用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法發(fā)明內(nèi)容

用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法專利目的

《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》的首要目的在于提供一種在直流充電樁的槍頭接入電動(dòng)公交車時(shí)，能夠依據(jù)電動(dòng)公交車的運(yùn)營(yíng)線路和當(dāng)前電量，智能判斷充電的優(yōu)先順序，最大化滿足多車的運(yùn)營(yíng)需求的用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁。

《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》的另一目的在于提供一種用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁的智能充電方法。

用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法技術(shù)方案

一種用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁，包括人機(jī)交互單元和充電控制單元，二者之間通過(guò)串口進(jìn)行信息交互，所述人機(jī)交互單元由第一微控制器MCU、通信端口模塊、讀卡器、液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊組成，第一微控制器MCU分別與通信端口模塊、讀卡器雙向通訊，第一微控制器MCU的輸入端與按鍵輸入模塊的輸出端相連，第一微控制器MCU的輸出端與液晶顯示模塊的輸入端相連；所述充電控制單元包括第二微控制器MCU、模擬開關(guān)、AD采樣芯片、開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器、切換開關(guān)和充電槍接口，第二微控制器MCU的輸入端通過(guò)AD采樣芯片接模擬開關(guān)，第二微控制器MCU的第一輸出端通過(guò)開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊接繼電器，第二微控制器MCU的第二輸出端通過(guò)切換開關(guān)接充電槍接口，充電槍接口與電動(dòng)公交車的充電槍頭連接。

所述第一微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其ETH口接通信端口模塊，其UART口分別接讀卡器、液晶顯示模塊、充電控制單元，其GPIO口接按鍵輸入模塊。

所述第二微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其SPI口接AD采樣芯片的輸出端，AD采樣芯片的輸入端接用于檢測(cè)直流接觸器后端槍頭電壓、對(duì)地絕緣檢測(cè)、檢測(cè)充電槍電流、直流互感器對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)、槍頭電阻檢測(cè)的模擬開關(guān)的輸出端；其AD口接槍連接確認(rèn)模塊；其I²C口接存儲(chǔ)器；其CAN口分別接切換開關(guān)和電源模塊，電源模塊向充電槍接口供電；其GPIO口分別接模擬開關(guān)、開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊和切換開關(guān)；其UART口接人機(jī)交互單元。

《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》的另一目的的方法包括下列順序的步驟：

（1）通過(guò)用戶刷卡以及在按鍵輸入模塊上的輸入的信息，一體化直流充電樁獲取電動(dòng)公交車的營(yíng)運(yùn)線路信息，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出電動(dòng)公交車滿足當(dāng)日后續(xù)運(yùn)營(yíng)里程所需的最小期望電池荷電狀態(tài)

（2）電動(dòng)公交車接入一體化直流充電樁后，一體化直流充電樁通過(guò)充電槍與電動(dòng)公交車的BMS進(jìn)行信息交互，獲取電動(dòng)公交車的當(dāng)前荷電狀態(tài)

（3）一體化直流充電樁依據(jù)獲取的電動(dòng)公交車的當(dāng)前電池荷電狀態(tài)

（4）若電池運(yùn)營(yíng)充電荷電狀態(tài)值

（5）當(dāng)同一一體化直流充電樁上所有電動(dòng)公交車的

所述均衡充電是指：當(dāng)同一一體化直流充電樁上所有電動(dòng)公交車的

對(duì)當(dāng)前電池充電剩余荷電狀態(tài)ΔQi按照自大到小的順序進(jìn)行排序，選擇

用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法改善效果

《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》能夠在有限的時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)充電樁連接多個(gè)電動(dòng)公交充電，提高充電站建設(shè)投資的經(jīng)濟(jì)性；充電樁智能多充時(shí)考慮了公交車特殊性，充電時(shí)以滿足當(dāng)天運(yùn)營(yíng)為條件，不以電池充滿為條件，能夠在有限的充電時(shí)間中，保障各條公交線路的正常運(yùn)營(yíng)；充電后期的智能化均衡調(diào)度方法，能夠保證樁上充電的電動(dòng)公交車電池充電均衡，合理涓流充電，延長(zhǎng)電池壽命。

隨著新能源公交客車的投入運(yùn)營(yíng)，與其配套的充電站也在快速發(fā)展，技術(shù)以直流快充為主，在固定地點(diǎn)布置一定數(shù)量的直流充電樁來(lái)滿足運(yùn)營(yíng)過(guò)程中公交客車補(bǔ)電需要?；谶\(yùn)營(yíng)的需求，充電時(shí)間主要為夜間補(bǔ)電和中午補(bǔ)電兩種時(shí)段，其中以夜間充電為主，中午為輔，夜間充電時(shí)段時(shí)間充足，可滿足樁上各公交客車的充電需求。然而，因各公交客車的運(yùn)營(yíng)線路距離長(zhǎng)短不同，夜間充滿電的公交車可滿足次日一天的短線路運(yùn)營(yíng)，卻滿足不了長(zhǎng)線路的運(yùn)營(yíng)，因此需要進(jìn)行中午的短時(shí)間補(bǔ)電，滿足當(dāng)日剩下線路電量需求。

考慮成本的經(jīng)濟(jì)性和充電樁的利用率，公交客車充電站內(nèi)采用的直流充電樁多為一體式多充型，一樁配置2到4個(gè)充電槍頭，受樁體功率限制，每臺(tái)充電樁針對(duì)其樁上多槍實(shí)行先到先充原則，即對(duì)先接入的公交客車進(jìn)行充電。這種充電方式在夜間時(shí)間充足時(shí)，可滿足樁上各個(gè)客車的補(bǔ)電需求，但是面對(duì)公交客車中午短時(shí)補(bǔ)電需求時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：1）由于中午進(jìn)行短時(shí)補(bǔ)電的公交客車線路運(yùn)營(yíng)情況各異，對(duì)補(bǔ)充電量的需求也不同，截至2016年8月31日，先到先充的充電模式無(wú)法判斷樁上公交客車的實(shí)際運(yùn)營(yíng)電量需求，無(wú)法依據(jù)實(shí)際需求優(yōu)先充電，導(dǎo)致后接入的公交客車在較短的補(bǔ)電時(shí)間內(nèi)電量需求達(dá)不到滿足，影響其后續(xù)的線路運(yùn)營(yíng)；2）截至2016年8月31日，電池采用先恒流后恒壓充電技術(shù)，后面的恒壓一般為小電流的涓流充電，時(shí)間長(zhǎng)，但對(duì)電量的補(bǔ)充很小，在針對(duì)公交客車短時(shí)補(bǔ)電的環(huán)境下，這種充電占用了充電樁有限的資源，影響到后接入缺電公交客車及時(shí)充電，使充電資源未得到合理利用。這種涓流充電特性，還會(huì)導(dǎo)致后接入的充電公交客車電池得不到充分充電，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)下影響電池性能，縮短電池使用壽命。

圖1為《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》的電路框圖；

圖2為《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》的充電應(yīng)用示意圖；

圖3為《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》中電動(dòng)公交客車的人機(jī)交互流程圖；

圖4為一體化直流充電樁多槍充電流程圖；

圖5為一體化直流充電樁多槍均衡充電流程圖。

《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》涉及電動(dòng)公交客車的充電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法。

1.一種用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁，其特征在于：包括人機(jī)交互單元和充電控制單元，二者之間通過(guò)串口進(jìn)行信息交互，所述人機(jī)交互單元由第一微控制器MCU、通信端口模塊、讀卡器、液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊組成，第一微控制器MCU分別與通信端口模塊、讀卡器雙向通訊，第一微控制器MCU的輸入端與按鍵輸入模塊的輸出端相連，第一微控制器MCU的輸出端與液晶顯示模塊的輸入端相連；所述充電控制單元包括第二微控制器MCU、模擬開關(guān)、AD采樣芯片、開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器、切換開關(guān)和充電槍接口，第二微控制器MCU的輸入端通過(guò)AD采樣芯片接模擬開關(guān)，第二微控制器MCU的第一輸出端通過(guò)開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊接繼電器，第二微控制器MCU的第二輸出端通過(guò)切換開關(guān)接充電槍接口，充電槍接口與電動(dòng)公交車的充電槍頭連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁，其特征在于：所述第一微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其ETH口接通信端口模塊，其UART口分別接讀卡器、液晶顯示模塊、充電控制單元，其GPIO口接按鍵輸入模塊。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁，其特征在于：所述第二微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其SPI口接AD采樣芯片的輸出端，AD采樣芯片的輸入端接用于檢測(cè)直流接觸器后端槍頭電壓、對(duì)地絕緣檢測(cè)、檢測(cè)充電槍電流、直流互感器對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)、槍頭電阻檢測(cè)的模擬開關(guān)的輸出端；其AD口接槍連接確認(rèn)模塊；其I²C口接存儲(chǔ)器；其CAN口分別接切換開關(guān)和電源模塊，電源模塊向充電槍接口供電；其GPIO口分別接模擬開關(guān)、開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊和切換開關(guān)；其UART口接人機(jī)交互單元。

4.一種如權(quán)利要求1至3中任一種所述的用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁的智能充電方法，該方法包括下列順序的步驟：

（1） 通過(guò)用戶刷卡以及在按鍵輸入模塊上的輸入的信息，一體化直流充電樁獲取電動(dòng)公交車的營(yíng)運(yùn)線路信息，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出電動(dòng)公交車滿足當(dāng)日后續(xù)運(yùn)營(yíng)里程所需的最小期望電池荷電狀態(tài)

（2） 電動(dòng)公交車接入一體化直流充電樁后，一體化直流充電樁通過(guò)充電槍與電動(dòng)公交車的BMS進(jìn)行信息交互，獲取電動(dòng)公交車的當(dāng)前荷電狀態(tài)SOCi、電池容量Qi信息；

（3） 一體化直流充電樁依據(jù)獲取的電動(dòng)公交車的當(dāng)前電池荷電狀態(tài)

（4） 若電池運(yùn)營(yíng)充電荷電狀態(tài)值

（5） 當(dāng)同一一體化直流充電樁上所有電動(dòng)公交車的

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能充電方法，其特征在于：所述均衡充電是指：當(dāng)同一一體化直流充電樁上所有電動(dòng)公交車的

對(duì)當(dāng)前電池充電剩余荷電狀態(tài)ΔQi按照自大到小的順序進(jìn)行排序，選擇

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能充電方法，其特征在于：所述營(yíng)運(yùn)線路信息包括線路長(zhǎng)度L和單日運(yùn)營(yíng)次數(shù)N；若電池運(yùn)營(yíng)充電荷電狀態(tài)值

如圖1、2所示，一種用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁，包括人機(jī)交互單元和充電控制單元，二者之間通過(guò)串口進(jìn)行信息交互，所述人機(jī)交互單元由第一微控制器MCU、通信端口模塊、讀卡器、液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊組成，第一微控制器MCU分別與通信端口模塊、讀卡器雙向通訊，第一微控制器MCU的輸入端與按鍵輸入模塊的輸出端相連，第一微控制器MCU的輸出端與液晶顯示模塊的輸入端相連；所述充電控制單元包括第二微控制器MCU、模擬開關(guān)、AD采樣芯片、開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器、切換開關(guān)和充電槍接口，第二微控制器MCU的輸入端通過(guò)AD采樣芯片接模擬開關(guān)，第二微控制器MCU的第一輸出端通過(guò)開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊接繼電器，第二微控制器MCU的第二輸出端通過(guò)切換開關(guān)接充電槍接口，充電槍接口與電動(dòng)公交車的充電槍頭連接。如圖2所示，充電樁的的充電槍頭個(gè)數(shù)為2個(gè)或者4個(gè)，電動(dòng)公交車可隨機(jī)選擇其中任意空閑槍頭插入充電。

如圖1所示，所述第一微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其ETH口接通信端口模塊，其UART口分別接讀卡器、液晶顯示模塊、充電控制單元，其GPIO口接按鍵輸入模塊。所述第二微控制器MCU采用STM32F107VC芯片，其SPI口接AD采樣芯片的輸出端，AD采樣芯片的輸入端接用于檢測(cè)直流接觸器后端槍頭電壓、對(duì)地絕緣檢測(cè)、檢測(cè)充電槍電流、直流互感器對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)、槍頭電阻檢測(cè)的模擬開關(guān)的輸出端；其AD口接槍連接確認(rèn)模塊；其I²C口接存儲(chǔ)器；其CAN口分別接切換開關(guān)和電源模塊，電源模塊向充電槍接口供電；其GPIO口分別接模擬開關(guān)、開關(guān)量驅(qū)動(dòng)模塊和切換開關(guān)；其UART口接人機(jī)交互單元。

本方法包括下列順序的步驟：

（1）通過(guò)用戶刷卡以及在按鍵輸入模塊上的輸入的信息，一體化直流充電樁獲取電動(dòng)公交車的營(yíng)運(yùn)線路信息，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出電動(dòng)公交車滿足當(dāng)日后續(xù)運(yùn)營(yíng)里程所需的最小期望電池荷電狀態(tài)

（2）如圖4所示，電動(dòng)公交車接入一體化直流充電樁后，一體化直流充電樁通過(guò)充電槍與電動(dòng)公交車的BMS進(jìn)行信息交互，獲取電動(dòng)公交車的當(dāng)前荷電狀態(tài)

（3）一體化直流充電樁依據(jù)獲取的電動(dòng)公交車的當(dāng)前電池荷電狀態(tài)

（4）若電池運(yùn)營(yíng)充電荷電狀態(tài)值

（5）當(dāng)同一一體化直流充電樁上所有電動(dòng)公交車的

如圖5所示，所述均衡充電是指：當(dāng)同一一體化直流充電樁上所有電動(dòng)公交車的

對(duì)當(dāng)前電池充電剩余荷電狀態(tài)ΔQi按照自大到小的順序進(jìn)行排序，選擇ΔQi最大的電動(dòng)公交車開始充電，控制單元按照固定時(shí)間Tinv輪流循環(huán)充電，直到樁上連接的各車電池充滿或者設(shè)定的充電時(shí)間到?？紤]電池壽命，各車輪流充電不能太頻繁，Tinv可依據(jù)實(shí)際情況配置。

以下結(jié)合圖1至5對(duì)《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》作進(jìn)一步的說(shuō)明。

充電控制單元主要實(shí)現(xiàn)樁上充電槍的管理和公交客車的BMS交互完成具體充電功能，人機(jī)交互單元主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，計(jì)費(fèi)，通信功能。兩個(gè)控制單元之間通過(guò)串口進(jìn)行信息交互，協(xié)作完成多槍的智能充電。

所述充電控制單元中第二微控制器MCU主要實(shí)現(xiàn)所接充電槍的監(jiān)測(cè)和電動(dòng)公交車的充電控制，通過(guò)AD采樣芯片ADS1146，配合模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)直流充電樁各模擬量的采樣，包括槍頭電壓，樁體對(duì)地絕緣檢測(cè)，充電槍充電電流，直流互感器的絕緣監(jiān)測(cè)，槍頭電阻檢測(cè)。充電控制單元通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些模擬量的變化，達(dá)到充電條件時(shí)，通過(guò)與車輛BMS通信交互，控制電源模塊對(duì)所選槍頭上連接的電動(dòng)公交車充電。多路槍頭通過(guò)切換開關(guān)共享第二微控制器MCU一路CAN模塊，切換開關(guān)依據(jù)人機(jī)交互單元傳來(lái)的信息智能判斷當(dāng)前充電槍頭。所述人機(jī)交互單元中按鍵輸入模塊和讀卡器獲取的本次電動(dòng)公交客車充電信息通過(guò)串口傳入第一微控制器MCU，經(jīng)第一微控制器MCU整理后，將有效信息通過(guò)串口傳給充電控制單元。同時(shí)，人機(jī)交互單元通過(guò)該串口與充電控制單元實(shí)時(shí)交互信息，獲取具體充電數(shù)據(jù)，通過(guò)其通信端口模塊實(shí)現(xiàn)充電樁的對(duì)外通信功能。

若當(dāng)前樁上一槍正在充電過(guò)程中，后續(xù)電動(dòng)公交客車接入充電，則充電樁循環(huán)檢查先接入電動(dòng)公交車的當(dāng)前

若當(dāng)前樁上同時(shí)接入多于兩輛電動(dòng)公交客車時(shí)，則比較同一充電樁上所有電動(dòng)公交車的

在充電樁運(yùn)營(yíng)前，應(yīng)通過(guò)上位機(jī)將公交公司電動(dòng)公交車的信息通過(guò)人機(jī)交互單元的通信模塊傳輸?shù)饺藱C(jī)交互單元，形成電動(dòng)公交客車信息表，表中包含各公交車編號(hào)、運(yùn)營(yíng)線路和當(dāng)日運(yùn)營(yíng)次數(shù)N等信息。用戶刷卡后，人機(jī)交互單元的讀卡器，液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊配合將采集到的待充電電動(dòng)公交車編號(hào)和選擇的充電槍號(hào)傳給第一微控制器MCU，第一微控制器MCU依據(jù)輸入信息結(jié)合當(dāng)前時(shí)間信息和電動(dòng)公交車信息表計(jì)算出當(dāng)前電動(dòng)公交客車最小期望電池荷電狀態(tài)

人機(jī)交互單元通過(guò)串口將上述計(jì)算出的結(jié)果發(fā)送到充電控制單元后，通過(guò)液晶顯示模塊提示用戶選擇剛才選的充電槍插頭充電。用戶按提示將充電槍頭插入到電動(dòng)公交客車后，充電控制單元的第二微控制器MCU通過(guò)與電動(dòng)公交客車的BMS交互信息獲取當(dāng)前電動(dòng)公交客車的電池荷電狀態(tài)，并計(jì)算出電動(dòng)公交客車電池運(yùn)營(yíng)充電荷電狀態(tài)值

當(dāng)各直流樁上各電動(dòng)公交客車充電均滿足當(dāng)天運(yùn)營(yíng)需求時(shí)，則

2021年8月16日，《用于電動(dòng)公交車的一體化直流充電樁及其智能充電方法》獲得安徽省第八屆專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了大功率一體化直流充電樁額定參數(shù)、技術(shù)條件、試驗(yàn)方法及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等。

及一種電動(dòng)汽車交直流充電樁檢定轉(zhuǎn)換裝置，屬于電能檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。