一种充电桩有序充电管理系统及解决方案

赵 隆，孙浩然

(内蒙古自治区电子研究所有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

随着能源的紧缺及环境保护的需要，电动汽车得到了广泛的推广和应用，以降低燃油车辆对能源的消耗以及减少尾气排放对环境的影响。随着电动汽车数量的逐渐增加，需要越来越多的充电桩来满足电动汽车的充电需求。虽然充电桩数量的增加可以缓解紧张的充电需求，但是大规模的无序充电桩充电会对配电安全稳定运行带来挑战，同时充电桩无序充电，对变压器装机容量要求大且利用率较低。为此，笔者提出一种充电桩有序充电管理系统及方法。

1 充电桩充电方式

充电桩是为电动汽车提供电池充电的专用装置，由专业的运营商提供，用户使用手机等移动设备，按需购买充电服务，并支付费用。充电桩为自动化较高的设备，长期处于无人值守中，为了提供便利的充电服务。主要安装在办公楼、商场、医院、宾馆等大型公共建筑和公共停车场、住宅停车场或充电站。通过充电枪，为各类电动汽车提供不同电压等级的充电服务。充电桩的输入端与电网直接连接，充电桩按照接口类型分为交流和直流，充电桩的输出端连接电动汽车进行充电。

1.1 慢充

慢充是交流充电桩通过交流方式进行充电。主要由电动汽车内部的充电机将交流电转换成直流电，然后由充电机给电动汽车电池充电。充电功率的大小被电动汽车内部充电机所限制，一般电动汽车充电机功率较小，所以交流充电桩给电动汽车充电慢，称为慢充。

1.2 快充

快充是直流充电桩通过充电模块，由充电桩直接将交流电转换成直流，给电动汽车电池充电。直流充电桩的充电功率和电动汽车充电机功率没有关系，直流充电桩的充电功率由电池管理系统和充电桩本身输出功率有关，一般直流充电桩都是大功率，所以充电时间快，称为快充。

2 充电桩有序充电管理系统

大量的电动汽车充电桩接入电网后，会对电网产生很大的影响。当所有电动汽车充电设施都集中充电时，可能导致电网容量不足。笔者研制的充电桩有序充电管理系统的通信接口利用CAN透传模块的通信方式来获取当前电网用电总功率数据；根据当前电网用电总功率数据，判断是否需要降功率；若是，则依次向安装在各个充电桩上的充电协议转接控制器发送降功率信号，所述充电协议转接控制器的CAN透传模块根据所述降功率信号控制相应的所述充电桩降低输出功率。

通过设置电网功率管理控制器以及在每个充电桩上安装充电协议转接控制器，并将电网功率管理控制器通过控制器通信模块与每个充电协议转接控制器相连接，当判断当前电网用电总功率达到或者超过预先设定的降功率临界值时，能够有序控制各充电桩降功率充电，从而在一定程度上缓解当前电网的供电压力。

定点定范围的功率控制可以防止当前出现的充电导致主变压器负荷风险问题。充电桩增加直接威胁传统供电变压器，需要探索功率统一管控的技术手段，也要协调社会认同逐步建立管控规则。本系统可以搭建管控硬件，为探索控制规则初步建立开发管理系统。

3 有序充电管理系统具体实施方式

本系统目的在于为内蒙古自治区政府提供一个小型充电桩管理操作平台，属于公共管理领域的一次全新探索。

笔者研制了一种充电桩有序充电管理系统，防止大量用户同时集中充电，导致总闸断电。该系统包括一个电网功率管理控制器和多个用于为电动汽车充电的充电桩；每个所述充电桩上安装有一个充电协议转接控制器。

如图1所示，电网功率管理控制器包括第一MCU模块和RS485模块；总闸上安装有数字电表，该电表用于监控总变压器的用电功率，即当前电网用电总功率；所述RS485模块与电表相连接，配置用于从电表采集当前电网用电总功率数据，并将当前电网用电总功率数据发送给所述第一MCU模块；所述第一MCU模块，配置用于根据接收到的当前电网用电总功率数据，判断是否需要降功率，若是则向所述充电协议转接控制器发送降功率信号。

图1 电网功率管理控制器

具体地，第一MCU模块内预设有最大功率值以及临界百分比，一般来说，最大功率值视不同的应用场景的用电情况而设定，临界百分比一般设定为70%；第一MCU模块计算最大功率值与临界百分比的乘积，得到降功率临界值，并将该降功率临界值与获取的当前电网用电总功率进行比较，若当前电网用电总功率小于降功率临界值，则说明不需要降功率，各个充电桩仍然按照当前的功率对电动汽车进行充电；若当前电网用电总功率大于或等于降功率临界值，说明需要降功率，则第一MCU模块根据各个充电桩开始充电工作的先后顺序依次有序地向与各个充电桩相连接的所述充电协议转接控制器发送降功率信号。此降功率信号包含降功率数值或者降功率百分比，具体是降功率数值还是降功率百分比视工作人员的设置而定，一般的降功率数值设置为1kW，降功率百分比设置为5%，即当降功率信号包含的为1kW降功率数值时，意味着每个充电桩的输出功率在当前基础上降低1kW；当降功率信号包含的为5%的降功率百分比时，意味着每个充电桩的输出功率降低为当前功率值的95%。

所述充电协议转接控制器安装在充电桩座上，包括第二MCU模块和CAN透传模块；所述第一MCU模块和所述第二MCU模块通过控制器通信模块通信连接；所述第二MCU模块，配置用于接收所述第一MCU模块发送的降功率信号，并将降功率信号发送给所述CAN透传模块；所述CAN透传模块，配置用于根据接收到的降功率信号控制相应的所述充电桩降低输出功率。

具体地，CAN透传模块负责透传充电桩以及电动汽车之间的通信报文，当CAN透传模块接收到降功率信号时，截断电动汽车发送给充电桩的电池充电需求报文(BCL)，根据接收到的降功率信号所包含的降功率数值或降功率百分比，修改电动汽车电池充电需求报文，再将修改后的报文发送至充电桩，从而达到降低充电桩输出功率的目的。

在安装充电桩时，会为每个充电桩进行编号，当某一充电桩上接入电动汽车时，安装在该充电桩座上的充电协议转接控制器将该充电桩的编号信息发送至电网功率管理控制器的第一MCU模块，第一MCU模块根据接收到的编号信息将开始充电工作的充电桩按顺序依次存储，从而当需要降功率时，第一MCU模块再按照存储顺序依次有序地向各个编号信息所对应的充电桩的充电协议转接控制器发送降功率信号，即先接入电动汽车开始充电工作的充电桩先降功率充电，确保各充电桩有序降功率充电，从而在一定程度上缓解当前电网的供电压力。

4 结束语

充电桩有序充电管理系统解决现有充电桩企业各自为战状态，提供方便免费公共经营平台。方便所有充电桩企业对接，促进分散用户安装，极大压缩产业资本介入成本。预计可增加3～4倍的充电桩安装量极大推进新能源汽车产业。由电动汽车进一步带动内蒙古自治区的能源生产产业，对加快新能源汽车的发展具有十分重要的意义。