基于物聯(lián)網管理平臺的功率動態(tài)分配直流充電樁系統(tǒng)的應用與設計

甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司 何智暉

充電樁作為物聯(lián)網感知終端,通過與5G、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網等其他“新基建”的有機融合,將打通汽車、能源、互聯(lián)網等產業(yè),構建起全新的數(shù)字化社會的架構。同時,充電樁的不斷創(chuàng)新及使用都是傳統(tǒng)的工業(yè)技術和信息技術與先進的數(shù)字技術和智能網聯(lián)技術的深度結合。本文提出的基于物聯(lián)網管理平臺的功率動態(tài)分配直流充電樁系統(tǒng)采用通信、電子等技術,實現(xiàn)終端的充電啟停控制、功率動態(tài)分配、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋至數(shù)據(jù)中心、異?；蚬收仙蠄蟮裙δ?服務器通過數(shù)據(jù)分析處理,實現(xiàn)運營、計費、支付、統(tǒng)計報表等功能,同時為運營管理提供數(shù)據(jù)支撐。

0 引言

近年來,在各類因素和大環(huán)境的整體驅動下,我國電動汽車充電基礎設施得到了快速發(fā)展,據(jù)國家能源局初步統(tǒng)計,截至2020年8月底,全國累計建成充電樁138.2萬個,較2019年同期增長27.9%;其中,公共充電樁79萬個,居民專用充電樁59.2萬個。然而,直流充電樁由于其建設成本較高、建設面積較大、不夠靈活等多種因素,目前市場上交流充電樁的占比較高。而充電樁作為推動新能源汽車發(fā)展的重要保障,需不斷創(chuàng)新完善,進一步提升充電樁智能化程度。同時,市場上很大一部分充電樁輸出功率是平均分配的,即每把槍都會被分配一定量的固定輸出功率,當某一充電槍為車輛充電時,最大充電輸出功率只能為分配到功率,而其他空閑充電槍分配到的功率不能有效利用,造成充效率低,充電耗時太長、資源浪費等問題。

功率動態(tài)分配直流充電樁系統(tǒng)綜合考慮了各類不同充電模式[1],融合了電子技術、通信技術、充電模塊調度和計量技術等先進技術,利用接觸器陣列,實現(xiàn)輸出能力的投切,從而達到功率動態(tài)分配的功能。

1 直流充電樁系統(tǒng)

1.1 直流充電樁系統(tǒng)原理構架(圖1)

圖1 充電樁系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structural block diagram of charging pile system

直流充電樁系統(tǒng)是綜合了物聯(lián)網管理平臺、網絡通信、絕緣檢測、人機交互、功率動態(tài)分配、CAN通信、電源模塊監(jiān)控、刷卡模塊、遠程自動升級等功能模塊的充電系統(tǒng)。

1.2 直流充電樁系統(tǒng)設計原理及主要功能

1.2.1 功率動態(tài)分配充電技術

直流充電樁功率動態(tài)分配充電技術主要是充電樁主控單元通過直流接觸器陣列,實現(xiàn)各個電源模塊在不同充電需求之下的投切功能,并引入了按需分配、先充先得、新車加入分配等多種分配原則,同時綜合考慮車輛SOC值和充電樁輸出功率的動態(tài)變化等影響因素[2],最大限度的減少充電樁輸出功率資源浪費,滿足不同車輛的充電需求,提高充電樁的充電效率。

(1)按需分配:充電樁通過CAN通信方式與電動汽車BMS電池管理系統(tǒng)通信,并解析接收到的蓄電池充電參數(shù),確定最大充電電壓、最大充電電流,BMS根據(jù)充電樁最大輸出能力確定充電后,充電樁按照電動汽車蓄電池充電需求分配資源并啟動充電;在充電中,充電樁與BMS實時交互通信,依據(jù)蓄電池充電需求實時更新功率資源輸出策略,確保充電過程正常進行。(2)先到先得:當充電樁的所有充電槍都處于空閑狀態(tài)時,電動汽車正確連接充電槍后,充電樁首先滿足該車輛的最大充電需求,實現(xiàn)先到先得的充電機制。(3)新車加入分配:當有新的充電車輛連接至充電樁時,充電樁主控單元判斷是否有冗余輸出量,若有冗余量,充電樁和充電車輛將根據(jù)冗余量進行配置充電;若沒有冗余量,充電樁在分析各類充電參數(shù)后從已占用的充電功率中劃撥出最小輸出量來供該新加入車輛使用。

1.2.2 電氣監(jiān)測

電氣檢測實現(xiàn)樁體的充電輸出檢測、輔助電源輸出檢測以及絕緣檢測。

充電輸出檢測時,充電樁主控單元將直流輸出端切換至負載端,并依次給電源模塊發(fā)送不同的電壓輸出指令,并根據(jù)負載控制在當前電壓下的輸出電流[3]。在負載端檢測電源模塊的輸出電壓,電流是否正常。若沒有正常輸出,則會提示運維人員及時檢查電源模塊是否正常,或者檢查主控單元與電源模塊的通信是否正常。

輔助電源是直流充電樁在充電過程中,為車載BMS系統(tǒng)供電的設備。因此,輔助電源是否正常輸出決定了車載BMS系統(tǒng)能否正常工作。為了適應不同的車型,輔助電源提供DC12V、DC24V兩種輸出電壓。在自檢時,先通過繼電器將輔助電源輸出端切換至DC12V電源端,檢測此時輸出端電壓是否正常。再將輔助電源的輸出端切換至DC24V電源端再次檢測。若出現(xiàn)電壓不穩(wěn),輸出電壓紋波過大的現(xiàn)象,則進行告警處理。

直流輸出絕緣檢測是利用絕緣檢測模塊對直流輸出線路進行檢測,輸出電壓為車輛通信握手報文內的最高允許充電總電壓和供電設備額定電壓中的較小值。絕緣檢測完成后,將絕緣檢測模塊從直流輸出的線路中斷開,并投入泄放回路,對充電輸出電壓進行泄放。若絕緣檢測沒有達到國標中的相關規(guī)定,充電樁則立即停止輸出,并上報故障。

1.2.3 通信監(jiān)測

通信監(jiān)測指標直接決定了充電樁對不同型號車輛的兼容性和充電時數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性,避免與充電車輛通信時,對車輛造成損壞。通信檢測有充電樁內部各個模塊實時監(jiān)測及電動汽車BMS電池管理系統(tǒng)通信監(jiān)測兩部分。若發(fā)現(xiàn)樁體發(fā)出的信息錯誤或者對錯誤的信息沒有識別,樁體會及時上報故障[4]。

(1)充電樁主控單元對充電樁內部絕緣監(jiān)測、刷卡模塊、電源模塊等模塊進行實時通信監(jiān)測,保證充電樁運行正常,若模塊通信失敗或發(fā)生故障,充電樁將對故障信息記錄并上報至平臺。(2)電動汽車充電時,BMS電池管理系統(tǒng)與充電樁分別在握手、配置、充電、結束四個階段檢測BMS系統(tǒng)發(fā)送的報文,BMS系統(tǒng)及充電樁對接收和發(fā)送的報文從時序、內容、是否超時等多方面進行檢查;當BMS系統(tǒng)識別到汽車出現(xiàn)故障時,BMS系統(tǒng)判斷錯誤類型,并發(fā)送錯誤信息報文至充電樁,如:報文缺失,通信速率不匹配,校驗錯誤,信息返回超時等,充電樁需正確解析判斷該條報文,并作出相應的動作處理。

1.2.4 安全保護監(jiān)測及管理機制

充電樁采用多種保護措施,充電樁輸入側及輸出側實現(xiàn)過流保護、短路保護,具備交流輸入的過壓、欠壓和缺相保護功能;設備應具備軟啟動,可以有效防止直流沖擊電流輸出;在充電過程中,充電樁主控單元自動監(jiān)測內部模塊的運行和狀態(tài)是否正常,自動判斷充電連接器、充電電纜是否正確,且主控單元自動監(jiān)測電動汽車BMS電池狀態(tài)及運行信息,保證電池處于最佳充電狀態(tài),對于異常操作與故障信息及時上報并處理[5];急停保護功能可以快速切斷充電模塊電源和分斷直流輸出開關;利用絕緣監(jiān)測單元實現(xiàn)絕緣檢測保護功能;采用智能電表實時監(jiān)測直流充電電量、充電電壓、充電電流,將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至主控單元,從而對各個數(shù)據(jù)進行相應的解析、處理。

1.2.5 錯誤檢測處理

錯誤檢測處理是指在充電樁出現(xiàn)錯誤或故障,或接收到車輛端發(fā)送的故障信息報文時,充電樁應及時控制相應的執(zhí)行機制,并停止充電輸出回路,避免對車輛造成更大的損害,同時記錄該條錯誤信息,并上報至服務器,與此同時顯示屏也會顯示告警信息。錯誤檢測主要有:充電樁內部模塊未連接、SOC超出正常范圍、電壓異常、電流異常、電池組過溫等[6]。

1.2.6 遠程自動升級

充電樁物聯(lián)網平臺自動監(jiān)測充電樁的型號、程序版本號等信息,并不定期的更新充電樁固件程序升級包;遠程自動升級是將充電樁固件程序升級包加載到充電樁物聯(lián)網平臺[7],對單個或批量充電樁下發(fā)升級命令,設備收到升級指令,經過驗證識別后開啟程序升級流程,平臺將程序升級包拆解為多個數(shù)據(jù)包,逐條發(fā)送至設備,設備下載成功后對平臺發(fā)送響應信息,否則重新發(fā)送,升級過程中遇到錯誤導致升級失敗時,設備運行程序自動恢復至前一版本,運行程序升級完成后設備將自動重啟。

1.3 物聯(lián)網管理平臺

為促進充電服務互聯(lián)互通,整合不同區(qū)域的充電資源,為用戶提供更好的便捷服務,建設物聯(lián)網管理平臺,充電樁通過以太網通信、NB-Iot、CAT1通信方式與物聯(lián)網管理平臺進行通信[8]。物聯(lián)網管理平臺實現(xiàn)不同區(qū)域充電站內充電設備的集中管理及自動控制,實現(xiàn)充電樁工作狀態(tài)及充電電壓、電流等充電參數(shù)的實時監(jiān)測,對異常信息或操作進行分析處理及報警,對充電樁的出廠編號等各項靜態(tài)參數(shù)自動監(jiān)測并維護,可實現(xiàn)充電樁程序升級;充電計費方式采用“尖峰平谷”的收費標準[9];對充電站內監(jiān)控進行分析管理,實現(xiàn)站內出入車輛統(tǒng)計、站內安全管控等功能;對充電記錄、操作記錄、報警事件、消費記錄等統(tǒng)計分析處理功能,并生成各類統(tǒng)計報表,為財會稅收、監(jiān)管等管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。

2 結語

本文中提出的功率動態(tài)分配充電技術實現(xiàn)充電樁的柔性充電,與普通充電設備相比,充電方式更智能、更靈活、功率利用率更高;可有效提高充電樁的充電效率,縮短車輛充電時間,增加運營效益;為充電樁的智能化發(fā)展提供了一定的技術支撐。

引用

[1] 李東東,鄒思源,劉洋,等.共享模式下的充電樁引導與充電價格研究[J].電網技術,2017,41(12):3971-3979.

[2] 李秋碩.電動汽車接入電網的電能有序利用模型與控制策略研究[D].北京:華北電力大學,2014.

[3] 李慶.基于NB-IOT的電動汽車智能充電系統(tǒng)[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2019.

[4] 王杰.物聯(lián)網技術下電動汽車充電樁設計研究[D].武漢:湖北工業(yè)大學,2017.

[5] 張臻,王聰慧,單棟梁,等.基于動態(tài)功率調節(jié)的恒功率電動汽車充電機的研究[J].電器與能效管理技術,2019(4):52-57.

[6] 蔡培倫,珣張 .基于云計算的智能充電樁管理系統(tǒng)的研究[J].物聯(lián)網技術,2016,6(12):52-54+56.

[7] 申江偉,楊理想,高鵬,等.基于動態(tài)功率分配的電動汽車充電站設計[J].集成電路應用,2020,37(8):114-115.

[8] 陳新星,婁柯,劉世林,等.電動汽車充電站充電功率動態(tài)分配策略的研究[J].重慶理工大學學報(自然科學),2019,33(9):25-32.

[9] 褚才良,朱伯明,陳海軍,等.一種帶充電樁的LED路燈數(shù)字電路設計[J].數(shù)字技術與應用,2015(4):145+147.