支持有序充电的电动汽车充电插头及实现有序充电的方法

技术领域

本发明涉及一种能够支持有序充电的电动汽车充电插头及实现有序充电的方法，尤其涉及一种在无需对交流充电机（站）进行技术改造的情况下，通过充电插头内置的电路来调整车载充电机汲取的充电电流的方案。

背景技术

电动汽车能够通过外部的充电机（站）来充电。电动汽车的行业标准，例如现行国标GB/T 18487.01-2015，针对电动汽车的充电规定了4种充电模式和3种连接方式。其中，充电模式3应用于连接到交流电网的供电设备将电动汽车与交流电网连接起来的情况。充电模式3通常采取的连接方式是连接模式C（电缆组件包括一端和供电设备永久连接的充电线缆，线缆的另一端设有车辆插头）。图1示出现行国标中给出的连接模式C示意图。

对于充电模式3，行业标准要求在供电设备（即，充电机）上设有控制导引（controlpilot）装置，以在电动汽车和供电设备之间进行信号传输和通信，引导车载充电机完成充电。充电模式3的充电过程中的控制导引主要基于供电设备给出的CC和CP信号以及车辆控制装置在对应检测点的检测结果来实现。图2示出现行国标中给出的充电模式3连接模式C的控制导引电路原理图。车辆控制装置通过测量检测点3与PE之间的电阻值来确认当前充电连接装置（电缆）的额定容量，通过测量检测点2的PWM信号占空比确认当前供电设备的最大供电电流。充电的过程主要由电动汽车来控制（例如，车载充电机从供电设备汲取的电流大小最终是由车辆控制装置决定的），但应遵守由检测点3和检测点2给出的载流能力和最大供电功率所设定的限制条件。

行业标准亦规定了用于交流充电的车辆接口（车辆插座）和供电接口（车辆插头/充电枪）的触头布置，其包括L1、L2、L3、N、PE、CC和CP。图3A示出现行国标中给出的交流充电接口的插头电触头布置。图3B示出现行国标中给出的交流充电接口的插座电触头布置。

因此，在典型的应用场景中，用于控制导引的CC和CP信号由充电机（桩）给出，通过车辆插头/充电枪的CC触头和CP触头提供给电动汽车。

为了解决日益增加的电动汽车的用电需求和电网负载能力之间的矛盾，电动汽车“有序充电”的概念被提出。有序充电策略致力于在满足电动汽车充电需求的前提下，对电动汽车的充电进行干预和调整，从而对电网负荷曲线进行削峰填谷，使负荷曲线方差较小，减少发电装机容量建设。

对于充电模式3，一种在国标规则下实现有序充电的方法是对CP信号进行实时调整以动态响应电网的有序充电策略。通常，这意味着对于充电机（桩）的控制导引电路的技术改造。然而，充电机（桩）在社区分布广泛，数量众多，且往往由多个厂家生产，此外，改造充电机（桩）还需取得设备所有者的同意，因此，技术改造的难度和成本较大。

发明内容

本发明旨在提供一种电动汽车的充电插头，该充电插头能够被插接到电动汽车的充电插座，充电插头内设有微控制单元（MCU）以及逻辑适配电路，逻辑适配电路能够在MCU的控制下生成形式为PWM信号的CP替代信号，并通过充电插头中的CP触头提供给电动汽车的充电插座。

根据本发明的一个方面，提出一种电动汽车充电插头，其能够接收由供电设备提供的三相线信号L1、L2、L3，零线信号N、保护接地信号PE、连接确认信号CC以及控制导引信号CP，并通过电触头向车辆插座传递所接收的L1、L2、L3、N、PE和CC信号，其特征在于，所述电动汽车充电插头的本体内还包括逻辑适配电路以及微控制单元，所述逻辑适配电路用于在所述微控制单元的控制下生成CP替代信号，并在电动汽车充电进程的能量传输阶段以所述CP替代信号来代替所述CP信号传递给车辆插座，其中在能量传输阶段，所述CP替代信号的形式为脉宽调制信号，且其占空比独立于由供电设备提供的CP信号的占空比。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述供电设备是连接到交流电网的充电机或充电桩。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述电动汽车充电插头是通过线缆连接到所述供电设备的充电枪。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述微控制单元接收基于电网有序充电方案而下发的指示有序充电最大电流的信息，并且所述微控制单元能够控制所述逻辑适配电路生成CP替代信号以具有同所述有序充电最大电流对应的占空比。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述电动汽车充电插头的本体内还包括通信模块，所述通信模块分别和所述微控制单元以及外部的智能终端交互，从而接收指示有序充电最大电流的信息。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，来自供电设备的CP信号指示供电设备最大电流，所述微控制单元用于比较有序充电最大电流和供电设备最大电流，并且当有序充电最大电流小于供电设备最大电流时，产生和有序充电最大电流对应的PWM信号以作为CP替代信号。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，当有序充电最大电流并不小于供电设备最大电流时，将来自来供电设备的CP信号作为输出给车辆插座的CP信号。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，当有序充电最大电流并不小于供电设备最大电流时，使生成的CP替代信号的占空比和来自供电设备的CP信号的占空比一致。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，来自供电设备的CP信号指示供电设备最大电流，所述微控制单元用于比较有序充电最大电流和供电设备最大电流，并且当有序充电最大电流大于或等于供电设备最大电流时，将来自来供电设备的CP信号作为输出给车辆插座的CP信号。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，来自供电设备的CP信号指示供电设备最大电流，所述微控制单元用于比较有序充电最大电流和供电设备最大电流，并且当有序充电最大电流大于或等于供电设备最大电流时，使生成的CP替代信号的占空比和来自供电设备的CP信号的占空比一致。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，当不存在有序充电需求时，所述微控制单元将来自来供电设备的CP信号作为输出给车辆插座的CP信号，或者使生成的CP替代信号的占空比和来自供电设备的CP信号的占空比一致

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述逻辑适配电路用于将来自供电设备的CP信号转换为能够输入所述微控制单元的CP_IN_ADC信号。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述微控制单元基于对所述CP_IN_ADC信号的监测判断电动汽车充电进程的开始。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述逻辑适配电路用于将所述CP替代信号转换为能够输入所述微控制单元的CP_OUT_ADC信号。

上述电动汽车充电插头方案中，可选地，所述逻辑适配电路包括脉宽调制信号发生电路，所述脉宽调制信号发生电路包括前级放大电路和后级比较器，来自所述微控制单元的脉宽调制使能信号馈入所述前级放大电路的晶体管基极，所述晶体管的集电极经电阻上拉后馈入后级比较器的正输入端子，参考电压馈入所述后级比较器的负输入端子，从而生成DC12V电平的输出。

根据本发明的一个方面，提出一种基于电动汽车充电插头实现有序充电的方法，所述电动汽车充电插头能够接收由供电设备提供的三相线信号L1、L2、L3，零线信号N、保护接地信号PE、连接确认信号CC以及控制导引信号CP，并通过电触头向车辆插座传递所接收的L1、L2、L3、N、PE和CC信号，所述电动汽车充电插头的本体内还包括逻辑适配电路以及微控制单元，所述逻辑适配电路用于在所述微控制单元的控制下生成CP替代信号，并在电动汽车充电进程的能量传输阶段以所述CP替代信号来代替所述CP信号传递给车辆插座，其中在能量传输阶段，所述CP替代信号的形式为脉宽调制信号，且其占空比独立于由供电设备提供的CP信号的占空比，所述方法包括，通过所述电动汽车充电插头的本体内的微控制单元实现如下操作：监测来自供电设备的CP信号；当CP信号指示充电开始时，判断是否存在来自电网并由微控制单元接收的有序充电需求；当存在有序充电需求时，向车辆插座传递符合有序充电需求的替代CP信号。

上述基于电动汽车充电插头实现有序充电的方法方案中，可选地，通过以下方式向车辆插座传递符合有序充电需求的替代CP信号：当存在有序充电需求，且有序充电需求小于来自供电设备的CP信号所指示的最大供电电流时，生成和有序充电需求对应的替代CP信号；以及当存在有序充电需求，且有序充电需求大于或等于来自供电设备的CP信号所指示的最大供电电流时，将来自供电设备的CP信号传递给车辆插座，或者生成和来自供电设备的CP信号占空比一致的替代CP信号。

本发明能够实现如下有益效果：

本发明能够在不对充电机（桩）进行技术改造的情况下，直接让充电插头输出经调整的CP信号，从而实现电动汽车的有序充电。在遵循现有行业标准的情况下，仅需对充电插头进行技术改造（或替换充电插头），就可以在充电机（桩）节点纳入有序充电的功能，这大大便利了有序充电功能在社区充电场景下的实现。

附图说明

图1示出现行国标中给出的连接模式C示意图。

图2示出现行国标中给出的充电模式3连接模式C的控制导引电路原理图。

图3A示出现行国标中给出的交流充电接口的插头电触头布置。

图3B示出现行国标中给出的交流充电接口的插座电触头布置。

图4示出根据本发明的实施例的包含一种新型充电枪在内的充电系统示意图。

图5是示出根据本发明的实施例基于枪体MCU的控制信号生成PWM_OUT输出信号的脉宽调制信号发生电路示意图。

图6是示出根据本发明的实施例的通过新型充电枪实现有序充电的方法流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

图4示出根据本发明的实施例的包含一种新型充电枪在内的充电系统400的示意图。充电系统400包括作为供电设备的充电桩410，作为充电插头的充电枪430，以及电动汽车440。充电桩410能够以充电模式3工作，即将电动汽车440与交流电网连接起来。充电桩410的输出包括L1、L2、L3、N、PE（保护接地）、CC（连接确认）和CP（控制导引）。根据现行国标，在能量传输阶段，CP信号的形式为PWM信号，其占空比代表了当前供电设备（即，充电桩410）的最大供电电流。在充电枪430的本体内，包括和本发明的实现有关的逻辑适配电路432和枪体MCU 431。

不同于图2所示的控制导引电路原理图，在图4的充电系统400中，由充电桩410给出的CP信号并不是直接连接到电动汽车的充电插座，而是作为CP_IN信号送入充电枪430内的逻辑适配电路432，并由逻辑适配电路432作进一步的处理。并且，电动汽车440的充电插座，不是直接接收来自充电枪430的CP信号，而是从充电枪430接收到由逻辑适配电路432产生并输出的CP_OUT信号。

在充电进程的能量传输阶段，CP_OUT信号的形式可为类似于CP_IN信号的脉宽调制信号，但是其占空比可以和CP_IN信号不同。在一种实现方式中，由逻辑适配电路432根据枪体MCU 431的输出信号CTRL来生成具有独立的占空比的CP_OUT信号。因此，电动汽车的车载充电机442所能知晓的最大供电电流并不是充电桩410给出的，而是由枪体MCU 431给出的。

充电枪430的本体内可进一步包括通信模块433，用于在枪体MCU 431和外部装置（例如，智能终端420）之间建立通信连接。智能终端420可以是智能电网或其他类似概念的系统中的一部分，其能够运行适当的算法逻辑以参与实现电网负荷的动态调整，实现有序充电。应理解，智能电网的有序充电算法本身并非是本发明所予以改进的对象，本申请中，“电网有序充电算法”或“电网有序充电方案”应该涵盖任何能基于有序充电之目的来动态确定电网各个末端节点（例如，社区的各充电桩（机））的最大供电电流的算法。

枪体MCU 431能够获取来自智能终端420的关于电网分配给当前充电节点的最大供电电流（本申请中将其称为“有序充电最大电流”）的信息，并根据有序充电最大电流来确定由逻辑适配电路432产生的CP_OUT信号的占空比（当CP_OUT为PWM信号形态时）。因此，在枪体MCU 431的控制下，充电枪430输出的CP_OUT信号所指示的可用于充电的最大供电电流同电网基于有序充电之目的分配给该节点的有序充电最大电流的要求相符（这种相符可以是和有序充电最大电流一致，也可以是低于有序充电最大电流）。通过这种方式，电动汽车440在充电进程中，其车载充电机442要求汲取的最大电流将以CP_OUT所指示的最大供电电流为准，而不是以充电桩410输出的CP所指示的最大供电电流（本申请将其称为“供电设备最大电流”）为准。生成CP_OUT信号的具体实现方式不应构成对本发明的限制，例如，可以由MCU输出CMOS或TTL电平信号（在电动汽车的能量传输阶段，该电平信号可为具有预定占空比的信号），此电平信号经过信号放大电路输出，馈入后级的比较器后可得到符合国标要求的DC12V电平的输出。

在进一步的实施例中，逻辑适配电路432将CP_IN信号处理为能够被枪体MCU 431采样的CP_IN_ADC。在国标中，图2所示的检测点1的CP信号在充电开始和结束时为12V直流高电平，在能量传递阶段则是PWM形式。因此，CP_IN_ADC的变化可指示充电进程的开始和结束，并可指示充电桩410在能量传输阶段所能够给出的最大供电电流（本申请称之为“供电设备最大电流”）。将CP_IN信号进行转换以使其可馈入MCU的具体处理方式不应构成对本发明的限制。例如，现有技术中，在车载充电机端处理CP信号以使其输入车载MCU的技术可类似地适用于枪体内的CP_IN信号处理。作为一个示例而非限值，逻辑适配电路432中可包含电阻分压和RC滤波电路，用于获得和CP信号对应的平稳直流信号以输入枪体MCU 431。

在进一步的实施例中，枪体MCU 431能够比较充电桩的最大供电电流（供电设备最大电流）和电网的最大供电电流（有序充电最大电流），并以二者中较小者作为产生CP_OUT的基准。因此，MCU 431在遵循智能电网的有序充电需求同时，亦受到充电桩410的供电能力的约束，这使得电动汽车440的车载充电机442基于CP_OUT的信息所产生电流需求始终够被充电桩410实际地满足。

在进一步的实施例中，CP_OUT信号可被逻辑适配电路432进一步转换为适合枪体MCU 431采集的直流信号CP_OUT_ADC。枪体MCU 431因此可以通过对CP_OUT_ADC的检测，判断由充电枪430产生并输出到电动汽车440的CP_OUT信号是否正常。对CP_OUT信号的具体处理方式不应构成对本发明的限制，例如，现有技术中，在车载充电机端处理CP信号以使其输入车载MCU的技术可类似地适用于枪体内的CP_OUT信号处理。作为一个示例而非限值，逻辑适配电路432中可包含电阻分压和RC滤波电路，以获得和CP_OUT信号对应的平稳直流信号以输入枪体MCU 431。

图5是示出根据本发明的实施例基于枪体MCU 431的控制信号生成PWM_OUT输出信号的脉宽调制信号发生电路示意图。如图5所示，PWM_EN信号是由枪体MCU（例如，图4中的枪体MCU 431）输出的CTRL信号中的一个信号。PWM_EN信号在能量传输阶段为PWM形态，且占空比能够反映电网有序充电方案分配给当前充电桩410的最大输出电流。PWM_EN信号在非能量传输阶段可为低电平或0电平。电阻R1（电阻可为1KΩ）和R2（电阻可为10KΩ）组成的电路对PWM_EN进行匹配分压，从而更好地驱动晶体管Q1，R2和一个电容C1（电容值可以是0.1μF）并联以有益于滤波。晶体管Q1的集电极通过并联的上拉电阻R4（电阻可为4K7Ω）和R5（电阻可为4K7Ω）连接到DC 12V。上拉电阻的使用可以更好地调节响应速度，同时，R4和R5的并联可以缓解单个电阻在有限封装尺寸下的发热问题。集电极的输出可馈入到比较器IC1的输入端口，例如，型号为LM2903D的比较器的1IN+端口。比较器的对应1IN-端口可连接在电阻R6和R3之间，R6（电阻可为10KΩ）一端连接到DC 12V，R3（电阻可为51KΩ）一端接地，并且R3和一个电容C2（电容值可以是1μF）并联以有益于滤波。比较器的VCC端口接12V。在形态为脉宽调制信号的PWM_EN信号的驱动下，比较器IC1的输出PWM_OUT将会是符合国标的CP规范的PWM信号。此外，如图5所示，IC1的输出端可通过适当的电阻R7（电阻可为510Ω）上拉。并联的电容C3（可为0.1μF）和C4（可为10μF）用于电源的去藕和滤波。通过图5的电路得到的PWM_OUT信号，视需要再进行稳压、滤波处理后，即可作为图4所示的逻辑适配电路432最终输出的CP_OUT。

在进一步的实施例中，逻辑适配电路432可包括适当的开关电路，从而在枪体MCU431的控制下，在将CP_IN直接作为CP_OUT的第一状态，和将由脉宽调制信号发生电路生成的信号作为CP_OUT的第二状态之间切换。在另一种实现方式中，逻辑适配电路432能够基于来自枪体MCU 431的PWM_EN信号再现出和CP_IN基本一致的PWM信号，而无需使用开关电路将CP_IN连接到CP_OUT。

尽管给出了基于PWM_EN信号生成PWM_OUT（进而可作为CP_OUT）的具体电路实现方式，但应理解，这仅是本发明由枪体独立产生CP_OUT的一种具体实现方式。应再次指出，关于生成CP_OUT信号、CP_IN_ADC信号以及CP_OUT_ADC信号的具体方式，在不对电路性能及制造成本作额外限制的情况下，可适用本领域的常规设计手段来完成，因此本发明在这方面的实现不应受到电路设计方法和所采取的器件参数的限制。

图6是示出根据本发明的实施例的通过新型充电枪实现有序充电的方法流程图。

方法流程600可开始于枪体MCU 431对来自充电桩410的CP信号的检测。具体而言，借助于逻辑适配电路432，来自充电桩410的CP信号（即CP_IN）被转换为能够被MCU采样的CP_IN_ADC。因此，在步骤610，枪体MCU 431对逻辑适配电路432输出的CP_IN_ADC进行持续的监测。在步骤620，枪体MCU 431基于CP_IN_ADC判断充电进程是否开始。根据国标，CP信号在能量传输阶段是PWM信号，在确认连接/准备就绪阶段以及结束停机阶段是持续高电平，因此CP_IN_ADC在能量传输阶段亦有和PWM信号对应的数值特征，可根据CP_IN_ADC的数值变化判断充电进程是否开始。如果充电进程未开始，则回到步骤610继续监测。如果充电进程开始，则前进到步骤630。

在步骤630，枪体MCU 431可判断是否有有序充电需求。这种判断可基于由通信模块433接收到的来自智能终端420的信息来作出。如果枪体MCU 431判断当前并无有序充电需求，则可以使枪体输出和CP_IN_ADC对应的PWM信号（或者，在一实施例中，可以将CP_IN直接作为CP_OUT输出提供给电动汽车）。如果枪体MCU 431判断当前存在有序充电需求，则进程可在步骤640进一步判断，有序充电需求是否小于CP_IN_ADC指示的电流（即，由CP_IN所指示的充电桩410能给出的最大充电电流）。如果有序充电需求小于CP_IN_ADC指示的电流，则需要对充电桩410的输出能力进行干预，因此，在步骤642输出和有序充电电流对应的PWM信号，该PWM信号的占空比对应于电网基于有序充电方案允许当前节点（即，充电桩410）输出的最大电流。如果有序充电需求并不小于（即，大于或等于）CP_IN_ADC指示的电流，那么无需对充电桩410的输出能力进行干预，因此在步骤644输出和CP_IN_ADC指示电流对应的PWM信号（或者，直接将CP_IN作为输出）。

在步骤650，枪体MCU 431基于CP_IN_ADC判断充电进程是否结束或中止。如果CP_IN_ADC具有和结束停机阶段的CP对应的数值特征，或者没有信号（例如，插头和插座意外断开），则认为当前已不处于能量传输阶段，流程前进到步骤660，否则流程回到步骤640继续根据有序充电需求来决定CP_OUT输出的PWM信号形式（在其他实现方式中，流程可回到步骤630）。在步骤660，枪体MCU 431使CP_OUT停止输出PWM信号，因此，车载充电机442得到的CP信号亦不再是PWM信号。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请实施例的精神和范围。