一种具备功率柔性分配功能的电动汽车充电装置的制作方法

本发明涉及电动汽车充电设备领域，更具体地，涉及一种具备功率柔性分配功能的电动汽车充电装置。

背景技术：

随着纯电动汽车产业的迅猛发展，新能源汽车是当今战略性的新兴产业，而与之配套的充电设施是新能源汽车产业发展的关键。在国家的大力推动下，自2015年起，发布并推行了针对充电设备的国家标准——《gb/t18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分通用要求》、《gb/t20234.2-2015电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》、《gb/t20234.3-2015电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》、《gb/t27930-2015电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》。在各个标准的严格指引下，充电设备与电动汽车的交互有着明确、细致的通信协议，配备标准化的插头。各种类型的电动汽车，只要是满足国家标准要求、具有标准化的充电接口，均可以在任何一台充电设备下充电。

尽管如此，长期以来电动汽车电池的充电倍率不高、充电时间过长，充电桩/充电车位比率过低的现状，大大影响了一般市民对于购买新能源汽车的信心。针对上述情况，充电站运营商面临两难的境地——如果提高充电桩/充电车位比率，配置充电功率更大的充电设备，当然能更好的服务电动车主。但是将带来以下问题：

1.前期设备投入成本增大；

2.运营期设备管理成本增大；

3.单台充电设备体积过大；

4.单台充电设备利用率不高；

举例来说，依据目前充电枪的技术限制，单枪最大的充电电流为250a，最大充电功率为180kw。一台额定充电功率为180kw的快充直流机，其体积约为800*500*1800mm，报价约为0.7元/w。

为了提高充电设备的利用率，降低充电设备的占地面积及前期设备投入成本，业内的常规做法是一机多枪的结构形式，常见的为1机2枪。近来，1机4枪的形式也逐渐被运营商采用。一机多枪的结构形式出现后，单台式充电设备的充电功率可以突破180kw。

但充电设备的功率越大，设备的体积也越大。过大的设备并不适合安装在充电车位旁边。因此，业内又提出了分体式充电设备的概念，将充电设备从结构上划分为2个部分——直流输出部分定义为分体桩，交直流功率变换部分定义为电源柜。各个厂家有不同的硬件方案，将设备功能划分到电源柜与分体桩上。类似的，分体桩上也可以采用一桩多枪的形式，常见的为1桩2枪。

不管是单体式还是分体式的充电设备，当存在多枪形式时，应要求设备控制器能够依据实际情况合理分配充电功率到各把充电枪，而非简单的均摊(即每把充电枪的额定功率恒定不变)或者轮充(任一时刻只有一把充电枪充电，一辆车充电完成后开始下一辆车)，从而使各台电动车迅速完成补电。而如果功率分配的实现机理不够可靠、功能划分的界面不够合理，则设备后期的维护成本极高。

可见，一个执行合理的功率分配逻辑、以可靠形式实现充电功率动态分配、功能结构划分合理的充电设备(或者说充电系统)，对于充电站运营商、新能源车车主，都有着极大的好处，也十分必要。

技术实现要素：

本发明克服了现有的缺陷，提供了一种新的具备功率柔性分配功能的电动汽车充电装置。本发明通过将电源和充电设备进行分布式放置，降低了充电车位在位置上的客观要求，工作噪声也得以下降；其次，功率控制模块充分调用各个电源模块，保证了设备的利用率，使其实际功率达到额定值，不发生功率浪费的现象。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种具备功率柔性分配功能的电动汽车充电装置，包括充电堆本体、l个充电终端、微处理芯片和程序模块，所述的l是大于2的正整数，其中，

所述的充电堆本体和充电终端属于分布式设计，充电终端设置在充电车位上；

所述的充电堆本体通过电源线分别和若干个充电终端电连接；

所述的微处理芯片设置在充电堆本体上，微处理芯片的第一信号输出端与充电堆本体的信号输入端电连接；

所述的微处理芯片的信号输入端分别与l个充电终端的信号输出端信号连接；

所述的程序模块根据每个充电终端的用电需求调节充电堆本体针对每个充电终端的输出功率，且程序模块存储在微处理芯片，所述的程序模块被执行时实现以下步骤：

s1：采集所有充电终端的启动时间，并根据启动时间对充电终端进行排序；

s2：根据充电终端的排序，赋予各个充电终端启动的优先级；

s3：根据充电终端的bms通信报文，得到每个充电终端的用电需求(u，i)；

s4：根据单个充电终端的用电需求(u，i)，结合充电堆本体的电源模块的功率特性曲线i＝f(u)，得到单个电源模块的最大输出电流imax；

s5：根据单个电源模块的最大输出电流imax进行判断，得到单个充电终端的需要的电源模块的个数m和需要启动的电源模块的组数g；所述的m＝g*h，所述的h表示每组电源模块的个数；

s6:根据需要的电源模块的个数m和当前实际空闲的电源模块个数m的数值关系，确定最终需要启动的电源模块个数及电源模块组数，并确定单个电源模块的输出电压及电流；

s7：循环执行s3～s6，直至得到所有充电终端的输出电压和输出电流；

s8：充电堆本体根据s7的所有充电终端的输出电压和输出电流，调整每个充电终端的输出功率。

在一种优选的方案中，所述的s5中的判断条件通过下式进行表达：

其中，所述的i％imax表示对i÷imax取余数；所述的δ表示误差，人为预设值；所述的[m/h]表示对m÷h的值取整数。

在一种优选的方案中，所述的s6包括以下内容：

若需要的电源模块的个数m≤标记为“空闲”状态的电源模块个数m时，即“空闲”状态的电源模块可以满足需求，将g组(1,2...g)共m(m＝h×g)个电源模块标记为“占用”状态，其中，每个电源模块的输出电压为u＝u，每个电源模块的输出电流i通过下式进行表达：

若需要的电源模块的个数m＞标记为“空闲”状态的电源模块个数m＞0时即“空闲”状态的电源模块不足以满足需要，将m个标记为“空闲”状态的电源模块全部标记为“占用”状态，其中，每个电源模块的输出电压为u＝u，每个电源模块的输出电流i通过下式进行表达：

i＝imax

若需要的电源模块的个数m＞0＞标记为“空闲”状态的电源模块个数m时即不存在“空闲”状态的电源模块时，根据充电终端的启动时间，选取占用n组以上电源模块且启动时间最晚的充电终端，定义为充电终端o，所述的n是不小于2的正整数；所述的充电终端o释放1组电源模块，所述的电源模块从充电终端o“占用”状态改为当前充电终端“占用”状态，当前充电终端的电源模块的输出电压为u＝u，每个电源模块的输出电流i通过下式进行表达：

且跳转至s5重新计算充电终端o的需要的电源模块的输出电压和输出电流。

在一种优选的方案中，所述的程序模块还包括以下步骤：

s9：若存在充电终端完成充电的情况，则将完成充电的充电终端的所有电源模块进行释放，上述电源组的状态更新为“空闲”状态，更新m值；并根据充电终端的排序，遍历所有的充电的充电终端，对所有的充电的充电终端的需要的电源模块的个数m和电源模块组数g进行更新，并根据更新后的m进行判断，根据判断结果对完成充电的充电终端的所有电源模块的状态进行修改；执行s3。

在一种优选的方案中，所述的更新后的m值进行判断包括以下内容：

若更新后的m值＞充电终端占用的电源模块个数时，将该充电终端所占用电源模块状态标志为“空闲”状态，更新m值，并执行s6；

若更新后的m值≤该充电终端占用的电源模块个数时，不做处理。

在一种优选的方案中，所述的充电堆本体包括p组电源模块、l个功率控制模块，所述的功率控制模块的输入端分别与若干个电源模块电连接，所述的功率控制模块的输出端作为充电堆本体的电源输出端与充电终端电连接，所述的功率控制模块受到微处理芯片的控制；所述的p是正整数且p≥l。

在一种优选的方案中，所述的功率控制模块包括开关矩阵，所述的开关矩阵包括p条直流输入电路，每一条直流输入电路与1组电源模块电连接；所述的开关矩阵有1条直流输出电路，所述的直流输出电路作为功率控制模块的输出端；开关矩阵受到微处理芯片的控制，任意选择q条直流输入电路导通，所述的q是正整数且q≤p。

在一种优选的方案中，所述的充电终端包括微处理器、触摸屏、充电枪和直流输入接口，其中，

所述的直流输入接口作为充电终端的输入端与直流输出电路电连接；

所述的充电枪与直流输入接口电连接且充电枪受到微处理器的控制；

所述的触摸屏与微处理器双向连接；

所述的微处理器与微处理芯片信号连接，微处理器的信号输出端作为充电终端的信号输出端。

在一种优选的方案中，所述的充电终端还包括刷卡器，所述的刷卡器的信号输出端与微处理器的第一信号输入端电连接，所述的刷卡器用于扣费和鉴权。

在一种优选的方案中，所述的充电终端还包括绝缘检测模块，所述的绝缘检测模块的信号输出端与微处理器的第二信号输入端通过光电耦合元件进行信号连接，绝缘检测模块用于充电启动前对充电终端内部的绝缘状态进行判断。

在一种优选的方案中，所述的充电堆本体还包括散热模组，所述的散热模组用于对外释放电源模块工作时产生的热量。由于充电堆本体使用了大量的电源模块，因此散发的热量非常高，对散热的需求很大。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明通过将电源和充电设备进行分布式放置，降低了充电车位在位置上的客观要求，安装更加灵活，噪声也得以下降；

2、功率控制模块充分调用各个电源模块，保证了设备的利用率，使其实际功率达到额定值，不发生功率浪费的现象；

3、对电源模块的统一调用，有利于维护个管理，可以进行统一的降温，降湿工作。

附图说明

图1为实施例的模块示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种具备功率柔性分配功能的电动汽车充电装置，包括充电堆本体、8个充电终端、nuc972系列芯片和程序模块，其中，

充电堆本体和充电终端属于分布式设计，充电终端设置在充电车位上；而充电堆本体可以远离充电车位进行集中设置；

充电堆本体通过电源线分别和8个充电终端电连接；

nuc972系列芯片设置在充电堆本体上，nuc972系列芯片的第一信号输出端与充电堆本体的信号输入端电连接。

其中，充电堆本体包括8组电源模块，每组电源模块包括3个电源模块；8个功率控制模块、散热模组和浪涌保护器，功率控制模块的输入端分别与8组电源模块电连接，功率控制模块的输出端作为充电堆本体的电源输出端与充电终端电连接，功率控制模块包括开关矩阵，开关矩阵包括8条直流输入电路，每一条直流输入电路与1组电源模块电连接；开关矩阵有1条直流输出电路，直流输出电路作为功率控制模块的输出端；开关矩阵受到nuc972系列芯片的控制；开关矩阵还包括开关矩阵，通过开关矩阵选择8条直流输入电路的若干路进行合流，实现功率控制的功能。浪涌保护器提供感应雷冲击保护。充电堆本体上开设有风道，通过散热模组将风道内的热量排出，实现统一散热。

其中，充电终端包括stm32f系列芯片、触摸屏、充电枪、刷卡器、绝缘检测模块、浪涌保护器和直流输入接口，直流输入接口作为充电终端的输入端与直流输出电路电连接；充电枪与直流输入接口电连接且充电枪受到stm32f系列芯片的控制；触摸屏与stm32f系列芯片双向连接；stm32f系列芯片与nuc972系列芯片信号连接，stm32f系列芯片的信号输出端作为充电终端的信号输出端；刷卡器的信号输出端与stm32f系列芯片的第一信号输入端电连接，刷卡器用于扣费和鉴权；绝缘检测模块的信号输出端与stm32f系列芯片的第二信号输入端通过光电耦合元件进行信号连接，绝缘检测模块用于充电启动前对充电终端内部的绝缘状态进行判断；浪涌保护器提供感应雷冲击保护。

其中，程序模块根据每个充电终端的用电需求调节充电堆本体针对每个充电终端的输出功率，且程序模块存储在nuc972系列芯片，程序模块被执行时实现以下步骤：

s1：采集所有充电终端的启动时间，并根据启动时间对充电终端进行排序；

s2：根据充电终端的排序，赋予各个充电终端启动的优先级；

s3：根据充电终端的bms通信报文，得到每个充电终端的用电需求(u，i)；

s4：根据单个充电终端的用电需求(u，i)，结合充电堆本体的电源模块的功率特性曲线i＝f(u)，得到单个电源模块的最大输出电流imax；

s5：根据单个电源模块的最大输出电流imax进行以下判断，得到单个充电终端的需要的电源模块的个数m和需要启动的电源模块的组数g：

其中，i％imax表示对i÷imax取余数；δ表示误差，人为预设值；[m/3]表示对m÷3的值取整数；

s6:根据需要的电源模块的个数m和当前实际空闲的电源模块个数m的数值关系，确定最终需要启动的电源模块个数及电源模块组数，并确定单个电源模块的输出电压及电流：

若需要的电源模块的个数m≤标记为“空闲”状态的电源模块个数m时，即“空闲”状态的电源模块可以满足需求，将g组(1,2...g)共m(m＝h×g)个电源模块标记为“占用”状态，其中，每个电源模块的输出电压为u＝u，每个电源模块的输出电流i通过下式进行表达：

若需要的电源模块的个数m＞标记为“空闲”状态的电源模块个数m＞0时即“空闲”状态的电源模块不足以满足需要，将m个标记为“空闲”状态的电源模块全部标记为“占用”状态，其中，每个电源模块的输出电压为u＝u，每个电源模块的输出电流i通过下式进行表达：

i＝imax

若需要的电源模块的个数m＞0＞标记为“空闲”状态的电源模块个数m时即不存在“空闲”状态的电源模块时，根据充电终端的启动时间，选取占用n组以上电源模块且启动时间最晚的充电终端，定义为充电终端o，n是不小于2的正整数；充电终端o释放1组电源模块，电源模块从充电终端o“占用”状态改为当前充电终端“占用”状态，当前充电终端的电源模块的输出电压为u＝u，每个电源模块的输出电流i通过下式进行表达：

且跳转至s5重新计算充电终端o的需要的电源模块的输出电压和输出电流；

s7：循环执行s3～s6，直至得到所有充电终端的输出电压和输出电流；

s8：充电堆本体根据s7的所有充电终端的输出电压和输出电流，调整每个充电终端的输出功率；

s9：若存在充电终端完成充电的情况，则将完成充电的充电终端的所有电源模块进行释放，上述电源组的状态更新为“空闲”状态，更新m值；并根据充电终端的排序，遍历所有的充电的充电终端，对所有的充电的充电终端的需要的电源模块的个数m和电源模块组数g进行更新，并根据更新后的m进行判断，根据判断结果对完成充电的充电终端的所有电源模块的状态进行修改；执行s3：

若更新后的m值＞充电终端占用的电源模块个数时，将该充电终端所占用电源模块状态标志为“空闲”状态，更新m值，并执行s6；

若更新后的m值≤该充电终端占用的电源模块个数时，不做处理；

并根据更新后的m进行判断，根据判断结果对完成充电的充电终端的所有电源模块的状态进行修改；执行s3。

本实施例的有益效果：

1、本实施例采用分体式设计，安装于充电车位旁边的充电终端，包含触摸屏，不含电源模块，其工作噪声小，用户体验好。而充电堆本体集中放置电源模块，虽然体积较大，但是可以一体式放置在充电站某适宜位置，而不是必须放置在充电车位旁。从安装需要上更为灵活，符合充电站运营者的建设需要。

2、由于功能的分配，可以让各个器件工作在更适宜的环境当中，而不是均堆积到一个机柜里面中的单元及触摸屏，放置在充电终端中，无需忍受来自电源模块的高温；而在充电堆本体中，可以配备更高效的散热风道，保证内部工作温度、湿度的适宜。如此一来，大大提高了mtbf，也有利于后期管理维护。

3、功率控制模块采用直流继电器承担开关矩阵的实现器件，具有控制方便、性能可靠、维护简单的优点。单个直流继电器具有100万次的机械寿命，采用12vdc电源即可驱动，并带有状态反馈触点。

4、在功率分配逻辑上，做到了符合充电站运营方、电动车车主的预期，其逻辑清晰合理，充分调用各个电源模块，保证了设备的利用率，使其实际功率达到额定值，不发生功率浪费。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。