《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》是科大智慧型電氣技術有限公司於2016年8月31日申請的專利，該專利公布號：CN106335394A，專利公布日：2017年1月18日，發明人是：李林、曹軍、何剛、王磊。
《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》涉及一種用於電動公車的一體化直流充電樁，包括人機互動單元和充電控制單元，二者之間通過串口進行信息互動，所述人機互動單元包括第一微控制器MCU，其輸入端與按鍵輸入模組的輸出端相連，其輸出端與液晶顯示模組的輸入端相連；所述充電控制單元包括第二微控制器MCU，其輸入端通過AD採樣晶片接模擬開關，其第一輸出端通過開關量驅動模組接繼電器，其第二輸出端通過切換開關接充電槍接口，充電槍接口與電動公車的充電槍頭連線。該發明還公開了一種用於電動公車的一體化直流充電樁的智慧型充電方法。該發明能夠在有限的時間內，提高充電站建設投資的經濟性，保障各條公交線路的正常運營，保證合理涓流充電，延長電池壽命。
2021年8月16日，《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》獲得安徽省第八屆專利獎金獎。
（概述圖為《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法
- 申請日：2016年8月31日
- 申請號：2016107937601
- 申請人：科大智慧型電氣技術有限公司
- 公布號：CN106335394A
- 公布日：2017年1月18日
- Int.Cl.：B60L11/18(2006.01)I、G07F15/00(2006.01)I
- 發明人：李林、曹軍、何剛、王磊
- 代理人：奚華保
- 專利代理機構：合肥天明專利事務所
- 地址：安徽省合肥市蜀山區望江西路5111號
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著新能源公交客車的投入運營，與其配套的充電站也在快速發展，技術以直流快充為主，在固定地點布置一定數量的直流充電樁來滿足運營過程中公交客車補電需要。基於運營的需求，充電時間主要為夜間補電和中午補電兩種時段，其中以夜間充電為主，中午為輔，夜間充電時段時間充足，可滿足樁上各公交客車的充電需求。然而，因各公交客車的運營線路距離長短不同，夜間充滿電的公車可滿足次日一天的短線路運營，卻滿足不了長線路的運營，因此需要進行中午的短時間補電，滿足當日剩下線路電量需求。
考慮成本的經濟性和充電樁的利用率，公交客車充電站內採用的直流充電樁多為一體式多充型，一樁配置2到4個充電槍頭，受樁體功率限制，每台充電樁針對其樁上多槍實行先到先充原則，即對先接入的公交客車進行充電。這種充電方式在夜間時間充足時，可滿足樁上各個客車的補電需求，但是面對公交客車中午短時補電需求時會出現以下問題：1）由於中午進行短時補電的公交客車線路運營情況各異，對補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法判斷樁上公交客車的實際運營電量需求，無法依據實際需求優先充電，導致後接入的公交客車在較短的補電時間內電量需求達不到滿足，影響其後續的線路運營；2）截至2016年8月31日，電池採用先恆流後恆壓充電技術，後面的恆壓一般為小電流的涓流充電，時間長，但對電量的補充很小，在針對公交客車短時補電的環境下，這種充電占用了充電樁有限的資源，影響到後接入缺電公交客車及時充電，使充電資源未得到合理利用。這種涓流充電特性，還會導致後接入的充電公交客車電池得不到充分充電，長時間運營下影響電池性能，縮短電池使用壽命。
發明內容
專利目的
《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》的首要目的在於提供一種在直流充電樁的槍頭接入電動公車時，能夠依據電動公車的運營線路和當前電量，智慧型判斷充電的優先順序，最大化滿足多車的運營需求的用於電動公車的一體化直流充電樁。
《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》的另一目的在於提供一種用於電動公車的一體化直流充電樁的智慧型充電方法。
技術方案
一種用於電動公車的一體化直流充電樁，包括人機互動單元和充電控制單元，二者之間通過串口進行信息互動，所述人機互動單元由第一微控制器MCU、通信連線埠模組、讀卡器、液晶顯示模組和按鍵輸入模組組成，第一微控制器MCU分別與通信連線埠模組、讀卡器雙向通訊，第一微控制器MCU的輸入端與按鍵輸入模組的輸出端相連，第一微控制器MCU的輸出端與液晶顯示模組的輸入端相連；所述充電控制單元包括第二微控制器MCU、模擬開關、AD採樣晶片、開關量驅動模組、繼電器、切換開關和充電槍接口，第二微控制器MCU的輸入端通過AD採樣晶片接模擬開關，第二微控制器MCU的第一輸出端通過開關量驅動模組接繼電器，第二微控制器MCU的第二輸出端通過切換開關接充電槍接口，充電槍接口與電動公車的充電槍頭連線。
所述第一微控制器MCU採用STM32F107VC晶片，其ETH口接通信連線埠模組，其UART口分別接讀卡器、液晶顯示模組、充電控制單元，其GPIO口接按鍵輸入模組。
所述第二微控制器MCU採用STM32F107VC晶片，其SPI口接AD採樣晶片的輸出端，AD採樣晶片的輸入端接用於檢測直流接觸器後端槍頭電壓、對地絕緣檢測、檢測充電槍電流、直流互感器對地絕緣監測、槍頭電阻檢測的模擬開關的輸出端；其AD口接槍連線確認模組；其IC口接存儲器；其CAN口分別接切換開關和電源模組，電源模組向充電槍接口供電；其GPIO口分別接模擬開關、開關量驅動模組和切換開關；其UART口接人機互動單元。
《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》的另一目的的方法包括下列順序的步驟：
（1）通過用戶刷卡以及在按鍵輸入模組上的輸入的信息，一體化直流充電樁獲取電動公車的營運線路信息，並根據當前時間計算出電動公車滿足當日後續運營里程所需的最小期望電池荷電狀態
；
（2）電動公車接入一體化直流充電樁後，一體化直流充電樁通過充電槍與電動公車的BMS進行信息互動，獲取電動公車的當前荷電狀態
、電池容量Qi信息；
（3）一體化直流充電樁依據獲取的電動公車的當前電池荷電狀態和電動公車的最小期望電池荷電狀態，計算出當前電動公交客車的電池運營充電荷電狀態值
，其計算公式如下：
（4）若電池運營充電荷電狀態值
，則判斷當前一體化直流充電樁上接入的電動公車的個數，若只接入一輛電動公車，則對該電動公車進行補電，直至取車運營；若有多輛電動公車同時接入，則比較同一一體化直流充電樁上所有電動公車的，按照ΔSOCi的大小由小到大排序，選擇ΔSOCi最小的電動公車開始補電，直至該電動公車的
時，即控制切換開關，依序對下一輛電動公交客車進行充電；
（5）當同一一體化直流充電樁上所有電動公車的均為0時，進行均衡充電。
所述均衡充電是指：當同一一體化直流充電樁上所有電動公車的均為0時，計算各個電動公車的當前電池充電剩餘荷電狀態
，計算公式如下：
對當前電池充電剩餘荷電狀態ΔQi按照自大到小的順序進行排序，選擇
最大的電動公車開始充電，充電時間為固定時間段Tinv，充電時間結束後按序對下一輛電動公交客車進行充電，，充電時間為固定時間段Tinv，以此類推，直至所有電動公車充電完畢。所述營運線路信息包括線路長度L和單日運營次數N；若電池運營充電荷電狀態值
，則不進行充電。
改善效果
《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》能夠在有限的時間內，用一個充電樁連線多個電動公交充電，提高充電站建設投資的經濟性；充電樁智慧型多充時考慮了公車特殊性，充電時以滿足當天運營為條件，不以電池充滿為條件，能夠在有限的充電時間中，保障各條公交線路的正常運營；充電後期的智慧型化均衡調度方法，能夠保證樁上充電的電動公車電池充電均衡，合理涓流充電，延長電池壽命。
附圖說明
圖1為《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》的電路框圖；
圖2為《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》的充電套用示意圖；
圖3為《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》中電動公交客車的人機互動流程圖；
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。
技術領域
《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》涉及電動公交客車的充電技術領域，尤其是一種用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法。
權利要求
1.一種用於電動公車的一體化直流充電樁，其特徵在於：包括人機互動單元和充電控制單元，二者之間通過串口進行信息互動，所述人機互動單元由第一微控制器MCU、通信連線埠模組、讀卡器、液晶顯示模組和按鍵輸入模組組成，第一微控制器MCU分別與通信連線埠模組、讀卡器雙向通訊，第一微控制器MCU的輸入端與按鍵輸入模組的輸出端相連，第一微控制器MCU的輸出端與液晶顯示模組的輸入端相連；所述充電控制單元包括第二微控制器MCU、模擬開關、AD採樣晶片、開關量驅動模組、繼電器、切換開關和充電槍接口，第二微控制器MCU的輸入端通過AD採樣晶片接模擬開關，第二微控制器MCU的第一輸出端通過開關量驅動模組接繼電器，第二微控制器MCU的第二輸出端通過切換開關接充電槍接口，充電槍接口與電動公車的充電槍頭連線。
2.根據權利要求1所述的用於電動公車的一體化直流充電樁，其特徵在於：所述第一微控制器MCU採用STM32F107VC晶片，其ETH口接通信連線埠模組，其UART口分別接讀卡器、液晶顯示模組、充電控制單元，其GPIO口接按鍵輸入模組。
3.根據權利要求1所述的用於電動公車的一體化直流充電樁，其特徵在於：所述第二微控制器MCU採用STM32F107VC晶片，其SPI口接AD採樣晶片的輸出端，AD採樣晶片的輸入端接用於檢測直流接觸器後端槍頭電壓、對地絕緣檢測、檢測充電槍電流、直流互感器對地絕緣監測、槍頭電阻檢測的模擬開關的輸出端；其AD口接槍連線確認模組；其IC口接存儲器；其CAN口分別接切換開關和電源模組，電源模組向充電槍接口供電；其GPIO口分別接模擬開關、開關量驅動模組和切換開關；其UART口接人機互動單元。
4.一種如權利要求1至3中任一種所述的用於電動公車的一體化直流充電樁的智慧型充電方法，該方法包括下列順序的步驟：
（1） 通過用戶刷卡以及在按鍵輸入模組上的輸入的信息，一體化直流充電樁獲取電動公車的營運線路信息，並根據當前時間計算出電動公車滿足當日後續運營里程所需的最小期望電池荷電狀態
；
（2） 電動公車接入一體化直流充電樁後，一體化直流充電樁通過充電槍與電動公車的BMS進行信息互動，獲取電動公車的當前荷電狀態SOCi、電池容量Qi信息；
（3） 一體化直流充電樁依據獲取的電動公車的當前電池荷電狀態
和電動公車的最小期望電池荷電狀態，計算出當前電動公交客車的電池運營充電荷電狀態值，其計算公式如下：
（4） 若電池運營充電荷電狀態值>0，則判斷當前一體化直流充電樁上接入的電動公車的個數，若只接入一輛電動公車，則對該電動公車進行補電，直至取車運營；若有多輛電動公車同時接入，則比較同一一體化直流充電樁上所有電動公車的，按照的大小由小到大排序，選擇ΔSOCi最小的電動公車開始補電，直至該電動公車的
時，即控制切換開關，依序對下一輛電動公交客車進行充電；
（5） 當同一一體化直流充電樁上所有電動公車的均為0時，進行均衡充電。
5.根據權利要求4所述的智慧型充電方法，其特徵在於：所述均衡充電是指：當同一一體化直流充電樁上所有電動公車的均為0時，計算各個電動公車的當前電池充電剩餘荷電狀態ΔQi，計算公式如下：
對當前電池充電剩餘荷電狀態ΔQi按照自大到小的順序進行排序，選擇最大的電動公車開始充電，充電時間為固定時間段Tinv，充電時間結束後按序對下一輛電動公交客車進行充電，充電時間為固定時間段Tinv，以此類推，直至所有電動公車充電完畢。
6.根據權利要求4所述的智慧型充電方法，其特徵在於：所述營運線路信息包括線路長度L和單日運營次數N；若電池運營充電荷電狀態值
，則不進行充電。
實施方式
如圖1、2所示，一種用於電動公車的一體化直流充電樁，包括人機互動單元和充電控制單元，二者之間通過串口進行信息互動，所述人機互動單元由第一微控制器MCU、通信連線埠模組、讀卡器、液晶顯示模組和按鍵輸入模組組成，第一微控制器MCU分別與通信連線埠模組、讀卡器雙向通訊，第一微控制器MCU的輸入端與按鍵輸入模組的輸出端相連，第一微控制器MCU的輸出端與液晶顯示模組的輸入端相連；所述充電控制單元包括第二微控制器MCU、模擬開關、AD採樣晶片、開關量驅動模組、繼電器、切換開關和充電槍接口，第二微控制器MCU的輸入端通過AD採樣晶片接模擬開關，第二微控制器MCU的第一輸出端通過開關量驅動模組接繼電器，第二微控制器MCU的第二輸出端通過切換開關接充電槍接口，充電槍接口與電動公車的充電槍頭連線。如圖2所示，充電樁的的充電槍頭個數為2個或者4個，電動公車可隨機選擇其中任意空閒槍頭插入充電。
如圖1所示，所述第一微控制器MCU採用STM32F107VC晶片，其ETH口接通信連線埠模組，其UART口分別接讀卡器、液晶顯示模組、充電控制單元，其GPIO口接按鍵輸入模組。所述第二微控制器MCU採用STM32F107VC晶片，其SPI口接AD採樣晶片的輸出端，AD採樣晶片的輸入端接用於檢測直流接觸器後端槍頭電壓、對地絕緣檢測、檢測充電槍電流、直流互感器對地絕緣監測、槍頭電阻檢測的模擬開關的輸出端；其AD口接槍連線確認模組；其IC口接存儲器；其CAN口分別接切換開關和電源模組，電源模組向充電槍接口供電；其GPIO口分別接模擬開關、開關量驅動模組和切換開關；其UART口接人機互動單元。
本方法包括下列順序的步驟：
（1）通過用戶刷卡以及在按鍵輸入模組上的輸入的信息，一體化直流充電樁獲取電動公車的營運線路信息，並根據當前時間計算出電動公車滿足當日後續運營里程所需的最小期望電池荷電狀態，如圖3所示；也即是說，通過本次充電所達到的最小期望電池荷電狀態，至少能夠保證電動公交客車當日剩餘時間的運營出行電量需求；
（2）如圖4所示，電動公車接入一體化直流充電樁後，一體化直流充電樁通過充電槍與電動公車的BMS進行信息互動，獲取電動公車的當前荷電狀態、電池容量Qi信息；當前電池荷電狀態的值在整個充電過程中是增加的，最小期望電池荷電狀態的值在整個充電過程中保持不變；
（3）一體化直流充電樁依據獲取的電動公車的當前電池荷電狀態和電動公車的最小期望電池荷電狀態，計算出當前電動公交客車的電池運營充電荷電狀態值，補電過程中隨著SOCi的增加ΔSOCi的值逐漸降低，其計算公式如下：
（4）若電池運營充電荷電狀態值>0，則判斷當前一體化直流充電樁上接入的電動公車的個數，若只接入一輛電動公車，則對該電動公車進行補電，直至取車運營；若有多輛電動公車同時接入，則比較同一一體化直流充電樁上所有電動公車的，按照的大小由小到大排序，選擇最小的電動公車開始補電，直至該電動公車的＝0時，即控制切換開關，依序對下一輛電動公交客車進行充電；
（5）當同一一體化直流充電樁上所有電動公車的均為0時，則說明其所接入的所有電動公車均達到了最小期望電池荷電狀態，基本保證了下一次出行的需求，此時進行均衡充電。所述營運線路信息包括線路長度L和單日運營次數N；若電池運營充電荷電狀態值<0，則不進行充電。
如圖5所示，所述均衡充電是指：當同一一體化直流充電樁上所有電動公車的均為0時，計算各個電動公車的當前電池充電剩餘荷電狀態ΔQi，計算公式如下： 
；
對當前電池充電剩餘荷電狀態ΔQi按照自大到小的順序進行排序，選擇ΔQi最大的電動公車開始充電，控制單元按照固定時間Tinv輪流循環充電，直到樁上連線的各車電池充滿或者設定的充電時間到。考慮電池壽命，各車輪流充電不能太頻繁，Tinv可依據實際情況配置。
以下結合圖1至5對《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》作進一步的說明。
充電控制單元主要實現樁上充電槍的管理和公交客車的BMS互動完成具體充電功能，人機互動單元主要實現人機互動，計費，通信功能。兩個控制單元之間通過串口進行信息互動，協作完成多槍的智慧型充電。
所述充電控制單元中第二微控制器MCU主要實現所接充電槍的監測和電動公車的充電控制，通過AD採樣晶片ADS1146，配合模擬開關實現直流充電樁各模擬量的採樣，包括槍頭電壓，樁體對地絕緣檢測，充電槍充電電流，直流互感器的絕緣監測，槍頭電阻檢測。充電控制單元通過實時監測這些模擬量的變化，達到充電條件時，通過與車輛BMS通信互動，控制電源模組對所選槍頭上連線的電動公車充電。多路槍頭通過切換開關共享第二微控制器MCU一路CAN模組，切換開關依據人機互動單元傳來的信息智慧型判斷當前充電槍頭。所述人機互動單元中按鍵輸入模組和讀卡器獲取的本次電動公交客車充電信息通過串口傳入第一微控制器MCU，經第一微控制器MCU整理後，將有效信息通過串口傳給充電控制單元。同時，人機互動單元通過該串口與充電控制單元實時互動信息，獲取具體充電數據，通過其通信連線埠模組實現充電樁的對外通信功能。
若當前樁上一槍正在充電過程中，後續電動公交客車接入充電，則充電樁循環檢查先接入電動公車的當前，無需等待其充滿，只要其充電狀態滿足當日接下來的運營需求即判接入的電動公交客車為零時，即控制切換開關，切換對新接入的電動公交客車進行充電。在時間一定的情況下，按順序最大化保障所接入的電動公車電量均能滿足當天運營。
若當前樁上同時接入多於兩輛電動公交客車時，則比較同一充電樁上所有電動公車的，按照ΔSOCi的大小順序由小到大安排各輛電動公車的充電，這樣保證在時間不充足的情況下，至少能夠滿足其中一輛公車接下來的當日運營需求，避免出現短時充電後兩輛均不能滿足後續運營的最差情況。
在充電樁運營前，應通過上位機將公交公司電動公車的信息通過人機互動單元的通信模組傳輸到人機互動單元，形成電動公交客車信息表，表中包含各公車編號、運營線路和當日運營次數N等信息。用戶刷卡後，人機互動單元的讀卡器，液晶顯示模組和按鍵輸入模組配合將採集到的待充電電動公車編號和選擇的充電槍號傳給第一微控制器MCU，第一微控制器MCU依據輸入信息結合當前時間信息和電動公車信息表計算出當前電動公交客車最小期望電池荷電狀態，流程如圖3所示。
人機互動單元通過串口將上述計算出的結果傳送到充電控制單元後，通過液晶顯示模組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公交客車後，充電控制單元的第二微控制器MCU通過與電動公交客車的BMS互動信息獲取當前電動公交客車的電池荷電狀態，並計算出電動公交客車電池運營充電荷電狀態值，若當前樁上未連線其他電動公交客車，則直接充電，若樁上已有車正在充電或多車同時接入，則從小到大排序，調度切換開關，優先給最小值的電動公交客車充電，保障在時間一定，充電樁充電電源功率一定的情況下，實現各電動公交客車均能滿足當天運營需求，避免已滿足最低運營需求的電動公交客車占用有限的時間和有限的充電功率，阻礙其他未滿足最低運營需求的公車充電，如圖4所示。
當各直流樁上各電動公交客車充電均滿足當天運營需求時，則值均為0，充電控制單元將重新安排充電計畫，計算出所接電動公交客車當前電池充電剩餘荷電狀態，按從大到小進行排序，在各公交客車滿足當天運營需求的情況下對缺電多的電動公交優先調度充電。考慮到電池充電的特性，特別是充電後期的涓流特性，控制單元按照固定時間Tinv輪流循環充電，直到樁上連線的各車電池充滿或者設定的充電時間到，在時間和功率有限的條件下，保障所接入的電動公交客車電池均能充電到合理的狀態，避免樁上各車充電不均衡，減少因長期不均衡充電給電池帶來的損害，延長電池使用壽命，如圖5所示。 綜上所述，《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》能夠在有限的時間內，用一個充電樁連線多個電動公交充電，提高充電站建設投資的經濟性；充電樁智慧型多充時考慮了公車特殊性，充電時以滿足當天運營為條件，不以電池充滿為條件，能夠在有限的充電時間中，保障各條公交線路的正常運營；充電後期的智慧型化均衡調度方法，能夠保證樁上充電的電動公車電池充電均衡，合理涓流充電，延長電池壽命。
榮譽表彰
2021年8月16日，《用於電動公車的一體化直流充電樁及其智慧型充電方法》獲得安徽省第八屆專利獎金獎。
