基于组件化TCU的电动汽车智能充电系统研究与实现

邱朝明，曲大鹏，刘琦颖，范晋衡，吴冬松

(1.广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510630;2.深圳市中业智能系统控制有限公司， 广东 深圳 518000)

0 引 言

依据国务院《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》和国务院办公厅《新能源汽车产业发展规划(2021年—2035年)》，明确了新能源汽车发展的主要战略方向。文件指出：充电设施建设包括发展推进其关键技术攻关、加强对新型充电设施研发和完善充电标准；同步构建充电智能服务平台等。同时也提出一些问题，包括充电设施通用性较差；充电基础设施标准规范体系有待完善；充电行为对电网的影响及用电高峰期的不确定性等[1-2]。围绕以上内容，文献[3]研究了电动汽车智能监控系统的整体框架及设计支撑技术体系的技术功能。文献[4]研究了一种基于有序充电算法的电动汽车充电站在线监控系统。文献[5]研究了分时充电价格收费的有序充电策略。文献[6]研究了一种基于组件模式的充电站监控系统通信软件。文献[7]设计了一种直流充电桩计费控制系统。

本文研究充电管理系统平台架构、组件化充电桩的核心部件计费控制单元TCU的实现路径和方法。在此基础上研究充电管理策略及应用，平台与TCU的交互及平台系统实现模式和方法。构建标准化、通用性强以及管理全面的电动汽车智能充电系统。

1 充电管理系统平台功能及架构

1.1 平台功能

一个完整的电动汽车充电管理系统主要进行电动汽车充电的状态监测和电量计费、配电安防监测、执行控制调节命令和处理紧急故障、执行充电控制策略、与上级的信息互动及云端WEB发布功能等。汽车充电站内设备主要包括直流电源、充电桩、充电机、配电设备、辅助监测设备及GPS等。这些设备通过各自不同的通信方式与平台互联。

1.2 平台架构

图1 电动汽车充电管理系统结构图

基于以上功能，将平台作逻辑上分层，分为调度层、管控层和设备层，如图1所示。

调度层管理一个或多个管控层，根据电网负荷特性判断下发调度指令。管控层主要包括采集控制、高级应用和数据存储。采集控制处理为采集与控制的执行，高级应用功能主要包括有序充电控制和负荷管控等。高级应用功能可在本层通过系统的判断执行，也可依据上级调度下发的策略执行。设备层包括充电站硬件设备，如充电桩、充电机和配电一二次设备等。

2 TCU功能及实现

2.1 TCU功能研究

计费控制单元TCU是充电桩整机系统的核心，其功能主要分为充电的采集控制、计费控制和有序充电。TCU采集充电桩状态信息、告警信息和充电桩参数等。通过充电管理平台的控制指令控制充电桩启停、充电功率的输出；在充电过程中，可通过DL/T 645—2007《多功能电能表通信协议》读取电能表电量，同时独立对多个充电口进行电量结算。能实现分时电费的计算、充电服务费的计算及统一结算；支持本地分时电费和服务费模型的存储和更改功能；交直流桩电能计量功能应符合 GB/T 28569—2012《电动汽车交流充电桩电能计量》及GB/T 29318—2012《电动汽车非车载电机电能计量》的要求。此外还具有数据安全认证和加密、多种充电识别、数据存储、GPS对时以及远程升级等功能。

2.2 TCU实现路径和方法

(1) 结构设计。本文将TCU控制功能与计费功能合理的分离，形成组件化结构，保证各个组件功能的准确性和稳定性。按功能进行划分为计费、控制、采集通信、存储和系统监测等模块，模块之间相互独立，通过系统监视和信息采集模块对计费和控制模块进行信息核对。TCU结构如图2所示。

图2 TCU内部结构图

(2) 组件化通信功能设计。TCU需支持与多种设备及管理平台交互的通信协议。国网、南网以及企业各自制定了自己相应的通信规约。如《计费控制单元与充电控制器通信协议》《计费控制单元与读卡器通信协议》和《南方电网公司电动汽车充换电服务网络运营监控系统通信规约》等。这些通信使用了网络、串口等多种通信介质，采用应答式、主动发送的MODBUS、类似IEC 104通信等多种交互方式，体现了通信多样性需求。为了满足要求，智能终端TCU需要制定满足不同通信规约和不同通信方式的通信方案，同时也需要研究制定统一的通信规约，以满足各区域充电管理的信息交换要求，如文献[8]使用IEC 61850作为充电桩与监控系统之间的通信标准，较好地解决了通信的标准化及信息孤岛问题。

为满足通信多样性的要求，本文采用组件化软件通信设计方法，在软件实现上划分为组件的集合，确定各组件之间的接口及调用关系，利用组件的功能独立和可复用性的特点，完成系统对于多通信和不同通信协议的要求，并且提升系统的稳定性和规范性。设计的基于组件的TCU通信结构如图3所示。

图3 基于组件的TCU通信结构图

3 充电管理系统平台实现

3.1 系统充电管理策略目标

当电动汽车来到充电站时，汽车电池剩余SOC值统计学上近似服从N(μs，δs)正态分布，其概率密度函数为：

(1)

式中:f为到站车辆SOC的概率密度函数；SS为到站车辆电池剩余SOC值；μs为SS的数学期望值，取0.3；δs为SS的方差，取0.1。

到站车辆预期充电时长可用式(2)进行估算。

Tc=(SE-SS)V/(ηcPc)

(2)

式中:Tc为充电时长；SE为充电结束时车辆电池SOC期望值；V为车辆电池的容量；ηc为充电桩充电效率；Pc为充电桩额定充电有功功率。

计及式(1)和式(2)进行到站预测并制定充电管理策略，策略目标为：在满足用户的充电需求和配电变压器的负荷曲线要求的前提下，实现充电站充电收益最大化。这个目标，须在储能系统的配合下才能实现。电网负荷在高峰时，储能送出电能实现“消峰”，在低谷时段储能充电实现“填谷”。

3.2 管理平台系统实现

依据第1章描述的功能及架构，系统实现采用分布式C/S+B/S模式,如图4所示。

图4 电动汽车充电管理系统平台拓扑图

系统运行和维护采用C/S架构，电动汽车用户使用B/S架构同充电管理平台交互。客户端支持PC客户端、Web浏览器端和手机APP方式。

充电站通信服务器负责收集充电站的信息(包括充电站配电系统、储能系统和充电桩/机的数据)，接收平台系统下发的控制指令，转发给各充电桩和储能系统。实现数据的采集、计费和控制功能。服务器部署在云端，同时系统引入GIS系统及APP。APP主要提供充电站地图导航、充电费用预估和预约等功能。

3.3 管理平台与TCU的交互

数据交互的参与方包括电动汽车、充电应用APP、系统平台和TCU等。管理平台与TCU的交互遵循标准规约，TCU可主动向系统上报任务信息和数据信息，响应系统平台的查询和定值下发。各参与方的交互流程如图5所示。

图5 TCU与系统交互示意图

首先平台系统会在配置好的时间，根据每个充电站历史充电负荷曲线和储能运行负荷曲线，结合负荷预测，在预测的负荷曲线较历史负荷曲线有较大的变化后，重新生成电价曲线，下发给充电站，由充电站下发给TCU。TCU周期性地向系统上报充电站配电负荷曲线和储能负荷曲线等数据。

车辆在充电前可以预约，获取电价曲线和预估充电费用。在电动汽车接入充电时，TCU读取电池信息，向平台登记充电，平台返回充电结束所需预估时间。充电完成后，TCU向系统上报充电结果，平台进行充电任务结算，返回结果后，TCU清除充电缓存记录，否则继续保留充电记录直至平台结算完为止。

4 结束语

本文研究及实现成果已应用在广州白云新能源产业园和番禹大橡树公园等地。应用结果表明本研究成果具有以下优点：

(1) 基于组件化的TCU设计，满足各类充电桩厂商进行集成，实现与平台系统交互和集成。

(2) 平台具有充电到站预测和充电负荷预测功能，便于确定储能系统的充放电策略，实现剧烈波动的充电负荷平抑和配电负荷的“削峰填谷”。

(3) 以充电站为单位接入平台系统，方便维护和管理。