一种电动汽车智能充电站的制作方法

本发明涉及电力工程技术，具体涉及电动汽车直流充电站。

背景技术：

随着电动汽车的快速发展，使用电动汽车的人群数量在逐年增长，用户的充电需求十分迫切。但原有的配电变电站在规划设计时，没有将电动汽车充电设施纳入到配电变电站的设计容量中，现有的配电变电站配电容量不能满足电动汽车充电设施快速增长的充电需求。加上目前充电设施建设征地难，以统筹考虑区域配电容量和充电需求的，基于变配充一体化的电动汽车充电站建设显得非常必要。

目前常规的电动汽车智能充电站，充电策略较为单一，无法满足不同情境下的充电需求。另外，充电终端在充电过程中，往往对于有些危害充电安全的情况，不能进行有效防护。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种电动汽车智能充电站，统筹考虑区域配电与充电功率容量，实现多种策略充电，适应不同情境下的充电需求；同时实现充电终端在充电过程中的主动安全防护。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电动汽车智能充电站，包括充电机、充电终端，所述充电机包括交流配电模块、整流模块、开关矩阵以及功率控制器，所述交流配电模块为充电机供电，每台充电机包含若干整流模块，若干整流模块分为若干组功率单元，若干组功率单元经开关矩阵控制连接至若干路直流输出回路，每路直流输出回路对应连接一台充电终端，所述开关矩阵根据功率控制器的控制指令，将每组功率单元在若干直流输出回路中进行投切。

优选的，所述功率控制器按照以下充电策略下达充电功率分配和负荷调节指令：

全功率轮序充电：

a)每组群控充电单元，实现每台充电终端输出恒功率大电流快速充电，在充电结束之前，其余充电终端均不提供充电服务；

b)在充电过程中当分配给车辆的充电功率出现冗余时，在满足充电电流的前提下将冗余功率单元逐个切除，然后进入闲置功率充电模块序列；

平均功率充电：

每组群控充电单元，若干充电终端均输出相等的充电功率，同时对与充电终端对应数量的车辆进行充电；

自由式动态功率充电：

按照车辆进入充电序列的顺序，依次满足充电功率需求，保证进入充电序列车辆能够随时充电的原则设计；具体控制逻辑要求如下：

当车辆进入充电序列时，如果充电机的闲置功率≥充电需求功率，则按充电需求分配输出相应的充电功率对车辆充电；如果充电机的闲置功率＜充电需求功率，则以剩余闲置功率输出对车辆充电；

当车辆进入充电序列时，如果充电机无闲置功率，使用该充电口的绑定功率单元给该进入充电序列车辆进行充电；

在充电过程中当分配给车辆的充电功率出现冗余时，在满足充电电流的前提下将冗余功率充电模块逐个切除，然后进入闲置功率充电模块序列，按先进先出的原则分配给其它有需求的车辆使用。

优选的，所述的充电终端包括与充电机连接的充电桩、与充电桩连接的充电电缆、与充电电缆连接的车辆插头以及充电控制器，所述充电控制器与充电机、车辆电池管理系统通信，所述充电控制器设有主动安全保护模块，所述主动安全保护模块对动力蓄电池和充电机进行监测，且在充电过程中满足主动安全保护条件时执行主动安全保护措施；

所述主动安全保护条件包括：

a)最高单体动力蓄电池电压大于最高允许充电电压；

b)最高动力蓄电池温度大于最高允许温度；

c)充电桩电压输出值、车辆充电电压需求值或者电池充电电压测量值大于最高允许充电总电压；

d)充电桩电流输出值、车辆充电电流需求值或者电池充电电流测量值大于最高允许充电电流；

e)充电桩累计充电电量大于动力蓄电池标称总能量；

f)动力蓄电池充电电压测量值与充电机电压输出值相差±15v以上；

g)动力蓄电池充电电流测量值与充电机电流输出值相差±30a以上；

h)动力蓄电池当前荷电状态soc和估算剩余充电时间在5min内没变化；

所述主动安全保护措施包括在1s内停止充电、断开高压直流接触器和低压辅助电源继电器、上传告警信息。

优选的，所述交流配电模块包括进线断路器、接触器和防雷器，输出馈电设漏电保护开关，在充电连接输出端设直流快速熔断器，提供过载和短路保护功能。

优选的，所述充电机设有输入过压及欠压保护模块，当输入过压或欠压保护动作时，整流模块关机并告警，所述充电机设有输出过压及过流保护模块，当输出过压或过流保护动作时，整流模块关机并告警。

优选的，在充电过程中发生下列情况，则充电控制器控制充电机停止充电，并在100ms内断开高压直流接触器和低压辅助电源继电器，

a)充电机出现不能继续充电的故障；

b)触发急停开关动作；

c)充电桩与电动汽车之间的保护地线断开；

d)充电桩与电动汽车之间的连接确认信号断开。

优选的，所述车辆插头设有与车辆充电接口锁止的电子锁和机械锁，当电子锁处于锁止位置时，机械锁无法操作，所述充电控制器能判断电子锁是否可靠锁止，当电子锁未可靠锁止时，充电桩应停止充电或不能启动充电，在充电桩失电情况下，电子锁能自动解锁，所述电子锁具备异常情况下应急解锁功能。

优选的，所述充电桩具备车桩匹配预判功能，车辆准备就绪充电启动阶段，在车辆端直流接触器闭合后，充电桩检测到车辆端电池电压，然后与车辆发送的整车动力蓄电池当前电池电压进行比较，如果二者差值不超过±15v，且电池电压检测值在充电机输出电压范围内，则允许充电启动过程；如果二者差值超过±15v，或电池电压检测值超过充电机的输出电压范围，则中止充电启动过程；所述充电桩具备预充电功能，车辆准备就绪充电启动阶段，在充电桩检测到车辆端电池电压并确认车桩匹配正常后进行预充电控制，将充电机输出电压调节到与电池电压测量值之差小于10v，再闭合充电桩直流接触器，充电桩直流接触器接通时发生的车辆到充电设备、或者充电设备到车辆的冲击电流控制在20a以下。

优选的，所述充电控制器设有泄放控制模块，所述泄放控制模块与泄放电路通讯连接，正常充电结束或非正常充电中止时，在充电桩直流接触器断开后泄放控制模块控制泄放电路及时对充电机输出电压进行泄放，并在1秒内将直流输出电压降到60v以下；所述充电桩具备直流接触器状态监视功能，判断接触器每次闭合与断开动作状态是否与控制命令一致，如果不一致则中止充电流程，同时在接触器每次断开后进行触点粘连检测，当发现有粘连情况发生时，充电桩告警并停止服务。

优选的，所述充电机设有温湿度调节模块，温湿度调节模块对充电机机柜内的温湿度进行监测，并自动调节柜内温湿度处于设定范围；所述充电机设有水浸保护模块，所述水浸保护模块在浸入机柜内的水位达到一定高度时自动断开交流输入电源，同时发出告警信号。

本发明采用上述技术方案，因此，本发明具有如下有益效果：

1、本发明变配充一体化的电动汽车充电站不仅可以综合利用配电变电站的土地资源，而且可以在配电变电站的设计和建设时，做到统筹兼顾，进行场地和空间优化布局，实现电网配电容量的合理分配，保障居民小区和充电站有序供电。

2、充电终端设有主动安全保护模块，在充电过程中满足主动安全保护条件时执行主动安全保护措施，保证安全充电，避免出现安全事故。

3、充电机具有多种充电策略，适应不同情境下的充电需求。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为本发明的系统配置框图；

图2为充电机电气原理框图；

图3为开关矩阵电气原理框图；

图4为充电终端电气方案原理框图。

具体实施方式

参考图1所示，变电站采用10kv三绕组变压器，其中高压侧接入10kv电网，为地区负荷供电；低压侧0.4kv接入电动汽车智能充电站，直接服务电动汽车充电设备，同时实现居民小区用电供给。其中，电动汽车智能充电站包括若干充电机，每个充电机连接6个充电终端，充电机采用户外设计，功率单元集中布置在充电机内部，充电终端布置停车位一端，充电终端采用单枪设计，配置人机交互界面及充电枪。另外，还设有充电监控系统，1路20a电源引入做为充电监控电源，每个变电站可配置站级监控系统，站级监控系统可将充电、交易、状态信息通过无线方式上传至区域监控平台，站级监控系统包括充电监控柜以及充电监控操作员站。

参考图2和图3所示，所述充电机包括交流配电模块、12个整流模块、开关矩阵以及功率控制器，其中，所述交流配电模块为6个充电终端供电，所述开关矩阵具有9组功率单元，所述开关矩阵根据功率控制器的控制指令，将每组功率单元的输出在6路直流输出回路投切，1至6的直流输出回路与对应的6个充电终端连接。

其中，所述交流配电模块采用1路380v电源接入，进线侧包括进线断路器、接触器和防雷器，输出馈电设漏电保护开关，在充电连接输出端设直流快速熔断器，提供过载和短路保护功能。

整流模块采用宽电压输出范围(200v～750v)，恒功率控制15kw智能高频开关电源，12个整流模块分为9组功率单元，1-6组功率单元功率为15kw，分别连接1至6的直流输出回路，7-9组功率单元功率为30kw，7-9组功率单元通过开关矩阵可灵活将每组功率单元投切在1至6的直流输出回路。

开关矩阵采用高压直流接触器，并根据功率控制器的控制指令，将每组功率单元的输出在6路充电连接输出端投切，实现动态分配。

所述功率控制器分别与充电终端、整流模块和开关矩阵通信，根据车辆充电需求，按预定的控制策略下达充电功率分配和负荷调节指令，同时向监控系统发送充电机设备状态和告警信息。

其中，充电机的充电策略描述如下：

全功率轮序充电：

a)每组群控充电单元，1台充电终端输出180kw的充电功率，可实现大电流快速充电，在充电结束之前，其余充电终端均不提供充电服务；

b)在充电过程中当分配给车辆的充电功率出现冗余时，在满足充电电流的前提下将冗余功率单元逐个切除，然后进入闲置功率充电模块序列。

平均功率充电：

每组群控充电单元，6台充电终端均输出30kw的充电功率，同时对6台车辆进行充电。

自由式动态功率充电：

a)按照车辆进入充电序列的顺序，依次满足充电功率需求，保证进入充电序列车辆能够随时充电的原则设计；具体控制逻辑要求如下：

b)当车辆进入充电序列时，如果充电机的闲置功率≥充电需求功率，则按充电需求分配输出相应的充电功率对车辆充电；如果充电机的闲置功率＜充电需求功率，则以剩余闲置功率输出对车辆充电；

c)当车辆进入充电序列时，如果充电机无闲置功率，使用该充电口的绑定功率单元给该进入充电序列车辆进行充电；

d)在充电过程中当分配给车辆的充电功率出现冗余时，在满足充电电流的前提下将冗余功率充电模块逐个切除，然后进入闲置功率充电模块序列，按先进先出的原则分配给其它有需求的车辆使用。

另外，所述充电机设有输入过压及欠压保护模块，当输入过压或欠压保护动作时，整流模块关机并告警。

所述充电机设有输出过压及过流保护模块，当输出过压或过流保护动作时，整流模块关机并告警。

所述充电机输出端设有用于防止动力电池电流向充电机倒灌隔离二极管。

所述充电机设有过温保护模块，当内部超温时采取降功率输出；切当过温保护动作时，整流模块关机并告警。

所述充电机在动态分配功率过程中，整流模块切除时输出残压，整流模块投入时具备输出电流冲击限制能力。

所述充电机设有温湿度调节模块，温湿度调节模块对充电机机柜内的温湿度进行监测，并自动调节柜内温湿度处于设定范围。

所述充电机设有水浸保护模块，所述水浸保护模块在浸入机柜内的水位达到一定高度时自动断开交流输入电源，同时发出告警信号。

充电机具备柜门开启保护功能，当充电机柜的门被打开时自动断开交流输入电源，同时发出告警信号。

充电机的机柜具备防尘功能，其通风散热的进出口设置滤网、静电吸附装置，滤网可拆安装，方便维护拆卸清洗。

群控计费控制单元采用计算机控制，1个can口与功率控制器、充电终端通信，采集充电机状态信息、充电信息、车辆电池信息；1个can口与充电终端通信，下发充电开机命令并采集充电交易电度信息，执行集群负荷调控指令。

参考图4所示，所述充电终端包括与充电机连接的充电桩、与充电桩连接的充电电缆、与充电电缆连接的车辆插头，充电桩设有充电控制器。所述充电控制器采用计算机控制，与充电机、车辆电池管理系统通信，负责与车辆连接确认、电池管理系统(bms)通信及充电流程控制，上送车辆连接状态、电池充电需求、充电桩状态等信息。

所述充电控制器设有主动安全保护模块，所述主动安全保护模块对动力蓄电池和充电终端进行监控，包括动力蓄电池充电参数、充电需求、充电总状态和电池状态信息，并结合充电终端工作状态信息进行综合判断，在充电过程中满足主动安全保护条件时执行主动安全保护措施。

所述主动安全保护条件包括：

a)最高单体动力蓄电池电压大于最高允许充电电压；

b)最高动力蓄电池温度大于最高允许温度；

c)充电桩电压输出值、车辆充电电压需求值或者电池充电电压测量值大于最高允许充电总电压；

d)充电桩电流输出值、车辆充电电流需求值或者电池充电电流测量值大于最高允许充电电流；

e)充电桩累计充电电量大于动力蓄电池标称总能量；

f)动力蓄电池充电电压测量值与充电机电压输出值相差±15v以上；

g)动力蓄电池充电电流测量值与充电机电流输出值相差±15a以上；

h)动力蓄电池当前荷电状态soc和估算剩余充电时间在5min内没变化；

所述主动安全保护措施包括在1s内停止充电、断开高压直流接触器和低压辅助电源继电器、上传告警信息。

所述主动安全保护措施包括在1s内停止充电、断开高压直流接触器和低压辅助电源继电器、上传告警信息。主动安全保护功能可本地或远程选择配置。

另外，在充电过程中发生下列情况，则充电控制器控制充电机停止充电，并在100ms内断开高压直流接触器和低压辅助电源继电器，

a)充电机出现不能继续充电的故障；

b)触发急停开关动作；

c)充电桩与电动汽车之间的保护地线断开；

d)充电桩与电动汽车之间的连接确认信号断开。

如果充电桩与车辆bms如发生通信超时，则停止充电，并在10s内断开高压直流接触器，之后重新发起通信握手开始充电；如果重新连接3次仍未成功，即确认通信中断，则停止本次充电，在10s断开高压直流接触器和低压辅助电源继电器。

所述车辆插头设有与车辆充电接口锁止的电子锁和机械锁，当电子锁处于锁止位置时，机械锁无法操作，所述充电控制器能判断电子锁是否可靠锁止，当电子锁未可靠锁止时，充电桩停止充电或不能启动充电，在充电桩失电情况下，电子锁能自动解锁，所述电子锁具备异常情况下应急解锁功能。

所述充电桩具备车桩匹配预判功能，车辆准备就绪充电启动阶段，在车辆端直流接触器闭合后，充电桩检测到车辆端电池电压，然后与车辆发送的整车动力蓄电池当前电池电压进行比较，如果二者差值不超过±15v，且电池电压检测值在充电机输出电压范围内，则允许充电启动过程；如果二者差值超过±15v，或电池电压检测值超过充电机的输出电压范围，则中止充电启动过程。

所述充电桩具备预充电功能，车辆准备就绪充电启动阶段，在充电桩检测到车辆端电池电压并确认车桩匹配正常后进行预充电控制，将充电机输出电压调节到与电池电压测量值之差小于10v，再闭合充电桩直流接触器，充电桩直流接触器接通时发生的车辆到充电设备、或者充电设备到车辆的冲击电流控制在20a以下。

所述充电控制器设有泄放控制模块，所述泄放控制模块与泄放电路通讯连接，正常充电结束或非正常充电中止时，在充电桩直流接触器断开后泄放控制模块控制泄放电路及时对充电机输出电压进行泄放，并在1秒内将直流输出电压降到60v以下。

所述充电桩具备直流接触器状态监视功能，判断接触器每次闭合与断开动作状态是否与控制命令一致，如果不一致则中止充电流程，同时在接触器每次断开后进行触点粘连检测，当发现有粘连情况发生时，充电桩告警并停止服务。

所述充电控制器设有对直流输出电路进行绝缘监测的绝缘监测模块，并且能与电动汽车的绝缘监测功能相配合。充电桩的绝缘监测功能满足gb/t18487.1-2015中附录b.4.1和b.4.2的规定。

所述充电控制器具备存储车辆充电记录功能。

所述充电桩设有辅助电源模块。所述充电桩设有对充电接口输出电能进行计量的计量模块。计量模块应采用符合gb/t29318-2012《电动汽车非车载充电机电能计量》规定的智能直流电能表，电流线路经分流器接入并和计量模块一体化封装设计，接线及安装方式满足快速拆装要求，方便用户检定。

充电桩具备充电数据记录功能，在连接车辆充电过程中对下列数据进行采集、存储。充电桩循环存储至少3条充电记录，并具备掉电保护功能。

a)配置阶段动力蓄电池充电参数报文(bcp)；

b)充电阶段电池充电需求报文(bcl)，采样周期≤1min；

c)充电阶段电池充电总状态报文(bcs)，采样周期≤1min；

d)充电阶段充电机充电状态报文(ccs)，采样周期≤1min；

e)充电阶段动力蓄电池状态信息报文(bsm)，采样周期≤1min；

f)充电阶段车辆中止充电报文(bst)；

g)充电阶段充电机中止充电报文(cst)；

h)充电结束阶段车辆统计数据报文(bsd)；

i)充电结束阶段充电机统计数据报文(csd)。

充电桩具备对充电控制过程中的各种异常信息进行采集、告警、存储的功能，告警记录存储不少于200条，并具备掉电保护功能。

充电桩具备运行状态指示功能，包括“电源”、“充电”、“告警”，采用led指示灯。

充电桩具备湿度控制模块，对充电桩湿度进行调节，防止产生凝露危害。

充电桩内部元器件安装高度距底部不小于600mm，防止水侵危害。

充电桩结构为前开门，满足靠墙安装维护。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。