN口分别接切换开关和电源模块，电源模块向充电枪接口供电；其GPIO口分别接模拟开关、开关量驱动模块和切换开关；其UART口接人机交互单元。
本发明的另一目的在于提供一种用于电动公交车的一体化直流充电桩的智能充电方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)通过用户刷卡以及在按键输入模块上的输入的信息，一体化直流充电桩获取电动公交车的营运线路信息，并根据当前时间计算出电动公交车满足当日后续运营里程所需的最小期望电池荷电状态SOCi.min；
(2)电动公交车接入一体化直流充电桩后，一体化直流充电桩通过充电枪与电动公交车的BMS进行信息交互，获取电动公交车的当前荷电状态SOCi、电池容量Qi信息；
(3)一体化直流充电桩依据获取的电动公交车的当前电池荷电状态SOCi和电动公交车的最小期望电池荷电状态SOCi.min，计算出当前电动公交客车的电池运营充电荷电状态值ΔSOCi，其计算公式如下：
ΔSOCi＝SOCi.min-SOCi；
(4)若电池运营充电荷电状态值ΔSOCi>0，则判断当前一体化直流充电桩上接入的电动公交车的个数，若只接入一辆电动公交车，则对该电动公交车进行补电，直至取车运营；若有多辆电动公交车同时接入，则比较同一一体化直流充电桩上所有电动公交车的ΔSOCi，按照ΔSOCi的大小由小到大排序，选择ΔSOCi最小的电动公交车开始补电，直至该电动公交车的ΔSOCi＝0时，即控制切换开关，依序对下一辆电动公交客车进行充电；
(5)当同一一体化直流充电桩上所有电动公交车的ΔSOCi均为0时，进行均衡充电。
所述均衡充电是指：当同一一体化直流充电桩上所有电动公交车的ΔSOCi均为0时，计算各个电动公交车的当前电池充电剩余荷电状态ΔQi，计算公式如下：
ΔQi＝Qi-SOCi；
对当前电池充电剩余荷电状态ΔQi按照自大到小的顺序进行排序，选择ΔQi最大的电动公交车开始充电，充电时间为固定时间段Tinv，充电时间结束后按序对下一辆电动公交客车进行充电，，充电时间为固定时间段Tinv，以此类推，直至所有电动公交车充电完毕。
所述营运线路信息包括线路长度L和单日运营次数N；若电池运营充电荷电状态值ΔSOCi<0，则不进行充电。
由上述技术方案可知，本发明能够在有限的时间内，用一个充电桩连接多个电动公交充电，提高充电站建设投资的经济性；充电桩智能多充时考虑了公交车特殊性，充电时以满足当天运营为条件，不以电池充满为条件，能够在有限的充电时间中，保障各条公交线路的正常运营；充电后期的智能化均衡调度方法，能够保证桩上充电的电动公交车电池充电均衡，合理涓流充电，延长电池寿命。
附图说明
图1为本发明的电路框图；
图2为本发明的充电应用示意图；
图3为本发明中电动公交客车的人机交互流程图；
图4为一体化直流充电桩多枪充电流程图；
图5为一体化直流充电桩多枪均衡充电流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种用于电动公交车的一体化直流充电桩，包括人机交互单元和充电控制单元，二者之间通过串口进行信息交互，所述人机交互单元由第一微控制器MCU、通信端口模块、读卡器、液晶显示模块和按键输入模块组成，第一微控制器MCU分别与通信端口模块、读卡器双向通讯，第一微控制器MCU的输入端与按键输入模块的输出端相连，第一微控制器MCU的输出端与液晶显示模块的输入端相连；所述充电控制单元包括第二微控制器MCU、模拟开关、AD采样芯片、开关量驱动模块、继电器、切换开关和充电枪接口，第二微控制器MCU的输入端通过AD采样芯片接模拟开关，第二微控制器MCU的第一输出端通过开关量驱动模块接继电器，第二微控制器MCU的第二输出端通过切换开关接充电枪接口，充电枪接口与电动公交车的充电枪头连接。如图2所示，充电桩的的充电枪头个数为2个或者4个，电动公交车可随机选择其中任意空闲枪头插入充电。
如图1所示，所述第一微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其ETH口接通信端口模块，其UART口分别接读卡器、液晶显示模块、充电控制单元，其GPIO口接按键输入模块。所述第二微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其SPI口接AD采样芯片的输出端，AD采样芯片的输入端接用于检测直流接触器后端枪头电压、对地绝缘检测、检测充电枪电流、直流互感器对地绝缘监测、枪头电阻检测的模拟开关的输出端；其AD口接枪连接确认模块；其I2C口接存储器；其CAN口分别接切换开关和电源模块，电源模块向充电枪接口供电；其GPIO口分别接模拟开关、开关量驱动模块和切换开关；其UART口接人机交互单元。
本方法包括下列顺序的步骤：
(1)通过用户刷卡以及在按键输入模块上的输入的信息，一体化直流充电桩获取电动公交车的营运线路信息，并根据当前时间计算出电动公交车满足当日后续运营里程所需的最小期望电池荷电状态SOCi.min，如图3所示；也即是说，通过本次充电所达到的最小期望电池荷电状态SOCi.min，至少能够保证电动公交客车当日剩余时间的运营出行电量需求；
(2)如图4所示，电动公交车接入一体化直流充电桩后，一体化直流充电桩通过充电枪与电动公交车的BMS进行信息交互，获取电动公交车的当前荷电状态SOCi、电池容量Qi信息；当前电池荷电状态SOCi的值在整个充电过程中是增加的，最小期望电池荷电状态SOCi.min的值在整个充电过程中保持不变；
(3)一体化直流充电桩依据获取的电动公交车的当前电池荷电状态SOCi和电动公交车的最小期望电池荷电状态SOCi.min，计算出当前电动公交客车的电池运营充电荷电状态值ΔSOCi，补电过程中随着SOCi的增加ΔSOCi的值逐渐降低，其计算公式如下：
ΔSOCi＝SOCi.min-SOCi；
(4)若电池运营充电荷电状态值ΔSOCi>0，则判断当前一体化直流充电桩上接入的电动公交车的个数，若只接入一辆电动公交车，则对该电动公交车进行补电，直至取车运营；若有多辆电动公交车同时接入，则比较同一一体化直流充电桩上所有电动公交车的ΔSOCi，按照ΔSOCi的大小由小到大排序，选择ΔSOCi最小的电动公交车开始补电，直至该电动公交车的ΔSOCi＝0时，即控制切换开关，依序对下一辆电动公交客车进行充电；
(5)当同一一体化直流充电桩上所有电动公交车的ΔSOCi均为0时，则说明其所接入的所有电动公交车均达到了最小期望电池荷电状态SOCi.min，基本保证了下一次出行的需求，此时进行均衡充电。所述营运线路信息包括线路长度L和单日运营次数N；若电池运营充电荷电状态值ΔSOCi<0，则不进行充电。
如图5所示，所述均衡充电是指：当同一一体化直流充电桩上所有电动公交车的ΔSOCi均为0时，计算各个电动公交车的当前电池充电剩余荷电状态ΔQi，计算公式如下：
ΔQi＝Qi-SOCi；
对当前电池充电剩余荷电状态ΔQi按照自大到小的顺序进行排序，选择ΔQi最大的电动公交车开始充电，控制单元按照固定时间Tinv轮流循环充电，直到桩上连接的各车电池充满或者设定的充电时间到。考虑电池寿命，各车轮流充电不能太频繁，Tinv可依据实际情况配置。
以下结合图1至5对本发明作进一步的说明。
充电控制单元主要实现桩上充电枪的管理和公交客车的BMS交互完成具体充电功能，人机交互单元主要实现人机交互，计费，通信功能。两个控制单元之间通过串口进行信息交互，协作完成多枪的智能充电。
所述充电控制单元中第二微控制器MCU主要实现所接充电枪的监测和电动公交车的充电控制，通过AD采样芯片ADS1146，配合模拟开关实现直流充电桩各模拟量的采样，包括枪头电压，桩体对地绝缘检测，充电枪充电电流，直流互感器的绝缘监测，枪头电阻检测。充电控制单元通过实时监测这些模拟量的变化，达到充电条件时，通过与车辆BMS通信交互，控制电源模块对所选枪头上连接的电动公交车充电。多路枪头通过切换开关共享第二微控制器MCU一路CAN模块，切换开关依据人机交互单元传来的信息智能判断当前充电枪头。所述人机交互单元中按键输入模块和读卡器获取的本次电动公交客车充电信息通过串口传入第一微控制器MCU，经第一微控制器MCU整理后，将有效信息通过串口传给充电控制单元。同时，人机交互单元通过该串口与充电控制单元实时交互信息，获取具体充电数据，通过其通信端口模块实现充电桩的对外通信功能。
若当前桩上一枪正在充电过程中，后续电动公交客车接入充电，则充电桩循环检查先接入电动公交车的当前ΔSOCi，无需等待其充满，只要其充电状态满足当日接下来的运营需求即判接入的电动公交客车ΔSOCi为零时，即控制切换开关，切换对新接入的电动公交客车进行充电。在时间一定的情况下，按顺序最大化保障所接入的电动公交车电量均能满足当天运营。
若当前桩上同时接入多于两辆电动公交客车时，则比较同一充电桩上所有电动公交车的ΔSOCi，按照ΔSOCi的大小顺序由小到大安排各辆电动公交车的充电，这样保证在时间不充足的情况下，至少能够满足其中一辆公交车接下来的当日运营需求，避免出现短时充电后两辆均不能满足后续运营的最差情况。
在充电桩运营前，应通过上位机将公交公司电动公交车的信息通过人机交互单元的通信模块传输到人机交互单元，形成电动公交客车信息表，表中包含各公交车编号、运营线路和当日运营次数N等信息。用户刷卡后，人机交互单元的读卡器，液晶显示模块和按键输入模块配合将采集到的待充电电动公交车编号和选择的充电枪号传给第一微控制器MCU，第一微控制器MCU依据输入信息结合当前时间信息和电动公交车信息表计算出当前电动公交客车最小期望电池荷电状态SOCi.min，流程如图3所示。
人机交互单元通过串口将上述计算出的结果发送到充电控制单元后，通过液晶显示模块提示用户选择刚才选的充电枪插头充电。用户按提示将充电枪头插入到电动公交客车后，充电控制单元的第二微控制器MCU通过与电动公交客车的BMS交互信息获取当前电动公交客车的电池荷电状态，并计算出电动公交客车电池运营充电荷电状态值ΔSOCi，若当前桩上未连接其他电动公交客车，则直接充电，若桩上已有车正在充电或多车同时接入，则从小到大排序ΔSOCi，调度切换开关，优先给最小值的电动公交客车充电，保障在时间一定，充电桩充电电源功率一定的情况下，实现各电动公交客车均能满足当天运营需求，避免已满足最低运营需求的电动公交客车占用有限的时间和有限的充电功率，阻碍其他未满足最低运营需求的公交车充电，如图4所示。
当各直流桩上各电动公交客车充电均满足当天运营需求时，则ΔSOCi值均为0，充电控制单元将重新安排充电计划，计算出所接电动公交客车当前电池充电剩余荷电状态ΔQi，按从大到小进行排序，在各公交客车满足当天运营需求的情况下对缺电多的电动公交优先调度充电。考虑到电池充电的特性，特别是充电后期的涓流特性，控制单元按照固定时间Tinv轮流循环充电，直到桩上连接的各车电池充满或者设定的充电时间到，在时间和功率有限的条件下，保障所接入的电动公交客车电池均能充电到合理的状态，避免桩上各车充电不均衡，减少因长期不均衡充电给电池带来的损害，延长电池使用寿命，如图5所示。
综上所述，本发明能够在有限的时间内，用一个充电桩连接多个电动公交充电，提高充电站建设投资的经济性；充电桩智能多充时考虑了公交车特殊性，充电时以满足当天运营为条件，不以电池充满为条件，能够在有限的充电时间中，保障各条公交线路的正常运营；充电后期的智能化均衡调度方法，能够保证桩上充电的电动公交车电池充电均衡，合理涓流充电，延长电池寿命。