充电控制装置和方法
【专利摘要】本发明提供一种充电控制装置，配置在以可再生能源发电产生的电力为主要电源的微网中，其中，充电控制装置包括：信息采集装置，对可再生能源发电的发电信息、微网中的其他负载用电的用电信息、以及电动汽车的停靠信息和电池信息进行采集；以及，充电机控制装置，根据采集的发电信息和用电信息，计算可再生能源发电的盈余功率，以规定的功率单位对盈余功率进行单位化分组来获得单位充电功率，并且按照将单位充电功率用尽于对电动汽车的充电方式对电动汽车分配单位充电功率，来计算出充电控制计划，充电机，根据充电计划对电动汽车进行充电。根据本发明，能够将可再生能源产生的电能中的盈余功率用尽于对电动汽车的充电。
【专利说明】充电控制装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在微网内对电动汽车进行充电的充电控制装置和方法，特别是采 用以太阳能等可再生新能源发电作为主要电源的微网内的充电控制装置和方法。
【背景技术】
[0002] 据统计，在所有的车辆当中，有90%以上的乘用车辆平均每天行驶时间1小时左 右，并且有95%的时间处于闲置状态。对于电动汽车EV而言更是如此，由于其每日的行驶 距离受电池容量等因素的制约，所以其行驶、充电等相对也具有固定的规律，基本上是夜晚 在家庭或白天在办公所在的建筑内部停车场内充电。另一方面，由以太阳能等可再生新能 源发电构成的建筑微电网，由于电源受环境等因素的影响造成的输出不稳定性会造成用电 和发电并不完全同步，从而在一定程度上使得能源无法得到充分利用。
[0003] 专利文献1 "电动汽车有序充电控制方法及系统"中提出了一种协调电网负载与 电动汽车的能源需求的电动汽车有序充电控制方法。可通过其设计的协调控制策略优先分 配充电机的输出功率给优先级高的车辆。而车辆充电的优先级是依据车辆需要的能量大小 生成，即需求能量越大的车辆优先级越高。
[0004] 事实上，首先充电机的输出功率以及电动汽车的充电功率的调整范围有限，而根 据该专利中的优先级得到的每台电动汽车的充电功率都可能不同并且该范围比较大，因此 该方法对充电机和电动汽车的充电功率有较高的要求。
[0005] 专利文献2 "一种电动汽车充电站及一种为电动汽车充电的方法"中提出了一种 利用太阳能发电配以储能系统和电网输入提供电动汽车稳定充电功率的方法。该方法中太 阳能发电输出和电网输入同时接入储能系统，然后再通过储能系统向电动汽车提供充电功 率。事实上，首先该方法并没有考虑电动汽车充电的需求，其次，当电动汽车充电的功率需 求范围变化比较大的时候，储能系统所需要配置的电池数量将要求比较大方能满足电动汽 车充电功率的变化。
[0006] 因此，当使用微网电源作为主要电源时，如果最大化的利用可再生新能源发电的 输出，最大化满足电动汽车充电的需求，同时降低储能系统的电池配置数量是实现微网内 电动汽车充电控制的难点。
[0007] 现有技术
[0008] 专利文献1中国201010521514. 3号专利申请
[0009] 专利文献2中国201010232050. 4号专利申请
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种微网内对电动汽车进行充电的充电控制装置和方法，用 于微网内以太阳能等可再生新能源发电作为主要电源的电动汽车充电控制系统，在实现对 可再生能源的最优化利用和电动汽车充电效率的提升的同时，降低储能系统中电池的配置 数量。 toon] 本发明的一个方面，提供一种充电控制装置，配置在以可再生能源发电产生的电 力为主要电源的微网中，通过充电机对停靠在待充电区域的电动汽车的充电进行控制，其 中，所述充电控制装置包括：信息采集装置，对可再生能源发电的发电信息、微网中的其他 负载用电的用电信息、以及所述电动汽车的停靠信息和电池信息进行采集；以及，充电机控 制装置，根据采集的所述发电信息和所述用电信息，计算可再生能源发电的盈余功率，以规 定的功率单位对盈余功率进行单位化分组来获得单位充电功率，并且按照将所述单位充电 功率用尽于对所述电动汽车的充电方式对所述电动汽车分配所述单位充电功率，来计算出 充电控制计划，所述充电机，根据所述充电计划对电动汽车进行充电。
[0012] 本发明的另一个方面，提供一种充电控制方法，在以可再生能源发电产生的电力 为主要电源的微网中，通过充电机对停靠在待充电区域的电动汽车的充电进行控制，包括： 对可再生能源发电的发电信息、微网中的其他负载用电的用电信息、以及所述电动汽车的 停靠信息和电池信息进行采集的步骤；根据采集的所述发电信息和所述用电信息，计算可 再生能源发电的盈余功率，以规定的功率单位对盈余功率进行单位化分组来获得单位充电 功率，并且按照将所述单位充电功率用尽于对所述电动汽车的充电方式对所述电动汽车分 配所述单位充电功率，来计算出充电控制计划的步骤；以及，通过所述充电机，根据所述充 电计划对电动汽车进行充电的步骤。
[0013] 根据本发明，能够将可再生能源产生的电能中的盈余功率用尽于对电动汽车的充 电，最大化的利用可再生新能源发电的输出，最大化满足电动汽车充电的需求，同时降低储 能系统的电池配置数量。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的电动汽车充电系统的结构示意图。
[0015] 图2为本发明的充电控制设备的结构框图。
[0016] 图3是本发明的充电控制设备5实施的充电控制的流程图。
[0017] 图4为本发明的电动汽车充电计划计算单元524计算电动汽车充电计划的流程 图。
[0018] 图5表示用于说明太阳能发电功率盈余状况的示意图。
[0019] 图6表示对太阳能发电功率的盈余进行单位化分组的示意图。
[0020] 图7表示将该充电计划时间表重叠在图6的太阳能发电盈余的单位化分组上进行 表示的示意图。
【具体实施方式】
[0021] 以下结合附图详细描述本发明。
[0022] 应用本发明的充电控制设备的电动汽车充电系统中，设想可再生能源作为微网内 主要的电力电源。这里，微网，例如是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和 保护装置组成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可 以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。再生能源发电系统发的电可以提供给微网中的 各种负载使用，而电网输入作为备用的电源，当再生能源发电系统的输出功率未达到预期 时，以电网输入替代再生能源发电系统来提供电能；当可再生能源发电系统的输出功率大 于微网中各种负载的需求时，将盈余的电能提供给电动汽车进行充电。电动汽车的充电过 程由本发明的充电控制设备进行控制，通过充电机对电动汽车实施充电。
[0023] 本发明的技术思想在于，通过对可再生能源发电功率以及微网负荷功率进行预测 并结合电动汽车的停靠日程、充电需求，来制定最优的充电计划，使得尽可能满足电动汽车 各自的充电需求并且最大化利用可再生能源的出力。
[0024] 图1为本发明的电动汽车充电系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括可再 生能源发电系统1，电网输入模块2,配电系统3,微网负载4,充电控制设备5,充电机模块6 以及电动汽车7。
[0025] 太阳能发电系统1，包含有光伏太阳能电池101、PCS逆变器102以及储能装置 103。
[0026] 其中光伏太阳能电池 101，是用于将太阳能转换为电能的装置，由于太阳能的利 用效率会因气候等环境因素变化，因此太阳能光伏电池的发电具有间歇性和不稳定性的特 点。
[0027] PCS逆变器102,对光伏太阳能电池101产生的直流电进行转化，从而满足用户的 交流电源系统的要求。
[0028] 储能系统103,用来储存经由PCS逆变器102变换得到的电能。在后述的充电控制 设备5中的太阳能发电功率数据预测单元522对太阳能发电的出力预测出现偏差时，可以 作为缓冲器来调整太阳能发电系统的出力，以弥补预测的误差。
[0029] 电网输入2,是可以视为不间断供电的电源，例如可以是市电接入，能够对配电系 统3持续供给电能。
[0030] 配电系统3,为负载提供电源切换和保护功能。电源切换指依据充电控制指令为负 载选择太阳能发电的电源或是电网输入的电源。保护功能指为防止配电线路上的过载等故 障而采取的保护动作。
[0031] 微网负载4,为处于微网内除电动汽车外其他用电的负载，例如照明、动力设备等。
[0032] 充电控制设备5，用于生成和下达对电动汽车进行充电的充电控制指令。充电控制 设备5,包含信息采集装置51、充电机控制装置52。
[0033] 信息米集装置51，对太阳能发电系统1、电网输入2、配电系统3、微网负载4、充电 机6以及电动汽车7的信息进行采集。特别是对太阳能发电系统1的发电信息、微网中的 微网负载4用电的用电信息、以及电动汽车7的停靠信息和电池信息进行采集，并将这些信 息提供给充电机控制装置52。
[0034] 充电机控制装置52,根据由信息采集置51采集的发电信息和用电信息，计算太阳 能发电的盈余功率，以规定的功率单位对盈余功率进行单位化分组来获得单位充电功率， 并且按照将单位充电功率用尽于对电动汽车7的充电的方式，对电动汽车7分配单位充电 功率，来计算出充电控制计划，并将充电控制计划下达给充电机6。
[0035] 充电机6，根据由充电机控制装置52计算出的充电计划，对电动汽车7进行充电。
[0036] 图2为本发明的充电控制设备的结构框图。如图2所示，充电控制设备5的信息 采集装置51，包括太阳能发电信息采集单元511、负载用电信息采集单元512、电动汽车信 息采集单元513。
[0037] 太阳能发电信息采集单元511，对太阳能发电系统1的运行工况、室外的环境等影 响太阳能发电的参数进行采集、保存，作为未来一个设定周期内太阳能发电功率预测的基 础数据。
[0038] 负载用电信息采集单元512,对用电负载的用电信息、用电计划等影响用电负载功 率的参数进行采集、保存，作为未来一个设定周期内负载用电功率预测的基础数据。
[0039] 电动汽车信息采集单元513,实现对车辆信息和电池信息的采集，采集的信息包 括：车辆的停靠时间以及电池的容量、电池的荷电状态等。车辆的停靠时间可以通过车载信 息终端获得用户输入其车辆使用的计划；另外也可以由停车场的控制中心根据对车辆的长 期行驶记录做出该车辆停靠时间的预测值。
[0040] 充电控制设备5的充电机控制装置52,包括数据存储单元521、太阳能发电功率数 据预测单元522、负载用电功率数据预测单元523、电动汽车充电计划计算单元524以及充 电机充电控制执行单元525。
[0041] 数据存储单元521，用来存储采集模块实时采集的数据。
[0042] 太阳能发电功率数据预测单元522,根据本地区历史气象数据以及太阳能发电装 置的运行工况，预测未来设定周期内的太阳能发电的功率输出值。
[0043] 负载用电功率数据预测单元523,可以结合采集到的室外环境参数，根据负荷的历 史用电数据，预测未来设定周期内的负载用电功率值。
[0044] 电动汽车充电计划计算单元524,从太阳能发电功率数据预测单元522和负载用 电功率数据预测单元523接收预测结果，并据此计算出未来一个设定周期内太阳能发电功 率的盈余功率，并经由数据存储单元521根据由电动汽车信息采集单元513采集的车辆信 息和电池信息，按照将盈余功率用尽于对电动汽车7的充电的方式计算出电动汽车充电计 划。后文中对于电动汽车充电计划的计算方式进行详细说明。
[0045] 充电控制执行单元525,根据电动汽车充电计划计算单元524计算出的电动汽车 充电计划，对充电机6进行控制从而对电动汽车7进行充电。
[0046] 图3是本发明的充电控制设备5实施的充电控制的流程图。该流程包括以下步 骤：
[0047] 步骤S501，由信息采集装置51的太阳能发电信息采集单元511以设定的频率采集 太阳能发电的数据以及影响太阳能发电功率的参数；由信息采集装置51的负载用电信息 采集单元512采集微网内负载的用电功率以及影响负载用电功率的参数。信息采集装置51 对这些数据进行处理后，构成之后进行预测的太阳能发电历史数据和用电功率历史数据。
[0048] 步骤S502,由步骤S501得到的太阳能发电历史数据，预测未来一个单位周期内太 阳能发电的功率曲线。
[0049] 步骤S503,由步骤S051得到的用电功率历史数据，预测未来一个单位周期内负载 用电的功率曲线。
[0050] 步骤S504,基于步骤S502和步骤S503得到的未来一个单位周期内太阳能发电的 功率曲线和负载用电的功率曲线，计算得出未来一个单位周期内的太阳能发电功率盈余状 况，并根据充电机6的每个端口的额定功率输出，将太阳能发电功率盈余进行单位化分组， 分组后的结果TP作为为电动汽车制定充电计划的基础。
[0051] 所谓单位化分组，可以理解为将盈余功率以规定的单位（例如，充电机每个端口 的额定功率）划分为多个不同时间长度的能量块。另外，由于充电机每个端口的额定功率 是固定的，而划分出的各个能量块应该能让一个端口在一定期间内以额定功率稳定进行充 电，因此对于不足的部分可通过电网输入6进行弥补。
[0052] 图5表示用于说明太阳能发电功率盈余状况的示意图。图6表示对太阳能发电功 率的盈余进行单位化分组的示意图。其中单位充电功率的集合TP = {TP1，TP2, TP3…}。
[0053] 步骤S505,由信息采集装置51的电动汽车信息采集单元513,采集每台电动汽车 的电池相关信息和车辆停靠信息，统计所有电动汽车的充电需求，并计算出电动汽车的充 电时间冗余度。在后文中，结合表2对充电需求和充电时间冗余度进行具体说明。
[0054] 这里，设采集的电动汽车的电池信息包括电池荷电状态S0C、电池容量Q、充电功 率P，车辆的停靠信息包括停靠时间TK。其中TK= [ts，te]为充电开始时刻％，结束时刻 的时间区间。电池的信息可以由电动汽车信息采集单元513通过车载的信息终端读取并 传输至本系统，车辆的停靠信息可以由电动汽车信息采集单元513通过车载终端中的人机 交互系统获取用户的输入。LTK为停靠时长；通过算式L TC = Q*(目标S0C-当前S0C ? )/P 计算出充电时长。这里，将每台车的充电需求，用数据项Xi(TK，LT。）来表达。
[0055] 另外，定义每台电动汽车的充电冗余度为R = LTK/LT。。这里，充电冗余度指用户的 充电过程被允许切分成多个时间片的程度，即某台车辆的充电冗余度R值越大，其充电过 程被切分调度的裕度越高。按照R从小到大的顺序建立电动汽车的充电需求的集合X = {XpXyXf}作为列表，保证冗余度小的车辆将被优先安排充电。计算冗余度的理由在于， 由于车辆的冗余度决定了该车辆接收充电调度计划的自由度，冗余度越大表示该车辆的充 电时间可以被切分的粒度越小，安排充电计划的自由度越大，因此利用单位充电功率的灵 活性越好。通过计算冗余度并优先对冗余度小的车辆分配单位充电功率，能够确保单位充 电功率被用尽于对电动汽车7的充电。不过，计算冗余度只是其中的一种实现方式，也可以 使用任何公知的方式来确保单位充电功率被用尽于对电动汽车7。
[0056] 步骤S506,根据电动汽车的充电需求X，按照太阳能发电功率盈余的单位化分组 的结果的单位充电功率TP被用尽于对电动汽车7的充电的方式，逐一计算得出每台电动汽 车的充电时间TC，最终生成电动汽车充电时间表。在后文中，结合表4对电动汽车充电时间 表进行具体说明。
[0057] 步骤S507,根据由步骤S506生成的电动汽车充电时间表，由充电机充电控制执行 单元对充电机进行控制，以相应的充电机端口按照时间表进行充电。
[0058] 图4为本发明的电动汽车充电计划计算单元524计算电动汽车充电计划的流程 图。该流程包括以下步骤：
[0059] 步骤S601，从电动汽车的充电需求的集合列表中取出要计算的充电需求参数 Xi(TK，LT。）；其中TK表示该电动汽车的预计停靠时间；Lrc表示该电动汽车充电时长；定义该 电动汽车的充电时间为TC，并且设置TC的初始值为空。
[0060] 步骤S602,从单位化分组TP的列表中取第一个分组TP1 ;
[0061] 步骤S603,计算该电动汽车的有效充电时间TKP。其中车辆停靠时间TK与当前已 经为车辆安排的充电时间TC的差，为还需要为车辆充电进行安排的时间。其与分组TPj的 交集为能够满足在分组TPj中车辆充电进行安排的时间TKP。
[0062] 步骤S604,判断该电动汽车的有效充电时长LTKP是否能够满足该电动汽车的需要 充电时长LT。；如果L TKP > Lrc则表示可以满足，进入步骤S605,否则，如果LTKP < LT。则表示 不能满足进入步骤S606 ;
[0063] 步骤S605,从有效充电时间TKP中任意选择长度为LTC的时间段TQ将该时间TQ 加入到该车的充电计划集合TC中。同时，更新对应的单位化分组TPj，即从TPj中去除分配 出去的该车的时间段TCi。至此算出该车的充电计划为TC= {TCpTCy ···}
[0064] 步骤S606,有效充电时间TKP作为本次为该车分配的充电时间TQ，并将TQ加入 到该车充电计划集合TC中；同时，更新该车的充电需求时长L rc，即需求时长Lrc去除本次分 配的时长Lrci，另外，更新对应的单位化分组TP」，即从TP」中去除分配出去的有效充电时间 TKP。
[0065] 步骤S607,判断是否可以从单位化分组的列表中选择下一个分组TPj+1，如果可以 择重复步骤S603 ;
[0066] 步骤S608,由配电系统3将电源切换至电网输入2。
[0067] 步骤S609,判断是否还有其他电动汽车充电的需求要计算，如果没有则计算完毕， 至此算出所有电动汽车的充电计划时间表。
[0068] 为了便于理解，结合具体的实例对电动汽车充电计划的计算进行说明。
[0069] 首先，设对图6表示的太阳能发电功率的盈余的单位化分组的结果如表1所示。 [0070]【表1】
[0071]
【权利要求】
1. 一种充电控制装置，配置在以可再生能源发电产生的电力为主要电源的微网中，通 过充电机对停靠在待充电区域的电动汽车的充电进行控制，其中， 所述充电控制装置包括：信息采集装置，对可再生能源发电的发电信息、微网中的其他 负载用电的用电信息、以及所述电动汽车的停靠信息和电池信息进行采集；以及， 充电机控制装置，根据采集的所述发电信息和所述用电信息，计算可再生能源发电的 盈余功率，以规定的功率单位对盈余功率进行单位化分组来获得单位充电功率，并且按照 将所述单位充电功率用尽于对所述电动汽车的充电方式对所述电动汽车分配所述单位充 电功率，来计算出充电控制计划， 所述充电机，根据所述充电计划对电动汽车进行充电。
2. 根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于， 所述信息采集装置，包括：可再生能源发电信息采集单元、负载用电信息采集单元、和 电动汽车信息采集单元， 所述可再生能源发电信息采集单元，对所述可再生能源发电的运行工况、发电环境参 数进行采集作为所述发电信息， 所述负载用电信息采集单元，对所述用电负载功率的用电历史、用电计划进行采集作 为所述用电信息， 所述电动汽车信息采集单元，对所述电动汽车的所述停靠期间进行采集作为所述停靠 信息，对所述电动汽车的充电目标以及荷电状态进行采集作为所述电池信息。
3. 根据权利要求1或2所述的充电控制装置，其特征在于， 所述充电机控制装置，还包括可再生能源发电功率预测单元、负载用电功率预测单元、 电动汽车充电计划计算单元以及充电机充电控制执行单元， 所述可再生能源发电功率数据预测单元，根据所述发电信息预测未来一个单位周期内 的发电功率曲线， 所述负载用电功率预测单元，根据所述用电信息预测所述未来一个单位周期内的所述 其他负载的用电功率曲线， 所述电动汽车充电计划计算单元，根据所述发电功率曲线和所述用电功率曲线的差 值，计算得出所述未来一个单位周期内的盈余功率，并以规定的功率单位对所述盈余功率 进行单位化分组来获得所述单位充电功率，并计算出所述充电控制计划， 所述充电机充电控制执行单元，根据所述电动汽车充电计划计算单元计算出的充电控 制计划，对所述充电机进行控制从而对电动汽车进行充电。
4. 根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于， 所述充电机控制装置，根据所述电动汽车的充电期间、与所述电动汽车的能用所述单 位充电功率进行充电的有效停靠期间的比值，计算出表示对所述电动汽车的充电期间进行 切分来实施调度的裕度的充电冗余度，并按照对充电冗余度小的电动车辆优先分配所述单 位充电功率的方式，计算出所述充电控制计划。
5. 根据权利要求4所述的充电控制装置，其特征在于， 所述规定的功率单位是所述充电机的一个端口的额定输出功率， 所述充电期间，通过将基于所述充电需求得到的充电电量除以所述额定输出功率来确 定。
6. 根据权利要求4所述的充电控制装置，其特征在于， 所述有效停靠期间，是所述电动汽车的所述停靠期间中与所述单位充电功率所处的期 间重叠的期间。
7. 根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于， 所述微网还与商用电网连接， 所述充电机控制装置，以来自所述商用电网的电能对所述微网的电力进行补充，来进 行对所述盈余功率的单位化分组和充电控制计划的计算。
8. 根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于， 所述可再生能源发电包括太阳能发电和风力发电的至少一个。
9. 根据权利要求2所述的充电控制装置，其特征在于， 所述充电目标是所述电池的上限容量、或者由电动汽车的使用者设定的指定容量。
10. 根据权利要求4所述的充电控制装置，其特征在于， 所述充电机控制装置，在所述充电冗余度小于1的情况下，计算能让充电冗余度达到1 的停靠期间，并提示给所述电动汽车的使用者。
11. 根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于， 还包括：诱导信息发布装置，发布用于吸引电动汽车来进行充电的充电诱导信息， 充电机控制装置，在计算出的所述充电控制计划没有用尽所述单位充电功率的情况 下，通过所述诱导信息发布装置发布所述充电诱导信息。
12. -种充电控制方法，在以可再生能源发电产生的电力为主要电源的微网中，通过充 电机对停靠在待充电区域的电动汽车的充电进行控制，包括： 对可再生能源发电的发电信息、微网中的其他负载用电的用电信息、以及所述电动汽 车的停靠信息和电池信息进行采集的步骤； 根据采集的所述发电信息和所述用电信息，计算可再生能源发电的盈余功率，以规定 的功率单位对盈余功率进行单位化分组来获得单位充电功率，并且按照将所述单位充电功 率用尽于对所述电动汽车的充电方式对所述电动汽车分配所述单位充电功率，来计算出充 电控制计划的步骤；以及， 通过所述充电机，根据所述充电计划对电动汽车进行充电的步骤。
【文档编号】H01M10/44GK104124724SQ201310155713
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】李超, 叶涛, 张志霞 申请人:株式会社日立制作所