一种可远程监控的直流充电桩计量监测系统及方法与流程

1.本发明属于电动车充电技术领域，具体涉及一种可远程监控的直流充电桩计量监测系统及方法。


背景技术：

2.随着技术进步和科技发展，环境污染日益严重，因此具有节能环保特点的新能源汽车越来越被大众接受，电动汽车的充电问题也越来越受到人们的重视。为了便于充电，在中国的许多地方都兴建了很多充电桩来为电动汽车进行充电，这对电动汽车的推广起到了很好的作用。近年来，电动汽车对充电服务的需求更加迫切，间接促进了地产、停车场甚至个人经营电动汽车充电服务。而作为充电服务的重要环节，电动汽车充电桩已经成为主角，其中涉及到的使用、计费体验尤为重要。伴随着电动汽车行驶里程越来越高，电池容量越来越大的情况下，大家对电动汽车充电桩的充电速度、计费精度更为关心，尤其是作为充电桩的运营方来讲，充电桩的计费是否准确决定了运营者是否可以盈利的重要一环。
3.当前标准的计费流程为：电动汽车用户通过充电桩控制系统启动充电，电能开始传输至电动汽车，充电桩内部的计费单元开始工作，通过电流电压采样获取充入电动汽车的电量。用户在结束充电后，充电桩控制系统根据计费单元的电量与设定的电费及服务费单价进行计算，得到该电动汽车用户的消费金额，并依据此金额数对用户进行结算。但在耗电量计量中没有考虑电能传输损耗和充电装置本身的损耗(部分电力转化为热能等)，只是根据充电负载实际充入的电能进行电能计量，进而计算充电费用。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种可远程监控的直流充电桩计量监测系统及方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
6.第一方面，本发明提供一种可远程监控的直流充电桩计量监测系统，包括：充电控制单元，与充电控制单元相连的模数转换模块和通信模块，与模数转换模块相连的电压采集模块和电流采集模块，通过通信模块与充电控制单元进行数据通信的上位机；充电控制单元用于将实时采集的电压数据和电流数据通过通信模块发送到上位机，由上位机或充电控制单元根据实时采集的电压数据、电流数据和充电效率计算用于电费计量的电能值，所述充电效率等于相同时间内充电桩输出直流电能与输入交流电能的比。
7.进一步地，所述上位机或充电控制单元按下式计算用于充电费用计量的电能值e：
[0008][0009]
式中，ei为第i个采集周期充电桩输出的直流电能，ηi为第i个采集周期的充电效率，i＝1,2,
…
,n，n为充电结束时充电周期的数量。
[0010]
更进一步地，所述第i个采集周期充电效率ηi的获得方法包括：
[0011]
根据实时采集的电压数据计算第i个采集周期soci；
[0012]
将soci代入η＝f(soc)得到ηi，所述η＝f(soc)通过对实验数据(ηk,sock)进行拟合得到，k＝1,2,
…
,n，n为实验数据的数量。
[0013]
更进一步地，所述实验数据的获得方法包括：
[0014]
在充电桩输入端接入交流电能计量装置，对充电负载进行充电；
[0015]
充电开始后，实时获取每个采集周期的sock、充电桩输出的直流电能ek、充电桩的输入交流电能
[0016]
充电结束后，计算k＝1,2,
…
,n，n为采集周期的数量即实验数据的数量。
[0017]
进一步地，所述上位机或充电控制单元还用于根据所述用于充电费用计量的电能值和最新的电费价格及服务价格计算充电费用。
[0018]
进一步地，所述充电控制单元主要由中央处理单元和存储器组成。
[0019]
进一步地，所述系统还包括与充电控制单元相连的主要由显示器和键盘组成的人机交互模块。
[0020]
第二方面，本发明提供一种应用所述系统进行计量监测的方法，包括以下步骤：
[0021]
充电开始后，充电控制单元通过模数转换模块实时采集充电电压数据和充电电流数据；
[0022]
充电控制单元通过通信模块将实时采集数据发送到上位机；
[0023]
上位机或充电控制单元根据所述实时采集数据和充电效率计算用于充电费用计量的电能值，所述充电效率等于相同时间内充电桩输出直流电能与输入交流电能的比。
[0024]
进一步地，所述上位机或充电控制单元按下式计算用于充电费用计量的电能值e：
[0025][0026]
式中，ei为第i个采集周期充电桩输出的直流电能，ηi为第i个采集周期的充电效率，i＝1,2,
…
,n，n为充电结束时充电周期的数量。
[0027]
更进一步地，所述第i个采集周期充电效率ηi的获得方法包括：
[0028]
根据实时采集的电压数据计算第i个采集周期soci；
[0029]
将soci代入η＝f(soc)得到ηi，所述η＝f(soc)通过对实验数据(ηk,sock)进行拟合得到，k＝1,2,
…
,n，n为实验数据的数量。
[0030]
更进一步地，所述实验数据的获得方法包括：
[0031]
在充电桩输入端接入交流电能计量装置，对充电负载进行充电；
[0032]
充电开始后，实时获取每个采集周期的sock、充电桩输出的直流电能ek、充电桩的输入交流电能
[0033]
充电结束后，计算k＝1,2,
…
,n，n为采集周期的数量即实验数据的数量。
[0034]
进一步地，所述上位机或充电控制单元还用于根据所述用于充电费用计量的电能值和最新的电费价格及服务价格计算充电费用。
[0035]
进一步地，所述充电控制单元主要由中央处理单元和存储器组成。
[0036]
进一步地，所述系统还包括与充电控制单元相连的主要由显示器和键盘组成的人机交互模块。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
[0038]
本发明通过设置充电控制单元、与充电控制单元相连的模数转换模块和通信模块、与模数转换模块相连的电压采集模块和电流采集模块、通过通信模块与充电控制单元进行数据通信的上位机，充电控制单元用于将实时采集的电压数据和电流数据通过通信模块发送到上位机，由上位机或充电控制单元根据实时采集的电压数据、电流数据和充电效率计算用于电费计量的电能值，实现了可远程监控的直流充电桩计量监测。本发明的电能计量方法考虑了充电效率的影响，提高了电能计量的准确度和合理性。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施例一种可远程监控的直流充电桩计量监测系统的组成框图。图中：1-充电控制单元，2-模数转换模块，3-电压采集模块，4-电流采集模块，5-充电桩，6-通信模块，7-上位机，8-人机交互模块。
[0040]
图2为充电效率-soc曲线示意图。
[0041]
图3为本发明实施例一种应用所述系统进行计量监测的方法的流程图。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
图1为本发明实施例一种可远程监控的直流充电桩计量监测系统的组成框图，包括：充电控制单元1，与充电控制单元1相连的模数转换模块2和通信模块6，与模数转换模块2相连的电压采集模块3和电流采集模块4，通过通信模块6与充电控制单元1进行数据通信的上位机7；充电控制单元1用于将实时采集的电压数据和电流数据通过通信模块6发送到上位机7，由上位机7或充电控制单元1根据实时采集的电压数据、电流数据和充电效率计算用于电费计量的电能值，所述充电效率等于相同时间内充电桩5输出直流电能与输入交流电能的比。
[0044]
本实施例中，所述系统主要由充电控制单元1、模数转换模块2、通信模块6、电压采集模块3和电流采集模块4组成。如图1所示，充电控制单元1与通信模块6、模数转换模块2相连；电压采集模块3和电流采集模块4的输入端与充电桩5相连，输出端与模数转换模块2相连；通信模块6通过互联网与上位机7连接。下面对每个模块分别进行介绍。
[0045]
电压采集模块3，主要用于测量充电电压数据。电压采集模块3主要由电阻分压器组成，一般还包括滤波、放大等电路，将采集的电压信号变换到一定幅度后送到模数转换模块2。
[0046]
电流采集模块4，主要用于测量充电电流数据。电流采集模块4主要由霍尔线圈、分流器等组成，一般还包括电流-电压转换电路、滤波、放大等电路，将采集的电流信号转换成一定幅度的电压信号后送到模数转换模块2。
[0047]
模数转换模块2，用于将模拟电压信号转换成计算机能够处理的数字信号后送到充电控制单元1。模数转换模块2主要由adc芯片组成，可以设置两个adc芯片分别与电压采集模块3和电流采集模块4相连，也可以只设置一个adc芯片，再设置一个二选一模拟开关，模拟开关的输出端与adc芯片相连，模拟开关的两个输入端分别与电压采集模块3和电流采集模块4的输出端相连，模拟开关的控制端(通道选择端)与充电控制单元1相连，这样就可以通过轮流进行电压电流采集实现电压采集模块3和电流采集模块4共用一个adc芯片。当然，如果充电控制单元1具有模数转换功能(处理器内部设有adc功能模块)，可以不必外设adc芯片。
[0048]
通信模块6，主要用于实现充电控制单元1与上位机7的数据通信。上位机7一般为连接互联网的云服务器，充电控制单元1将实时采集的电压电流数据通过通信模块6、互联网上传到上位机7，可以实现对充电桩5充电数据的远程监测。通信模块6可采用gprs模块。gprs采用分组交换的通信方式，在数据传送之前，gprs可以直接建立连接而不需要预先进行分配信道。每当一个数据包传送到的时候，gprs可以根据数据信息(如目的地址)临时采用一个空闲的信道将此数据包发送出去。采用此传送方式，发送和接收数据所采用的信道之间并没有固定对应关系，所有用户都可共同享用同一信道。此数据传送方式能够更好地利用数据信道，因此gprs具有较高的数据传输效率。gprs模块可采用data-6121无线模块，此模块功耗低，适用远距离数据传输。
[0049]
充电控制单元1，是所述系统的控制与数据处理中心，主要用于完成数据处理任务，并通过输出各种控制信号协调其它模块的工作。充电控制单元1完成的数据处理任务主要包括：一是根据实时采集的充电电压和电流数据进行电池充电电能计算；二是在考虑充电桩5充电效率的情况下，计算用于充电费用核算的电能值。据实时采集的电压电流数据进行电能计算的方法有三种：一是平均值法，先根据实时电压、实时电流计算平均电压、平均电流，然后根据平均电压、平均电流与时间的积计算电能；二是有效值法，先根据实时电压、实时电流计算有效电压、有效电流，然后根据有效电压、有效电流与时间的积计算电能；三是功率积分法，用实时电压、实时电流的积对时间求积分。本实施例对具体的电能计量方法不作限定。基于充电效率的电能计算通过将充电电能除以充电效率得到，但由于充电效率不是常数，随soc(电池的剩余容量百分比)变化而变化，因此需要分段计算再求和。比如，由于每个采集周期内的soc变化不大，可以近似认为每个采集周期的充电效率恒定，这样可以通过计算每个采集周期的充电电能除以充电效率再求和得到所求的电能。值得说明的是，上述数据处理任务也可以由上位机7完成，最后把计算结果返回充电控制单元1。
[0050]
上位机7，用于通过实时接收充电控制单元1发送的数据，实现对充电计量的远程监测。如前述，上位机7可以利用接收的实时采集的电压电流数据进行电能计算，也可以直接接收充电控制单元1发送的电能计算结果。上位机7还可以通过向充电控制单元1发送控制指令，实现对充电桩5的控制。
[0051]
本实施例通过设置通信模块6实现了直流充电桩的远程计量监测。本实施例的电能计量方法考虑了充电效率的影响(电能传输损耗和充电装置本身的损耗)，提高了电能计量的准确性和合理性。
[0052]
作为一可选实施例，所述上位机7或充电控制单元1按下式计算用于充电费用计量的电能值e：
[0053][0054]
式中，ei为第i个采集周期充电桩5输出的直流电能，ηi为第i个采集周期的充电效率，i＝1,2,
…
,n，n为充电结束时充电周期的数量。
[0055]
本实施例给出了考虑充电效率的电能计算方法。根据前面介绍的计算原理，本实施例给出了具体的计算公式，如上面公式。上面公式是一个求和公式，对从充电开始到充电结束每个采集周期内充电桩5输出的直流电能ei与充电效率ηi的比值ei/ηi求和。充电桩5输出的直流电能就是充电负载(电池)的充电电能。每个采集周期的ei根据每个采集周期的电压电流值求得。
[0056]
作为一可选实施例，所述第i个采集周期充电效率ηi的获得方法包括：
[0057]
根据实时采集的电压数据计算第i个采集周期soci；
[0058]
将soci代入η＝f(soc)得到ηi，所述η＝f(soc)通过对实验数据(ηk,sock)进行拟合得到，k＝1,2,
…
,n，n为实验数据的数量。
[0059]
本实施例给出了每个采集周期的充电效率的获得方法。如前述，充电效率是soc的函数，可表示为η＝f(soc)，其函数曲线如图2所示。有了η＝f(soc)，只要计算出每个采集周期的soci，将soci代入η＝f(soc)就可以求得每个采集周期的ηi。函数η＝f(soc)可以通过对实验得到样本数据(ηk,sock)进行拟合得到，比如可采用常用的最小二乘拟合法。后面的实施例将给出一种实验数据的获得方法。
[0060]
作为一可选实施例，所述实验数据的获得方法包括：
[0061]
在充电桩5输入端接入交流电能计量装置，对充电负载进行充电；
[0062]
充电开始后，实时获取每个采集周期的sock、充电桩5输出的直流电能ek、充电桩5的输入交流电能
[0063]
充电结束后，计算k＝1,2,
…
,n，n为采集周期的数量即实验数据的数量。
[0064]
本实施例给出了通过实验获得样本数据(ηk,sock)的一种技术方案。实验配置与充电桩5正常充电不同的是，在充电桩5输入端接入交流电能计量装置，用于测量充电桩5的交流输入功率。所述交流电能计量装置可以是标定好的高精度交流电能表。充电开始后，实时获取每个采集周期的sock、充电桩5输出的直流电能ek、充电桩5的输入交流电能然后计算重复上述过程，直到充电结束，得到每个采集周期的(ηk,sock)。
[0065]
作为一可选实施例，所述上位机7或充电控制单元1还用于根据所述用于充电费用计量的电能值和最新的电费价格及服务价格计算充电费用。
[0066]
本实施例给出了计算充电费用的一种技术方案。不同于现有技术基于充电电能即充电桩5输出电能的充电费用计量方法，本实施例基于考虑充电效率后的电能值进行充电费用计算，用最新的电费单价乘以电量再加上服务费用得到应收的充电费用。
[0067]
作为一可选实施例，所述充电控制单元1主要由中央处理单元和存储器组成。
[0068]
本实施例给出了充电控制单元1的一种技术方案。本实施例的充电控制单元1主要包括中央处理单元、存储器及一些外围电路组成。中央处理单元可采用的芯片很多，比如tm320dm642微控制器。
[0069]
作为一可选实施例，所述系统还包括与充电控制单元1相连的主要由显示器和键盘组成的人机交互模块8。
[0070]
为了便于工作人员操作，本实施例设置了与充电控制单元1相连的人机交互模块8。人机交互模块8主要由显示屏、控制键等组成，还可以设置鼠标或操作球。显示屏主要用于显示监测数据，控制键等主要用于输入各种操作指令。
[0071]
图3为本发明实施例一种应用所述系统进行计量监测的方法的流程图，所述方法包括：
[0072]
步骤101，充电开始后，充电控制单元通过模数转换模块2实时采集充电电压数据和充电电流数据；
[0073]
步骤102，充电控制单元通过通信模块6将实时采集数据发送到上位机7；
[0074]
步骤103，上位机7或充电控制单元1根据所述实时采集数据和充电效率计算用于充电费用计量的电能值，所述充电效率等于相同时间内充电桩5输出直流电能与输入交流电能的比。
[0075]
本实施例的方法，与图1所示装置实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。
[0076]
作为一可选实施例，所述上位机7或充电控制单元1按下式计算用于充电费用计量的电能值e：
[0077][0078]
式中，ei为第i个采集周期充电桩5输出的直流电能，ηi为第i个采集周期的充电效率，i＝1,2,
…
,n，n为充电结束时充电周期的数量。
[0079]
更进一步地，所述第i个采集周期充电效率ηi的获得方法包括：
[0080]
根据实时采集的电压数据计算第i个采集周期soci；
[0081]
将soci代入η＝f(soc)得到ηi，所述η＝f(soc)通过对实验数据(ηk,sock)进行拟合得到，k＝1,2,
…
,n，n为实验数据的数量。
[0082]
作为一可选实施例，所述实验数据的获得方法包括：
[0083]
在充电桩5输入端接入交流电能计量装置，对充电负载进行充电；
[0084]
充电开始后，实时获取每个采集周期的sock、充电桩5输出的直流电能ek、充电桩5的输入交流电能
[0085]
充电结束后，计算k＝1,2,
…
,n，n为采集周期的数量即实验数据的数量。
[0086]
作为一可选实施例，所述上位机7或充电控制单元1还用于根据所述用于充电费用计量的电能值和最新的电费价格及服务价格计算充电费用。
[0087]
作为一可选实施例，所述充电控制单元1主要由中央处理单元和存储器组成。
[0088]
作为一可选实施例，所述系统还包括与充电控制单元1相连的主要由显示器和键盘组成的人机交互模块8。
[0089]
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应
涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。