一种交直流两用的充电桩有序充电系统及充电管理方法

技术领域

本发明属于电动车辆充电技术领域，涉及一种交直流两用的充电桩有序充电系统及充电管理方法。

背景技术

随着能源问题日益严重，电动汽车数量激增，充电桩也在不断增设。随到随充的充电模式下，海量电动汽车无序接入电网，给电网的平稳运行带来巨大冲击。电网负荷“峰上加峰”的问题日益严重。出于对电网安全运行的考虑，急需一种以变压器台区负荷状态作为主要参照指标的有序充电调度策略，在不同负荷状态下调节充电桩充电功率，减小“峰时”充电功率，减弱变压器的负荷冲击。

传统的有序充电调度策略，主要是定制型设备接收云端调度指令的方式，即通过对充电桩进行有序化充电功能升级改造，引入能源路由器与能源控制器后，改造后的充电桩与云端进行数据交互实现调度。这种方式需要大量改造原在网设备结构，且对于直流充电桩和交流充电桩需要两种改造方式，造成了施工困难，成本高昂的困境。同时，这种方式的调度依赖云端下发的调度指令，受公网通信条件制约，有不稳定、高时延的缺陷。另外，这种方式下，设备软件不支持远程升级功能，设备软件上难以更新维护。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种交直流两用的充电桩有序充电系统及充电管理方法，用于提高多台区有序充电调度的易实施、稳定、智能化、易维护的特性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种交直流两用的充电桩有序充电系统，包括云端数据平台、边侧智能协调网关、二合一无线功率控制终端；其中，一个变压器台区对应配备一个边侧智能协调网关；一个变压器台区内设有一个量测元件和多个交流或直流充电桩，每个充电桩对应连接有一个二合一无线功率控制终端；所述量测元件用于采集变压器台区内实时负荷信息；

所述二合一无线功率控制终端用于上报实时充电信息至边侧智能协调网关；用于接收所述边侧智能协调网关下发的功率调节指令，对充电桩的充电功率进行调节；还用于接收并执行云端数据平台下发的升级维护数据及指令；

所述边侧智能协调网关用于接收二合一无线功率控制终端与量测元件上传的变压器台区内实时充电与负荷信息，并上传至云端数据平台；用于接收云端数据平台发送的对应变压器台区的负荷预测数据；还用于结合变压器台区内实时充电与负荷信息、未来时段变压器台区的负荷预测数据制定变压器台区实时有序充电调度策略，并将功率调节指令下发至二合一无线功率控制终端；

所述云端数据平台用于接收边侧智能协调网关上报的变压器台区内实时充电与负荷信息并存储，并根据所存储的同时段历史负荷数据进行分析，生成各个变压器台区未来时段负荷预测数据，下发至各变压器台区对应的边侧智能协调网关；还用于二合一无线功率控制终端直接建立通信连接，下发二合一无线功率控制终端的升级维护数据及指令。

进一步，所述二合一无线功率控制终端采用二合一可切换的三端通信模型，支持以串接形式对电动汽车交流或直流两种充电方式进行充电控制引导信号有序化二次处理。

进一步，一个变压器台区内的各个二合一无线功率控制终端通过Lora通信与该变压器台区对应的边侧智能协调网关组成星状拓扑无线局域网络；所述星状拓扑无线局域网络用于所述边侧智能协调网关功率调节指令的下发与所述二合一无线功率控制终端的充电信息上报。

进一步，所述云端数据平台作为所述二合一无线功率控制终端OTA升级平台，具备bin文件下发功能，通过web端上传新的bin文件并指定已注册在网的所述二合一无线功率控制终端接收bin文件；所述二合一无线功率控制终端向所述云端数据平台注册入网并建立bin文件传输通道，按照自定义OTA规约接收所述云端数据平台下发的bin文件完成软件系统的远程无线更新维护。

进一步，所述二合一无线功率控制终端包括电源管理单元、工作模式管理单元、无线通信单元、有序充电核心控制单元、交流慢充车端BMS模拟单元、交流慢充桩端控制引导信号模拟单元、直流快充车端BMS模拟单元、直流快充桩端控制引导信号模拟单元；

所述工作模式管理单元包括工作模式切换单元和错误模式预警单元；所述工作模式切换单元用于根据其连接的充电桩类型手动切换二合一无线功率控制终端为交流模式或直流模式；所述错误模式预警单元用于实际安装后使用时检测到的状态与设置不同时发出警报并停止工作；

所述无线通信单元包括Lora通信单元和OTA功能CAT 1通信单元，所述Lora通信单元用于与边侧智能协调网关建立通信，上报充电实时信息以及接收功率调节指令；OTA功能CAT 1通信单元用于接入公网接收云端数据平台下发的二合一无线功率控制终端OTA升级所需bin文件；

所述交流慢充车端BMS模拟单元用于模拟交流充电时的电动汽车端BMS通信接口，同交流充电桩建立通信连接；

所述交流慢充桩端控制引导信号模拟单元用于模拟交流充电时的充电桩端，同电动汽车建立通讯连接；

所述直流快充车端BMS模拟单元用于模拟直流充电时的电动汽车端BMS通信接口，同直流充电桩建立通信连接；

所述直流快充桩端控制引导信号模拟单元用于模拟直流充电时的充电桩端，同电动汽车建立通讯连接；

所述有序充电核心控制单元用于连接并控制其余各单元，接收所述边侧智能协调网关下发的功率调节指令，对充电桩的功率进行调节；以及用于接收并执行云端数据平台下发的升级维护数据及指令；

所述电源管理单元用于为各单元供电。

进一步，所述边侧智能协调网关包括电源管理单元、有序充电调度中央处理单元、局域网通信单元、公网通讯单元；

所述有序充电调度中央处理单元通过局域网通信单元接收二合一无线功率控制终端与量测元件采集的变压器台区内实时充电与负荷信息，通过公网通讯单元接收云端数据平台发送的对应变压器台区的负荷预测数据，制定变压器台区实时有序充电调度策略，并通过局域网通信单元下发至二合一无线功率控制终端；

所述电源管理单元用于为各单元供电。

进一步，所述云端数据平台基于存储的各个变压器台区历史负荷信息，按照时间衰减原则，将距离当前时间点时间跨度小的历史同时段负荷权重升高，将距离当前时间点时间跨度大的历史同时段负荷权重降低，基于历史同时段负荷数据生成以10min为时间段以2h为总时长的未来时段负荷预测数据，并周期性下发至各个变压器台区对应的边侧智能协调网关参与有序充电调度。

另一方面，本发明提供一种交直流两用的充电桩有序充电管理方法，包括以下步骤：

S1：量测元件采集变压器台区内的实时负荷信息并上传至边侧智能协调网关；二合一无线功率控制终端将变压器台区内的实时充电信息上传至边侧智能协调网关；

S2：边侧智能协调网关将变压器台区内实时充电与负荷信息上传至云端数据平台；

S3：云端数据平台接收边侧智能协调网关上报的变压器台区内实时充电与负荷信息并存储，并根据所存储的同时段历史负荷数据进行分析，生成各个变压器台区未来时段负荷预测数据，下发至各变压器台区对应的边侧智能协调网关；

S4：边侧智能协调网关接收云端数据平台下发的对应变压器台区未来时段负荷预测数据，并结合变压器台区内实时充电与负荷信息制定变压器台区实时有序充电调度策略，根据有序充电调度策略向变压器台区内的各个二合一无线功率控制终端下发功率调节指令；

S5：二合一无线功率控制终端根据功率调节指令，对充电控制引导信号进行二次处理，调节充电功率，实现实时充电功率的调节。

进一步，边侧智能协调网关工作执行流程为：

先进行初始化；

然后同变压器台区内的各个二合一无线功率控制终端完成组网；

接着检测是否有新的二合一无线功率控制终端入网；若有，则重新完成二合一无线功率控制终端组网；若没有，则检测预设的用于区分变压器台区三种负荷状态的负荷上下限参数是否有变更；

若有变更，则更新参数，再判断是否到达有序充电调度执行周期；若无变更，则直接判断是否到达有序充电调度执行周期；

若未到，则返回更新二合一无线功率控制终端组网状态，判断是否有新的二合一无线功率控制终端请求入网；若到，获取此时台区实时负荷，按照所设定负载率的上下限，分别制定三种调度策略，再按照功率调节规则表，基于云端下发的未来时段负荷预测数据对调度策略进行修正，得到最终有序充电调度策略；

最后，下发功率调节指令至二合一无线功率控制终端，调节各个充电桩充电功率实现有序充电调度；

调度完成后，再跳转回判断是否有新的二合一无线功率控制终端入网步骤，进行二合一无线功率控制终端组网更新，如此循环往复，实现台区内的有序充电调度。

进一步，所述二合一无线功率控制终端工作执行流程为：

首先进入Bootloader程序，进行Bootloader初始化；

然后，判断flash的Back区域内是否有新的bin文件；若有，则将Back区存储的新的bin文件写入程序运行区，并跳转至程序运行区执行程序；若没有，则直接跳转至程序运行区执行程序；

判断当前所处工作模式为直流桩模式还是交流桩模式；再执行对应模式有序充电Task；

Task执行中，检测是否收到云端数据平台下发的用于OTA升级的新的bin文件；若收到，则将新的bin文件写入flash的Back区，待完成本次充电任务后，进行复位，重新从Bootloader程序开始执行，依靠Bootloader执行机制完成软件升级。

本发明的有益效果在于：本发明能够实时、智能化完成交/直流两种充电桩的有序充电调度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的一种交直流两用的有序充电组网架构的结构示意图；

图2为本发明实例提供的二合一无线功率控制终端的硬件系统的结构示意图；

图3为本发明实例提供的边侧智能协调网关的硬件系统的结构示意图；

图4为本发明实例提供的云端数据平台的功能示意图；

图5为本发明实例提供的二合一无线功率控制终端的软件工作流程示意图；

图6为本发明实例提供的边侧智能协调网关的软件工作流程示意图；

图7为本发明实例提供的一种交直流两用的充电桩有序充电系统及充电管理方法检测流数据与控制流数据路径示意图，其中(a)为检测流数据路径示意图，(b)为控制流数据路径示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种交直流两用的有序充电组网架构的结构示意图，如图1所示，该组网架构云端数据平台作为通信架构的最上层，接收边侧智能协调网关通过4G/5G通信上报的变压器台区内实时充电与负荷信息并进行存储；云端数据平台具备强大的数据存储与分析能力，针对其所存储的同时段历史负荷数据的分析，生成未来时段负荷预测，并通过4G/5G通信下发对各个变压器台区的负荷预测数据至各个对应的边侧智能协调网关，作为边侧智能协调网关制定有序充电调度策略的参考数据之一；云端数据平台和海量各台区内二合一无线功率控制终端直接建立通信连接，下发bin文件实现各个二合一无线功率控制终端软件远程升级与维护。

本发明实施例，实现了多个变压器台区联合调度，其中，每个变压器台区配备一个边侧智能协调网关(编号为1～n，与台区编号对应)；边侧智能协调网关通过HPLC通信实时获取量测元件测得的台区实时负荷，作为有序充电调度策略制定的主要参考；每个变压器台区内已经安装二合一无线功率控制终端的充电桩都接受该台区对应的边侧智能协调网关的调度，每个参与有序充电调度的充电桩都需要安装一个二合一无线功率控制终端(编号为1～n，与台区内充电桩编号对应)；单个变压器台区内的各个二合一无线功率控制终端通过Lora通信同台区内对应的边侧智能协调网关组成星状拓扑无线局域网络，该星状拓扑无线局域网络用于台区内的二合一无线功率控制终端上报充电相关信息至对应的边侧智能协调网关，以及边侧智能协调网关下发功率调节指令至台区内的二合一无线功率控制终端完成有序充电调度的具体实施。

本发明实施例，二合一无线功率控制终端串接在充电桩与电动汽车之间，易于安装，且支持交流/直流两种充电桩；二合一无线功率控制终端基于Lora通信实现与台区边侧智能协调网关的数据交互，接收边侧智能协调网关下发的功率调节指令，上报实时充电信息；二合一无线功率控制终端通过4G CAT1通信接入公网，与云端数据平台建立通信连接，接收云端数据平台下发的OTA升级bin文件，实现软件升级优化。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的二合一无线功率控制终端的硬件系统的结构示意图，如图2所示，该二合一无线功率控制终端包括电源管理单元、工作模式管理单元、无线通信单元、有序充电核心控制单元、交流慢充车端BMS模拟单元、交流慢充桩端控制引导信号模拟单元、直流快充车端BMS模拟单元、直流快充桩端控制引导信号模拟单元。

本发明实施例，二合一无线功率控制终端电源管理单元取自220V交流市电，提供终端所需各电压等级的电源；

本发明实施例，二合一无线功率控制终端工作模式管理单元包括工作模式切换单元和错误模式预警单元；其中，工作模式切换单元用于手动切换二合一无线功率控制终端是交流充电桩版/直流充电桩版，需要在安装前进行手动拨码设置；其中，错误模式预警单元用于实际安装后使用时检测到的状态与设置不同时(如设置成交流充电桩模式却用于直流充电桩，或设置成直流充电桩模式却用于交流充电桩)，发出警报并停止工作，提示管理者，拨动拨码切换工作模式；

本发明实施例，二合一无线功率控制终端无线通信单元包括Lora通信单元和OTA功能CAT 1通信单元；其中，Lora通信单元用于与边侧智能协调网关建立通信，上报充电实时信息以及接收功率调节指令；其中，OTA功能CAT 1通信单元用于接入公网接收云端数据平台下发的二合一无线功率控制终端OTA升级所需bin文件。

本发明实施例，二合一无线功率控制终端在充电桩和电动汽车直连的双端通信模型中插入双端的中间，构建全新三端通信模型，之于充电桩而言二合一无线功率控制终端等同于电动汽车，之于电动汽车而言二合一无线功率控制终端等同于充电桩；因此，作为通信中间端的二合一无线功率控制终端的基本功能是不阻碍原双端通信模型下充电桩与电动汽车的通信，这就要求其具有高速响应速度，以及支持交流/直流充电控制引导信号处理的丰富外设接口。

本发明实施例，二合一无线功率控制终端作为三端通信模型的通信中间端，需要对交流/直流控制引导信号进行二次处理；其中，交流充电控制引导信号是CP信号线上的PWM波，直流充电控制引导信号是CAN总线通讯信号；其中，交流慢充车端BMS模拟单元，用于模拟交流充电时的电动汽车端BMS通信接口，同交流充电桩建立通信连接；交流慢充桩端控制引导信号模拟单元，用于模拟交流充电时的充电桩端，同电动汽车建立通讯连接；其中，直流快充车端BMS模拟单元，用于模拟直流充电时的电动汽车端BMS通信接口，同直流充电桩建立通信连接；直流快充桩端控制引导信号模拟单元，用于模拟直流充电时的充电桩端，同电动汽车建立通讯连接。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的边侧智能协调网关的硬件系统结构示意图，如图3所示，该边侧智能协调网关包括电源管理单元、有序充电调度中央处理单元、局域网通信单元、公网通讯单元。

本发明实施例，边侧智能协调网关的电源管理单元取自220V交流市电，提供终端所需各电压等级的电源；

本发明实施例，边侧智能协调网关需要结合台区实时负荷与未来时段台区负荷预测数据实时制定有序充电调度策略并执行有序充电调度，这就要求其需要强大的数据处理能力；此外，边侧智能协调网关需要实时上报台区大量的负荷信息、充电信息等，因此需要同公网建立高速、可靠的网络通讯连接，因此中央处理单元需要支持高速网络对应的通讯接口。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的云端数据平台的功能示意图，云端数据平台作为数据管理的总平台，与多个台区的边侧智能协调网关和二合一无线功率控制终端建立通讯连接；其主要包括四大功能：多个变压器台区实时负荷与充电信息数据获取，多个变压器台区历史负荷与充电信息存储，未来时段多个变压器台区负荷预测，二合一无线功率控制终端OTA升级。

本发明实施例，云端数据平台接收来自多个变压器台区边侧智能协调网关上报的实时负荷与充电信息数据。

本发明实施例，云端数据平台保存多个变压器台区上报的实时负荷与充电信息数据，作为历史参考数据，用于预测未来时段多个变压器台区负荷。

本发明实施例，云端数据平台基于存储的各个台区历史负荷信息，按照时间衰减原则，将距离当前时间点时间跨度小的历史同时段负荷权重升高，将距离当前时间点时间跨度大的历史同时段负荷权重降低，基于历史同时段负荷数据生成以10min为时间段以2h为总时长的所述未来时段负荷预测数据，并周期性下发至所述各个台区对应的边侧智能协调网关参与有序充电调度。

本发明实施例，云端数据平台具备web端人机交互界面，管理者通过web端上传二合一无线功率控制终端升级所需bin文件，并指定注册在网的二合一无线功率控制终端通过http协议接收bin文件，实现二合一无线功率控制终端OTA远程升级维护。

请参见图5，图5是本发明实例提供的二合一无线功率控制终端的软件工作流程示意图，其软件工作执行流程为：先进入Bootloader程序，进行Bootloader初始化；然后，判断flash的Back区域内是否有新的bin文件；若有，则将Back区存储的新的bin文件写入APP程序运行区，并跳转至APP程序运行区执行APP程序；若没有，则直接跳转至APP程序运行区执行APP程序。

进入APP程序后，进行APP初始化；然后，判断当前所处工作模式为直流桩模式还是交流桩模式；再执行对应模式有序充电Task；Task执行中，检测是否收到云端数据中心下发的用于OTA升级的新的bin文件；若收到，则将新的bin文件写入flash的Back区，待完成本次充电任务后，进行复位，重新从Bootloader程序开始执行，依靠Bootloader执行机制完成软件升级。

请参见图6，图6是本发明实例提供的边侧智能协调网关的软件工作流程示意图，其软件工作执行流程为：先进行初始化；然后，同台区内的各个二合一无线功率控制终端完成组网；然后，检测是否有新的二合一无线功率控制终端入网；若有，则重新完成二合一无线功率控制终端组网；若没有，则检测预设的用于区分变压器台区三种负荷状态的负荷上下限参数是否有变更；若有变更，则更新参数，再判断是否到达有序充电调度执行周期；若无变更，则直接判断是否到达有序充电调度执行周期；若未到，则返回更新二合一无线功率控制终端组网状态，判断是否有新的二合一无线功率控制终端请求入网；若到，获取此时台区实时负荷，按照所设定负载率的上下限，分别制定三种调度策略，再按照功率调节规则表，基于云端下发的未来时段负荷预测数据对调度策略进行修正，得到最终有序充电调度策略；最后，下发功率调节指令至二合一无线功率控制终端，调节各个充电桩充电功率实现有序充电调度。调度完成后，再跳转回判断是否有新的二合一无线功率控制终端入网步骤，进行二合一无线功率控制终端组网更新。如此循环往复，实现台区内的有序充电调度。

请参见图7，图7为本发明实例提供的一种交直流两用的充电桩有序充电系统及充电管理方法检测流数据与控制流数据路径示意图，其中，(a)为检测流数据路径示意图，(b)为控制流数据路径示意图；检测流数据路径包括：量测元件检测并上报台区实时负荷至边侧智能协调网关，二合一无线功率控制终端上报实时充电信息至边侧智能协调网关，边侧智能协调网关上报台区实时充电信息与负荷信息至云端数据平台，云端数据平台下发未来时段负荷预测数据至边侧智能协调网关；控制流数据路径包括：边侧智能协调网关下发功率调节指令至变压器台区内的各个二合一无线功率控制终端，二合一无线功率控制终端按照接收的功率调节指令，对充电控制引导信号进行二次处理，调节充电功率，实现实时充电功率的调节。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。