一种清洁能源智能交通微网充电桩系统

技术领域

本发明涉及一种清洁能源智能交通微网充电桩系统，属于微电网技术领域。

背景技术

随着智能微网的不断更新与进步，为人类的各行各业和生活带来了前所未有的便利，使得社会经济的迅速发展。我国新能源市场也在多项利好政策的指引下，相关产业非常火爆。在新能源产业中，以电池的产业的异军突起最为引人注目，电力是国民经济的命脉，电网承载着能量传输，资源配置的重要职能，对社会的经济发展起着重要的作用。在国家政策和人民需求的引导下，以新能源为代表的“发电+蓄电+充电”新的稳定的电能管理模式是必然发展趋势同时也成为各国科学家研究热点。发达国家在能源管理方面基础比较雄厚，并且已经掌握了该领域的一些核心技术，虽然我国幅员辽阔，清洁能源具有总量丰富，种类多样化的特征，但是我国还在刚刚起步的阶段，能源管理技术相对落后，因此我们需要加快研究脚步，付出更多的努力。

电动汽车具有效率高、排放低等诸多优点,已成为缓解当前环境压力以及石油等能源紧张的重要方法之一。目前国内外电动汽车技术已经得到迅猛发展,各公司相继推出多款电动汽车,以全新姿态向汽车领域进军。目前电动汽车有长途运行的需求,但高速公路或野外却罕有充电桩、充电站,电网改造的成本、难度及能源问题成为制约其建成的主要因素。

因此，本发明以风能和太阳能作为能源提供,设计一款智能电动汽车充电桩。可以应用至野外充电桩，高速公路服务区和智能化小区的设计过程,供电储能单元主要包括风能、太阳能的切换电路、充电主电路、电池组、MCU控制单元等,另外分别对太阳能风能进行场景选择；充电机部分包含充电主电路、触发控制电路、检测电路、MCU控制单元等；人机交互部分包含处理器、显示单元、互联网通讯接口、银联设备等。风力发电机、太阳能将自然能源转换为电能,并将其存储到大容量蓄电池中。当有汽车充电时,通过电池管理系统读取电动汽车电池状态,实现充电机的智能化,电池的充电状态需在充电机进行显示,使充电机根据电池的荷电状态采取不同的智能充电技术,提高充电系统的智能性、可靠性、安全性。人机交互部分除常规接口外,需要通过4G/5G网络,将数据传往云平台,给后台提供数据保障,并通过收费系统进行云端用户扣费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于“发电+蓄电+充电”的电能管理模式，提出一种清洁能源的交通智能微网充电桩系统。

本发明所设计的清洁能源智能交通微网充电桩系统该系统主要分为三大部分，分别为：太阳能追光与风机发电部分、电池管理系统BMS和网络通讯及显示部分。每部分设计方案分成硬件和软件两个部分。

本发明设计的清洁能源智能交通微网充电桩系统基于“发电+蓄电+充电”的电能管理模式，通过现代新能源控制系统的工作原理进行研究，利用风光互补发电的同时采用智能微网控制，改进系统模式。采用太阳能追光算法，利用光敏电阻构成闭环反馈，对太阳能电池板的位置角度进行校正，使得放电效率最大。同步开发并将控制算法内容于微控制器中实现并控制整个系统，最大限度降低损耗，提高能源的利用率。

(1)在硬件设计部分：

太阳能追光部分主要由太阳能电池板，太阳能控制器组成，太阳能追光机械部分用到了省力齿轮结构，达到了低功耗的目的；根据机械部分计算太阳能板的最佳形状与面积，实现用尽量低的功耗实现尽量大的太阳能收集面积。并在机械结构上通过开环模型计算与闭环光强反馈相结合的算法模型来进行分析来获得最适方位角。在机械结构上增加一个角度反馈装置，该装置由光电传感器和采光板构成，采光板包括挡板和垂直布置在挡板上的遮光板构成，把挡板分为了四个象限，挡板上布置有光电传感器。电子控制电路接收挡板上的光电传感器信号，当太阳能电池板不再垂直对着太阳时，就会在遮光板的另一侧挡板上产生阴影，该挡板上的光电传感器的电流就会减弱，处理器判断为阳光没有垂直照射在电池板上，同时根据阴影在哪个象限来对太阳能板的角度进行微调，以达到反馈调节的目的。

电池管理系统是以STM32F-103为主控芯片，通过智能电池管理控制总线的通信方式和BQ76930模拟前端进行通信，并通过DS2780电量计模块来实现对每节电池的电压、电量，电池组的电流和温度进行实时监测。

显示部分是通过上位机对电池的电压、电流、温度、电量和电池寿命进行实时的监控和故障报警。通过TFTLCD对太阳能板的状态进行显示和控制。智能电表通过霍尔传感器对用户的用电量进行实时监测和电费的折算，并通过LCD显示屏显示电费和电量。

(2)在软件设计部分：

太阳能追光部分中的太阳能板检测光照强度后传送给单片机，单片机根据收集到的信息控制电机转动角度并带动太阳能板转动，实现太阳能电池板与入射光线垂直，保证收集到的光能最大化。另外单片机通过ADC检测得到的电压和电流值，经单片机处理后通过显示屏显示对应数据和波形。单片机通过接收下级变电站发送的数据并处理后实现电网电量智能分配。

电池管理系统通过MCU检查电池状态、负载状态和清洁能源的供给状态来选择工作模式。电池管理系统共有三种工作模式：(1)风光互补发电装置能够产生充足能量，供给负载和蓄电池充电的同时，仍有剩余能量并入网。(2)若没有充足的风能和太阳能，电池和市电同时给负载供电，市电也可给电池充电。(3)市电故障时，电池仍可给负载供电，市电恢复后会自动并网。

MCU通过智能电池管理控制总线的通信方式和BQ76930进行通信，将电池的电压、电流和温度等参数传输到上位机并进行显示。根据采集的数据对锂电池实施监管和保护。通过控制均衡电路使各节电池工作在相同的状态，以延长电池的寿命。电池的剩余电量是用DS2780模块测得并在OLED屏显示出，我们建立了卡耳曼滤波的SoC模型并通过STM32单片机进行计算，对DS2780所计算的剩余电量进行校准，通过基于动态贝叶斯网络的SoH算法初步计算电池寿命。

显示部分中通过监测用户的用电数据，自动计算用户的电能与换算电费，用显示屏显示数据，同时用WiFi模块连接Internet回传数据，与手机和上位机进行数据同步。

本发明达到的有益效果：利用风光互补发电的同时采用智能微网控制，改进系统模式。采用太阳能追光算法，利用光敏电阻构成闭环反馈，对太阳能电池板的位置角度进行校正，使得放电效率最大。同步开发并将控制算法内容于微控制器中实现并控制整个系统，最大限度降低损耗，提高能源的利用率。

附图说明

图1为本发明中系统硬件整体图；

图2为本发明中角度反馈装置示意图；

图3为本发明中电池管理系统实物模型图；

图4为本发明中追光系统流程图；

图5为本发明中基于动态贝叶斯网络的SoH算法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明所设计的清洁能源智能交通微网充电桩系统该系统主要分为三大部分，分别为：太阳能追光与风机发电部分、电池管理系统BMS和网络通讯及显示部分。每部分设计方案分成硬件和软件两个部分。

该发明设计的清洁能源智能交通微网充电桩系统基于“发电+蓄电+充电”的电能管理模式，通过现代新能源控制系统的工作原理进行研究，利用风光互补发电的同时采用智能微网控制，改进系统模式。采用太阳能追光算法，利用光敏电阻构成闭环反馈，对太阳能电池板的位置角度进行校正，使得放电效率最大。同步开发并将控制算法内容于微控制器中实现并控制整个系统，最大限度降低损耗，提高能源的利用率。

(1)在硬件设计部分：

系统硬件整体示意图如图1所示。太阳能追光部分主要由太阳能电池板，太阳能控制器组成，太阳能追光机械部分用到了省力齿轮结构，达到了低功耗的目的；根据机械部分计算太阳能板的最佳形状与面积，实现用尽量低的功耗实现尽量大的太阳能收集面积。并在机械结构上通过开环模型计算与闭环光强反馈相结合的算法模型来进行分析来获得最适方位角。在机械结构上增加一个角度反馈装置，角度反馈装置示意图如图2所示。该装置由光电传感器和采光板构成，采光板包括挡板和垂直布置在挡板上的遮光板构成，把挡板分为了四个象限，挡板上布置有光电传感器。电子控制电路接收挡板上的光电传感器信号，当太阳能电池板不再垂直对着太阳时，就会在遮光板的另一侧挡板上产生阴影，该挡板上的光电传感器的电流就会减弱，处理器判断为阳光没有垂直照射在电池板上，同时根据阴影在哪个象限来对太阳能板的角度进行微调，以达到反馈调节的目的。

电池管理系统是以STM32F-103为主控芯片，通过智能电池管理控制总线的通信方式和BQ76930模拟前端进行通信，并通过DS2780电量计模块来实现对每节电池的电压、电量，电池组的电流和温度进行实时监测。电池管理系统实物模型如附图3所示。

显示部分是通过上位机对电池的电压、电流、温度、电量和电池寿命进行实时的监控和故障报警。通过TFTLCD对太阳能板的状态进行显示和控制。智能电表通过霍尔传感器对用户的用电量进行实时监测和电费的折算，并通过LCD显示屏显示电费和电量。

(2)在软件设计部分：

太阳能追光部分中的太阳能板检测光照强度后传送给单片机，单片机根据收集到的信息控制电机转动角度并带动太阳能板转动，实现太阳能电池板与入射光线垂直，保证收集到的光能最大化。追光系统流程图如附图4所示。另外单片机通过ADC检测得到的电压和电流值，经单片机处理后通过显示屏显示对应数据和波形。单片机通过接收下级变电站发送的数据并处理后实现电网电量智能分配。

电池管理系统通过MCU检查电池状态、负载状态和清洁能源的供给状态来选择工作模式。电池管理系统共有三种工作模式：(1)风光互补发电装置能够产生充足能量，供给负载和蓄电池充电的同时，仍有剩余能量并入网。(2)若没有充足的风能和太阳能，电池和市电同时给负载供电，市电也可给电池充电。(3)市电故障时，电池仍可给负载供电，市电恢复后会自动并网。

MCU通过智能电池管理控制总线的通信方式和BQ76930进行通信，将电池的电压、电流和温度等参数传输到上位机并进行显示。根据采集的数据对锂电池实施监管和保护。通过控制均衡电路使各节电池工作在相同的状态，以延长电池的寿命。电池的剩余电量是用DS2780模块测得并在OLED屏显示出，我们建立了卡耳曼滤波的SoC模型并通过STM32单片机进行计算，对DS2780所计算的剩余电量进行校准，通过基于动态贝叶斯网络的SoH算法初步计算电池寿命。基于动态贝叶斯网络的SoH算法流程图如附图5所示。

显示部分中通过监测用户的用电数据，自动计算用户的电能与换算电费，用显示屏显示数据，同时用WiFi模块连接Internet回传数据，与手机和上位机进行数据同步。

本发明达到的有益效果：利用风光互补发电的同时采用智能微网控制，改进系统模式。采用太阳能追光算法，利用光敏电阻构成闭环反馈，对太阳能电池板的位置角度进行校正，使得放电效率最大。同步开发并将控制算法内容于微控制器中实现并控制整个系统，最大限度降低损耗，提高能源的利用率。

本发明方案所公开的技术方法不仅限于上述实施方式所公开的技术方式，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案，因此不脱离本发明原理、精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖本发明的权利要求范围当中。