基于物联网管理平台的功率动态分配直流充电桩系统的应用与设计

甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司 何智晖

充电桩作为物联网感知终端,通过与5G、大数据中心、人工智能、工业互联网等其他“新基建”的有机融合,将打通汽车、能源、互联网等产业,构建起全新的数字化社会的架构。同时,充电桩的不断创新及使用都是传统的工业技术和信息技术与先进的数字技术和智能网联技术的深度结合。本文提出的基于物联网管理平台的功率动态分配直流充电桩系统采用通信、电子等技术,实现终端的充电启停控制、功率动态分配、监测数据实时反馈至数据中心、异常或故障上报等功能,服务器通过数据分析处理,实现运营、计费、支付、统计报表等功能,同时为运营管理提供数据支撑。

0 引言

近年来,在各类因素和大环境的整体驱动下,我国电动汽车充电基础设施得到了快速发展,据国家能源局初步统计,截至2020年8月底,全国累计建成充电桩138.2万个,较2019年同期增长27.9%;其中,公共充电桩79万个,居民专用充电桩59.2万个。然而,直流充电桩由于其建设成本较高、建设面积较大、不够灵活等多种因素,目前市场上交流充电桩的占比较高。而充电桩作为推动新能源汽车发展的重要保障,需不断创新完善,进一步提升充电桩智能化程度。同时,市场上很大一部分充电桩输出功率是平均分配的,即每把枪都会被分配一定量的固定输出功率,当某一充电枪为车辆充电时,最大充电输出功率只能为分配到功率,而其他空闲充电枪分配到的功率不能有效利用,造成充效率低,充电耗时太长、资源浪费等问题。

功率动态分配直流充电桩系统综合考虑了各类不同充电模式[1],融合了电子技术、通信技术、充电模块调度和计量技术等先进技术,利用接触器阵列,实现输出能力的投切,从而达到功率动态分配的功能。

1 直流充电桩系统

1.1 直流充电桩系统原理构架(图1)

图1 充电桩系统结构框图Fig.1 Structural block diagram of charging pile system

直流充电桩系统是综合了物联网管理平台、网络通信、绝缘检测、人机交互、功率动态分配、CAN通信、电源模块监控、刷卡模块、远程自动升级等功能模块的充电系统。

1.2 直流充电桩系统设计原理及主要功能

1.2.1 功率动态分配充电技术

直流充电桩功率动态分配充电技术主要是充电桩主控单元通过直流接触器阵列,实现各个电源模块在不同充电需求之下的投切功能,并引入了按需分配、先充先得、新车加入分配等多种分配原则,同时综合考虑车辆SOC值和充电桩输出功率的动态变化等影响因素[2],最大限度的减少充电桩输出功率资源浪费,满足不同车辆的充电需求,提高充电桩的充电效率。

(1)按需分配:充电桩通过CAN通信方式与电动汽车BMS电池管理系统通信,并解析接收到的蓄电池充电参数,确定最大充电电压、最大充电电流,BMS根据充电桩最大输出能力确定充电后,充电桩按照电动汽车蓄电池充电需求分配资源并启动充电;在充电中,充电桩与BMS实时交互通信,依据蓄电池充电需求实时更新功率资源输出策略,确保充电过程正常进行。(2)先到先得:当充电桩的所有充电枪都处于空闲状态时,电动汽车正确连接充电枪后,充电桩首先满足该车辆的最大充电需求,实现先到先得的充电机制。(3)新车加入分配:当有新的充电车辆连接至充电桩时,充电桩主控单元判断是否有冗余输出量,若有冗余量,充电桩和充电车辆将根据冗余量进行配置充电;若没有冗余量,充电桩在分析各类充电参数后从已占用的充电功率中划拨出最小输出量来供该新加入车辆使用。

1.2.2 电气监测

电气检测实现桩体的充电输出检测、辅助电源输出检测以及绝缘检测。

充电输出检测时,充电桩主控单元将直流输出端切换至负载端,并依次给电源模块发送不同的电压输出指令,并根据负载控制在当前电压下的输出电流[3]。在负载端检测电源模块的输出电压,电流是否正常。若没有正常输出,则会提示运维人员及时检查电源模块是否正常,或者检查主控单元与电源模块的通信是否正常。

辅助电源是直流充电桩在充电过程中,为车载BMS系统供电的设备。因此,辅助电源是否正常输出决定了车载BMS系统能否正常工作。为了适应不同的车型,辅助电源提供DC12V、DC24V两种输出电压。在自检时,先通过继电器将辅助电源输出端切换至DC12V电源端,检测此时输出端电压是否正常。再将辅助电源的输出端切换至DC24V电源端再次检测。若出现电压不稳,输出电压纹波过大的现象,则进行告警处理。

直流输出绝缘检测是利用绝缘检测模块对直流输出线路进行检测,输出电压为车辆通信握手报文内的最高允许充电总电压和供电设备额定电压中的较小值。绝缘检测完成后,将绝缘检测模块从直流输出的线路中断开,并投入泄放回路,对充电输出电压进行泄放。若绝缘检测没有达到国标中的相关规定,充电桩则立即停止输出,并上报故障。

1.2.3 通信监测

通信监测指标直接决定了充电桩对不同型号车辆的兼容性和充电时数据交互的稳定性,避免与充电车辆通信时,对车辆造成损坏。通信检测有充电桩内部各个模块实时监测及电动汽车BMS电池管理系统通信监测两部分。若发现桩体发出的信息错误或者对错误的信息没有识别,桩体会及时上报故障[4]。

(1)充电桩主控单元对充电桩内部绝缘监测、刷卡模块、电源模块等模块进行实时通信监测,保证充电桩运行正常,若模块通信失败或发生故障,充电桩将对故障信息记录并上报至平台。(2)电动汽车充电时,BMS电池管理系统与充电桩分别在握手、配置、充电、结束四个阶段检测BMS系统发送的报文,BMS系统及充电桩对接收和发送的报文从时序、内容、是否超时等多方面进行检查;当BMS系统识别到汽车出现故障时,BMS系统判断错误类型,并发送错误信息报文至充电桩,如:报文缺失,通信速率不匹配,校验错误,信息返回超时等,充电桩需正确解析判断该条报文,并作出相应的动作处理。

1.2.4 安全保护监测及管理机制

充电桩采用多种保护措施,充电桩输入侧及输出侧实现过流保护、短路保护,具备交流输入的过压、欠压和缺相保护功能;设备应具备软启动,可以有效防止直流冲击电流输出;在充电过程中,充电桩主控单元自动监测内部模块的运行和状态是否正常,自动判断充电连接器、充电电缆是否正确,且主控单元自动监测电动汽车BMS电池状态及运行信息,保证电池处于最佳充电状态,对于异常操作与故障信息及时上报并处理[5];急停保护功能可以快速切断充电模块电源和分断直流输出开关;利用绝缘监测单元实现绝缘检测保护功能;采用智能电表实时监测直流充电电量、充电电压、充电电流,将采样数据发送至主控单元,从而对各个数据进行相应的解析、处理。

1.2.5 错误检测处理

错误检测处理是指在充电桩出现错误或故障,或接收到车辆端发送的故障信息报文时,充电桩应及时控制相应的执行机制,并停止充电输出回路,避免对车辆造成更大的损害,同时记录该条错误信息,并上报至服务器,与此同时显示屏也会显示告警信息。错误检测主要有:充电桩内部模块未连接、SOC超出正常范围、电压异常、电流异常、电池组过温等[6]。

1.2.6 远程自动升级

充电桩物联网平台自动监测充电桩的型号、程序版本号等信息,并不定期的更新充电桩固件程序升级包;远程自动升级是将充电桩固件程序升级包加载到充电桩物联网平台[7],对单个或批量充电桩下发升级命令,设备收到升级指令,经过验证识别后开启程序升级流程,平台将程序升级包拆解为多个数据包,逐条发送至设备,设备下载成功后对平台发送响应信息,否则重新发送,升级过程中遇到错误导致升级失败时,设备运行程序自动恢复至前一版本,运行程序升级完成后设备将自动重启。

1.3 物联网管理平台

为促进充电服务互联互通,整合不同区域的充电资源,为用户提供更好的便捷服务,建设物联网管理平台,充电桩通过以太网通信、NB-Iot、CAT1通信方式与物联网管理平台进行通信[8]。物联网管理平台实现不同区域充电站内充电设备的集中管理及自动控制,实现充电桩工作状态及充电电压、电流等充电参数的实时监测,对异常信息或操作进行分析处理及报警,对充电桩的出厂编号等各项静态参数自动监测并维护,可实现充电桩程序升级;充电计费方式采用“尖峰平谷”的收费标准[9];对充电站内监控进行分析管理,实现站内出入车辆统计、站内安全管控等功能;对充电记录、操作记录、报警事件、消费记录等统计分析处理功能,并生成各类统计报表,为财会税收、监管等管理决策提供数据支撑。

2 结语

本文中提出的功率动态分配充电技术实现充电桩的柔性充电,与普通充电设备相比,充电方式更智能、更灵活、功率利用率更高;可有效提高充电桩的充电效率,缩短车辆充电时间,增加运营效益;为充电桩的智能化发展提供了一定的技术支撑。

引用

[1] 李东东,邹思源,刘洋,等.共享模式下的充电桩引导与充电价格研究[J].电网技术,2017,41(12):3971-3979.

[2] 李秋硕.电动汽车接入电网的电能有序利用模型与控制策略研究[D].北京:华北电力大学,2014.

[3] 李庆.基于NB-IOT的电动汽车智能充电系统[D].合肥:合肥工业大学,2019.

[4] 王杰.物联网技术下电动汽车充电桩设计研究[D].武汉:湖北工业大学,2017.

[5] 张臻,王聪慧,单栋梁,等.基于动态功率调节的恒功率电动汽车充电机的研究[J].电器与能效管理技术,2019(4):52-57.

[6] 蔡培伦,珣张 .基于云计算的智能充电桩管理系统的研究[J].物联网技术,2016,6(12):52-54+56.

[7] 申江伟,杨理想,高鹏,等.基于动态功率分配的电动汽车充电站设计[J].集成电路应用,2020,37(8):114-115.

[8] 陈新星,娄柯,刘世林,等.电动汽车充电站充电功率动态分配策略的研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2019,33(9):25-32.

[9] 褚才良,朱伯明,陈海军,等.一种带充电桩的LED路灯数字电路设计[J].数字技术与应用,2015(4):145+147.