交流充电桩的有序充电管理系统及有序充电方法

摘要

本发明公开了交流充电桩的有序充电管理系统和有序充电方法，包括手机APP、后台服务器、带有LORA网关的站控、充电桩控制器、调度中心，手机APP、调度中心都与后台服务器相互通信，带有LORA网关的站控与后台服务器相互通信，充电桩控制器与带有LORA网关的站控相互通信。有序充电方法包括如下步骤：步骤1：调度中心进行负荷预测；步骤2：调度中心调整短期负荷预测的结果；步骤3：电动汽车车主通过服务商参与统一调度；步骤4：得到电动汽车各时段的优化充电功率；步骤5：电动汽车车主调整各自的充电计划。本发明提高使用者的用户体验，克服了时段充电方法的机械性，能够更灵活地适应调度运行的要求，指导车主制定最优充电计划。

权利要求

1.交流充电桩的有序充电管理系统，其特征在于，包括手机APP(2)、后台服务器(1)、带有LORA网关的站控(3)、充电桩控制器(4)，所述后台服务器(1)与手机APP(2)相互通信，所述带有LORA网关的站控(3)与后台服务器(1)相互通信，所述充电桩控制器(4)与带有LORA网关的站控(3)相互通信。

2.根据权利要求1所述交流充电桩的有序充电管理系统，其特征在于，所述后台服务器(1)用于接收带有LORA网关的站控(3)的充电状态、预约排队结果、当前充电站所有用电桩功率情况，接收来自手机APP(2)的预约排队请求且发送发充电状态数据给手机APP(2)。

3.根据权利要求1所述交流充电桩的有序充电管理系统，其特征在于，所述手机APP(2)用于接受来自手机APP(2)注册用户的预约排队输入请求，反馈预约排队结果数据和充电状态数据给用户。

4.根据权利要求1所述交流充电桩的有序充电管理系统，其特征在于，所述带有LORA网关的站控(3)用于接收来自后台服务器(1)的预约排队请求数据，反馈预约排队结果数据给后台服务器(1)，接收来自充电桩控制器(4)的充电状态数据，下发即时充电指令给充电桩控制器(4)，上传即时充电状态数据给后台服务器(1)。

5.交流充电桩的有序充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调度中心(100)进行24h短期负荷预测；

步骤2：电动汽车车主将次日的行程安排、充电计划及是否参与调度的信息提交至服务商的后台服务器(1)，服务商的后台服务器(1)汇总后再上报至调度中心(100)，调度中心(100)根据上报数据预测24h的电动汽车充电负荷并调整短期负荷预测的结果；

步骤3：电动汽车车主通过服务商参与统一调度，避免了盲目的无序充电行为，与此同时也将获得经济利益；

步骤4：根据短期负荷预测的结果，在满足电动汽车充电需求的情况下，进行智能有序充电优化计算，得到电动汽车各时段的优化充电功率；

步骤5：调度中心(100)将各时段电价和优化充电功率的数据下发给各服务商的后台服务器(1)，服务商的后台服务器(1)再向自己管辖范围内的电动汽车发送充电调度安排，然后电动汽车车主根据下发的充电调度安排调整各自的充电计划，从而实现最优充电。

6.根据权利要求5所述交流充电桩的有序充电方法，其特征在于，所述智能有序充电优化计算的依据为设置充电时段，线路负载率Li小于某一指定值L'时，电动汽车才可接入电网充电，且充电后该时段线路负载率应小于某值L”,同时多时段总损耗及电压越界之和最小为目标，动态设定各时段的可充电功率。

7.根据权利要求5所述交流充电桩的有序充电方法，其特征在于，所述电动汽车充电需求为 所述P(t)为时段t的可充电功率，所述△t为充电时段，所述PEV为电动汽车电池的充电功率，所述Tcd为充电时间。

8.根据权利要求6所述交流充电桩的有序充电方法，其特征在于，所述多时段总损耗及电压越界之和的算式为 所述Ps(t)为时段t的系统损耗，所述△Vi(t)为时段t节点i的电压偏移量，所述Nch为1天内可充电时段数，所述λ为电压越界罚系数。

说明书

交流充电桩的有序充电管理系统及有序充电方法

技术领域

[0001] 本发明涉及交流充电桩的有序充电管理系统及有序充电方法。

背景技术

[0002] 从2014年开始，随着国家对新能源电动汽车及相关行业政策的大力扶持和相关配套政策倾斜，国内新能源电动汽车发展非常迅速，以国营企业为龙头，民间资本也开始大力进入到电动汽车行业中来。尽管目前新能源电动汽车发展迅速，但是面临的一个突出问题就是电动汽车的配套设施-充电桩建设非常滞后，从2015年以来，以国家电网、南方电网为主要运营单位，在全国范围内开始大规模铺设充电桩，尤其国网在高速公路上建设了比较多的大功率充电桩。从2017年开始，充电桩在城市停车场、小区等周边建设起来，而且建设数量逐步增大。从目前建设以及用户使用的情况来看，还是存在一些比较突出问题：一个是小区、停车场、商业办公区域等区域建设充电桩数量增多，充电需求增大，该区域供电容量有限，充电需求增长影响正常用电与供电安全；二是小区、停车场、商业办公区域功能成熟，供电增容面临用地紧张、施工困难和投资大的问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供交流充电桩的有序充电管理系统及有序充电方法。

[0004] 为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 交流充电桩的有序充电管理系统，包括手机APP、后台服务器、带有LORA网关的站控、充电桩控制器、调度中心，所述手机APP、调度中心都与后台服务器相互通信，所述带有LORA网关的站控与后台服务器相互通信，充电桩控制器与带有LORA网关的站控相互通信。

[0006] 作为优选，后台服务器用于接收带有LORA网关的站控的充电状态、预约排队结果、当前充电站所有用电桩功率情况，接收来自手机APP的预约排队请求且发送发充电状态数据给手机APP。

[0007] 作为优选，所述手机APP用于接受来自手机APP注册用户的预约排队输入请求，反馈预约排队结果数据和充电状态数据给用户。

[0008] 作为优选，带有LORA网关的站控用于接收来自后台服务器的预约排队请求数据，反馈预约排队结果数据给后台服务器，接收来自充电桩控制器的充电状态数据，下发即时充电指令给充电桩控制器，上传即时充电状态数据给后台服务器。

[0009] 交流充电桩的有序充电方法，包括如下步骤：

[0010] 步骤1：调度中心进行24h短期负荷预测；

[0011] 步骤2：电动汽车车主将次日的行程安排、充电计划及是否参与调度的信息提交至服务商的后台服务器，服务商的后台服务器汇总后再上报至调度中心，调度中心根据上报数据预测24h的电动汽车充电负荷并调整短期负荷预测的结果；

[0012] 步骤3：电动汽车车主通过服务商参与统一调度，避免了盲目的无序充电行为，与此同时也将获得经济利益；

[0013] 步骤4：根据短期负荷预测的结果，在满足电动汽车充电需求的情况下，进行智能有序充电优化计算，得到电动汽车各时段的优化充电功率；

[0014] 步骤5：调度中心将各时段电价和优化充电功率的数据下发给各服务商的后台服务器，服务商的后台服务器再向自己管辖范围内的电动汽车发送充电调度安排，然后电动汽车车主根据下发的充电调度安排调整各自的充电计划，从而实现最优充电。

[0015] 作为优选，智能有序充电优化计算的依据为设置充电时段，线路负载率Li小于某一指定值L'时，电动汽车才可接入电网充电，且充电后该时段线路负载率应小于某值L”,同时多时段总损耗及电压越界之和最小为目标，动态设定各时段的可充电功率。

[0016] 作为优选，所述电动汽车充电需求为 所述P(t)为时段t的可充电功率，所述△t为充电时段，所述PEV为电动汽车电池的充电功率，所述Tcd为充电时间。

[0017] 多时段总损耗及电压越界之和的算式为 所述Ps(t)为时段t的系统损耗，△Vi(t)为时段t节点i的电压偏移量，所述Nch为1天内可充电时段数，λ为电压越界罚系数。

[0018] 本发明的有益效果如下：本发明提出的一整套交流充电桩的有序充电管理系统，可以完美解决当前充电桩存在的弊端，从而提高使用者的用户体验，增强操作的便捷性和可控性，提出的这一整套解决方案将直接应用到当前国家电网等单位建设的充电桩上面，可以在不改变当前充电桩的所有设备基础上，只需要额外增加这一套有序充电管理系统，就可以实现上述功能，因此不会额外增加建设成本，也不会破坏当前充电桩的技术标准和运行稳定性。本发明在给定充电供电容量的情况下，让用户有序充电，使得能够给电动汽车使用者更好的用户体验、更好的充电感受，既能满足用户充电需求，又能保障电网供电安全；本发明的智能有序充电方法以多时段总损耗及电压越界之和最小为目标，动态设定各时段的可充电功率，克服了时段充电方法的机械性，能够更灵活地适应调度运行的要求，指导车主制定最优充电计划，从而减少大规模电动汽车充电对电网的影响，实现电网和车主的共赢。智能配电网的建设将为电动汽车的优化充电和入网服务提供非常有利的条件，促进电动汽车更好发展。

附图说明

[0019] 图1为本发明的系统框图；

[0020] 图2为充电桩控制器的模块连接图；

[0021] 图3为在50％和100％电动汽车渗透率下线路的日负荷曲线；

[0022] 图4为50％和100％渗透率下线路的总损耗率图。

具体实施方式

[0023] 下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

[0024] 如图1所示，交流充电桩的有序充电管理系统，包括手机APP2、后台服务器1、带有LORA网关的站控3、充电桩控制器4，所述后台服务器1与手机APP2相互通信，所述带有LORA网关的站控3与后台服务器1相互通信，所述充电桩控制器4与带有LORA网关的站控3相互通信。

[0025] 如图2所示，充电桩控制器4包括计费控制单元5、天线6、读卡器7、扬声器8、触摸彩屏9、控制电源10、计量表22、桩门13、继电器14、开关输入模块18、电压测量模块19、电流测量模块20、连接确认模块26、温度监控模块28、二次电源模块15、CAN通信模块16、CAN通电锁控制模块2717、输出控制模块2725、供电插座31、充电口、控制模块27、协助控制器23、无线模块24、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、保险丝B1、保险丝B2、保险丝B3、RS485模块21，所述充电口包括L充电口35、N充电口36、PE充电口37，所述供电插座31设有电子锁29、温度传感器30、L连接口32、N连接口33、PE连接口34，所述PE充电口37与PE连接口34电性连接，所述N充电口36通过开关S2电性连接计量表22，所述L充电口35通过开关S1电性连接计量表22，所述L充电口35通过保险丝B1电性连接控制电源10，所述N充电口36通过保险丝B2电性连接控制电源10，所述PE充电口37通过保险丝B3电性连接控制电源10，所述电压测量模块19、电流测量模块20都电性连接计量表22，所述桩门13通过继电器14电性连接开关输入模块18，所述控制电源10电性连接二次电源模块15，所述CAN通电锁控制模块2717电性连接电子锁29，所述温度监控模块28电性连接温度传感器30，所述连接确认模块26与供电插座31电性连接，所述开关S3、开关S4都与输出控制模块2725电性连接，所述计量表22通过开关S3连接L连接口32，所述计量表22通过开关S4连接N连接口33，所述开关输入模块18、电压测量模块
19、电流测量模块20、连接确认模块26、温度监控模块28、二次电源模块15、CAN通信模块16、CAN通电锁控制模块2717、输出控制模块2725都与控制模块27电性连接，所述计费控制单元
5、协助控制器23都通过RS485模块21与计量表22电性连接，所述协助控制器23与无线模块
24电性连接，所述天线6、读卡器7、扬声器8、触摸彩屏9都与计费控制单元5电性连接，所述控制模块27与协助控制器23连接，所述CAN通信模块16与计费控制单元5电性连接。充电桩控制器4还包括充电状态指示灯，所述充电状态指示灯与控制模块27电性连接。充电桩控制器4还包括急停开关，所述急停开关与控制模块27电性连接。所述后台服务器1用于接收带有LORA网关的站控3的充电状态、预约排队结果、当前充电站所有用电桩功率情况，接收来自手机APP2的预约排队请求且发送发充电状态数据给手机APP2。所述手机APP2用于接受来自手机APP2注册用户的预约排队输入请求，反馈预约排队结果数据和充电状态数据给用户。所述带有LORA网关的站控3用于接收来自后台服务器1的预约排队请求数据，反馈预约排队结果数据给后台服务器1，接收来自充电桩控制器4的充电状态数据，下发即时充电指令给充电桩控制器4，上传即时充电状态数据给后台服务器1。所述充电桩控制器4用于接受来自带有LORA网关的站控3的即时充电请求，实时读取计量表22记的充电电压、充电电流和有功功率并上传给带有LORA网关的站控3，控制继电器14的开关并将继电器14的开关反馈给带有LORA网关的站控3。

[0026] 交流充电桩的有序充电方法，包括如下步骤：

[0027] 步骤1：调度中心100进行24h短期负荷预测；

[0028] 步骤2：电动汽车车主将次日的行程安排、充电计划及是否参与调度的信息提交至服务商的后台服务器1，服务商的后台服务器1汇总后再上报至调度中心100，调度中心100根据上报数据预测24h的电动汽车充电负荷并调整短期负荷预测的结果；

[0029] 步骤3：电动汽车车主通过服务商参与统一调度，避免了盲目的无序充电行为，与此同时也将获得经济利益；

[0030] 步骤4：根据短期负荷预测的结果，在满足电动汽车充电需求的情况下，进行智能有序充电优化计算，得到电动汽车各时段的优化充电功率；

[0031] 步骤5：调度中心100将各时段电价和优化充电功率的数据下发给各服务商的后台服务器1，服务商的后台服务器1再向自己管辖范围内的电动汽车发送充电调度安排，然后电动汽车车主根据下发的充电调度安排调整各自的充电计划，从而实现最优充电。

[0032] 所述智能有序充电优化计算的依据为设置充电时段，线路负载率Li小于某一指定值L'时，电动汽车才可接入电网充电，且充电后该时段线路负载率应小于某值L”,同时多时段总损耗及电压越界之和最小为目标，动态设定各时段的可充电功率。所述电动汽车充电需求为 所述P(t)为时段t的可充电功率，所述△t为充电时段，所述PEV为电动汽车电池的充电功率，所述Tcd为充电时间。多时段总损耗及电压越界之和的算式为所述Ps(t)为时段t的系统损耗，所述△Vi(t)为时段t节点i的
电压偏移量，所述Nch为1天内可充电时段数，所述λ为电压越界罚系数。

[0033] 充电时段、L'、L”的设定就实际情况来设定，比如充电时段为18:00～7:00，负载率小于40％时允许电动汽车接入电网充电；50％电动汽车充电时，优化后的线路负载率小于50％；100％电动汽车充电时，优化后线路负载率小于65％。

[0034] 本发明提出的一整套交流充电桩的有序充电管理系统，可以完美解决当前充电桩存在的弊端，从而提高使用者的用户体验，增强操作的便捷性和可控性，提出的这一整套解决方案将直接应用到当前国家电网等单位建设的充电桩上面，可以在不改变当前充电桩的所有设备基础上，只需要额外增加这一套有序充电管理系统，就可以实现上述功能，因此不会额外增加建设成本，也不会破坏当前充电桩的技术标准和运行稳定性。本发明在给定充电供电容量的情况下，让用户有序充电，使得能够给电动汽车使用者更好的用户体验、更好的充电感受，既能满足用户充电需求，又能保障电网供电安全；本发明的智能有序充电方法以多时段总损耗及电压越界之和最小为目标，动态设定各时段的可充电功率，克服了时段充电方法的机械性，能够更灵活地适应调度运行的要求，指导车主制定最优充电计划，从而减少大规模电动汽车充电对电网的影响，实现电网和车主的共赢。智能配电网的建设将为电动汽车的优化充电和入网服务提供非常有利的条件，促进电动汽车更好发展。

[0035] 交流充电桩的有序充电方法的实际测试结果分析如下：

[0036] 采用交流充电桩的有序充电方法对某城市10KV配网一个小区的地下车库电动汽车充电站进行了计算，并从负荷、损耗和电压3个方面与随机充电和时段充电方法进行了比较。

[0037] 负荷分析

[0038] 图3为在50％和100％电动汽车渗透率下线路的日负荷曲线

[0039] 从图3可以看出：在50％渗透率时，由于采用交流充电桩的有序充电方法在各时段对充电负荷进行了合理分配，并未形成新的负荷高峰；在100％渗透率时，由于电动汽车充电负荷较大，虽然采用交流充电桩的有序充电方法也形成了新的负荷高峰，但是与其他方法相比，交流充电桩的有序充电方法负荷峰谷差小，曲线相对平滑，对电网造成的影响相对也小。

[0040] 损耗分析

[0041] 图4为50％和100％渗透率下线路的总损耗率。

[0042] 从图4中可以看出，对于线路总损耗率，交流充电桩的有序充电方法小于时段充电方法，更小于随机充电方法。因此，采用交流充电桩的有序充电方法可以实现降损节能的目标。

[0043] 电压分析

[0044] 表1对各种电动汽车渗透率下的节点电压越限情况进行了统计。当渗透率小于20％时，节点电压无越限；但是当渗透率从20％增加到100％时，越限点比例从1.11％增加到56.67％，最大越限电压也由0.922降低到0.844，严重越下限。根据文献[19]，10KV用户的电压允许偏差为系统额定电压的±7％。从表1中可以看出：当渗透率小于30％时，线路末端各节点电压大致保持在0.93左右，基本能保证用户的用电需求；当渗透率大于50％时，末端节点电压急剧下降，最低仅为0.844(100％渗透率)，严重越下限(此处假设变电站电压保持定值)。

[0045] 表1

[0046]

[0047]

[0048] 从表1可知，在100％渗透率下，晚上19：00～22：00为负荷最大时刻，本文选取该时刻通过有序充电方法对线路节点电压进行分析，得到表3的各种充电方法的越限电压统计结果。从表3可以看出，采用有序充电方法时，线路末端电压大致能保持在0.93左右，最低电压为0.919，高于时段充电方法的0.901，远高于随机充电方法的0.844，而且越限点比例也从随机充电方法的56.67％下降为3.33％。因此，有序充电方法在高渗透时有助于提高线路的节点电压、减少越限节点数。

[0049] 表3

[0050]

[0051] 从以上分析可以看出：采用有序充电方法后，线路的负荷峰谷差减小，负荷曲线更平滑，有利于电网的安全平稳运行；有效降低了线路损耗率，有助于电网的经济运行；电压质量也得到了提高，从而保证了用户的用电需求。

[0052] 通过对电动汽车充电负荷在各种渗透率下对电网的影响分析及高渗透率下各种充电方法的比较，可知：(1)当线路负载率较低时，合理的电动汽车有序充电将会有助于提高线路的运行效率，使线路运行于经济区域；但是大规模的电动汽车接入电网充电则可能会对电网产生巨大的影响。应该对具体线路进行具体分析，明确线路上电动汽车的安全接入边界，以确保电网的安全、稳定和经济运行。(2)充电方法的选择会改变电动汽车充电对电网的影响。随机充电方法会叠加原有峰荷形成新的负荷高峰，对电网运行造成巨大的压力。时段充电方法虽然在一定程度上改善了负荷曲线，但在大规模电动汽车充电时，其对低谷时段选择的机械性仍不能满足电网安全经济运行的需要。本发明的智能有序充电方法以多时段总损耗及电压越界之和最小为目标，动态设定各时段的可充电功率，克服了时段充电方法的机械性，能够更灵活地适应调度运行的要求，指导车主制定最优充电计划，从而减少大规模电动汽车充电对电网的影响，实现电网和车主的共赢。智能配电网的建设将为电动汽车的优化充电和入网服务提供非常有利的条件，促进电动汽车更好发展。

[0053] 本发明提出的一整套交流充电桩的有序充电管理系统，可以完美解决当前充电桩存在的弊端，从而提高使用者的用户体验，增强操作的便捷性和可控性，提出的这一整套解决方案将直接应用到当前国家电网等单位建设的充电桩上面，可以在不改变当前充电桩的所有设备基础上，只需要额外增加这一套有序充电管理系统，就可以实现上述功能，因此不会额外增加建设成本，也不会破坏当前充电桩的技术标准和运行稳定性。

[0054] 需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。