CN111169318A - 一种小功率电动汽车充供电终端及通信组网*** - Google Patents

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杨德慧
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张涛
林珍梅
黄明波
李睿君
高铭明
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Abstract

本发明公开了一种小功率电动汽车充供电终端及通信组网***，所述供电终端包括主干线回路和二次回路；所述主干线回路包括依次连接的电压输入模块、开关保护模块、单相电表和电压输出模块；所述二次回路包括控制电源模块、主控制模块、人机交互模块、刷卡模块和通讯模块；所述控制电源模块、所述人机交互模块、所述刷卡模块、所述通讯模块分别与所述主控制模块相连接，所述控制电源模块与所述开关保护模块相连接，所述主控制模块与所述单相电表相连接。所述小功率电动汽车充供电终端采用模块化设计，保证电动汽车的充电兼容性和计费服务的方便性，支持模块化的PLC电力载波组网以实现远程通信，为后台的统一管理提供有力条件。

Description

一种小功率电动汽车充供电终端及通信组网***
技术领域
本发明涉及电动汽车充电领域，尤其涉及一种小功率电动汽车充供电终端及通信组网***。
背景技术
市面上广泛使用的交流电动汽车充电桩，固定安装在电动汽车外，通过与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流电源。交流电动汽车充电桩作为提供电力输出的电流中转站，将单相电或者三相电引出来，连接车载充电机为电动汽车充电，并且后续的整流+DC/DC变换均由车载充电机完成。其功率较小且充电速度较慢，故一般安装在小区停车场等地。
目前，公知的新能源电动汽车充电装置除了上述的交流电动汽车充电桩，还有一种智能插座型的交流充电桩，这种类型的充电桩一般是提供插座接口，为电动汽车随车携带的充电器提供电源。但是这种智能插座型的交流充电桩也存在一些弊端：
(1)通过CP与PE之间的电压变化来开启/结束充电，但目前市场上电动汽车品牌众多且生产年限跨度较大，并不全是使用目前最新的国标接口，无法保证该交流充电桩适用于所有电动汽车；
(2)功能单一，计费需要额外加装电表，私人用户报装时涉及小区物业、电网公司、配电箱施工改造等多方面因素；
(3)部分交流充电桩无远程通信、远程控制功能，不能统一后台监控管理，在离线使用时存在被窃电却无法及时发现的风险；
(4)支持远程通信的交流充电桩均为单点通信，需要单独安装SIM卡或者光纤，在集中区域内安装多台时安装及通信成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种小功率电动汽车充供电终端及通信组网***，充电兼容性大幅度提高，且内置经国家法定计量检定机构检定合格的电能表，极大降低传统充电桩外装电表的复杂度，具备远程通信与远程控制功能，为后台***的统一管理提供便利。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种小功率电动汽车充供电终端，所述供电终端包括主干线回路和二次回路；
所述主干线回路包括依次连接的电压输入模块、开关保护模块、单相电表和电压输出模块；
所述二次回路包括控制电源模块、主控制模块、人机交互模块、刷卡模块和通讯模块；所述控制电源模块、所述人机交互模块、所述刷卡模块、所述通讯模块分别与所述主控制模块相连接，所述控制电源模块与所述开关保护模块相连接，所述主控制模块与所述单相电表相连接。
可选的，所述开关保护模块包括输入保护断路器和交流控制接触器，所述输入保护断路器与所述交流控制接触器相连接。
可选的，所述电压输入模块为220V交流电压源。
可选的，所述电压输出模块为国家标准16A充电插座。
可选的，所述控制电源模块包括AC-DC装置和DC-DC装置，所述AC-DC装置与所述DC-DC装置相连接，所述DC-DC装置包括型号为SY8113B的降压稳压器和型号为AMS1117-33的正向低压降稳压器。
可选的，所述主控制模块采用型号为STM32F103RC的主处理芯片。
另外，本发明实施例还提供一种小功率电动汽车充供电终端的通信组网***，所述***包括：电动汽车充电服务及监管平台、电网计量自动化服务器、能源双通道汇聚终端、配变终端、电动汽车充供电终端模块和能源采集模块；
所述能源双通道汇聚终端分别与所述电动汽车充电服务及监管平台、所述电网计量自动化服务器相连接；
所述配变终端基于RS485通讯总线与所述能源双通道汇聚终端相连接，用于将存储的变压器负荷情况发送至所述能源双通道汇聚终端；
所述能源采集模块、所述电动汽车充供电终端模块和所述能源双通道汇聚终端分别连接在PLC电力线上。
可选的，所述能源双通道汇聚终端包括终端本体、下行通讯模块和上行双通道通讯模块，所述上行双通道通讯模块包括4G外网和4G专网；
所述下行通讯模块用于实现与所述电动汽车充供电终端模块和所述能源采集模块的信息传输；
所述能源双通道汇聚终端基于所述4G外网与所述电动汽车充电服务及监管平台连接，以进行对所述电动汽车充供电终端模块的充电控制信息与断电控制信息的传输；
所述能源双通道汇聚终端基于所述4G专网与所述电网计量自动化服务器连接，以进行充电服务的计量电量、结算数据的传输。
可选的，所述电动汽车充供电终端模块包括第一小功率电动汽车充供电终端、第二小功率电动汽车充供电终端和第三小功率电动汽车充供电终端；
所述第一小功率电动汽车充供电终端、所述第二小功率电动汽车充供电终端和所述第三小功率电动汽车充供电终端分别通过内置的PLC通讯模块连接在所述PLC电力线上。
可选的，所述能源采集模块基于RS485通讯总线与总电表连接，用于采集所述电动汽车充供电终端模块的总用电量。
在本发明实施例中，小功率电动汽车充供电终端采用模块化设计，使用国家标准16A插座接口，大幅度提高电动汽车的充电兼容性，同时小功率电动汽车充供电终端支持刷卡充电和扫码充电，提高了充电方式的灵活性；在保证外观体积相对更小的情况下内置经国家法定计量检定机构检定合格的电能表，改变传统充电桩外装电表造成的空间占用量大以及涉及层面复杂的现状；小功率电动汽车充供电终端支持模块化的PLC电力载波组网，克服传统的交流充电桩单点通信的缺点，实现多个供电终端的数据集中后进行远程通讯与远程控制，与电网无缝连接，不仅解决部分无线信号问题且降低安装成本及通信成本；在组网***中，也将实时监测变压器的负荷情况，保证多个供电终端的最大输出功率在变压器可承受范围内，避免对变压器进行二次增容改造和重新敷设输电线路，并根据实际应用情况调整能源分配来保障用电安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种小功率电动汽车充供电终端的结构组成示意图；
图2是本发明实施例提供的主控制模块的电路原理图；
图3是本发明实施例提供的控制电源模块的电路原理图；
图4是本发明实施例提供的人机交互模块数据交互的电路原理图；
图5是本发明实施例提供的通讯模块的电路原理图；
图6是本发明实施例提供的小功率电动汽车充供电终端的通信组网***的结构组成示意图；
图7是本发明实施例提供的能源双通道汇聚终端的上行双通道通讯模块的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例中的一种小功率电动汽车充供电终端的结构组成示意图，所述供电终端包括主干线回路和二次回路；
所述主干线回路包括依次连接的电压输入模块、开关保护模块、单相电表和电压输出模块；
所述二次回路包括控制电源模块、主控制模块、人机交互模块、刷卡模块和通讯模块；所述控制电源模块、所述人机交互模块、所述刷卡模块、所述通讯模块分别与所述主控制模块相连接，所述控制电源模块与所述开关保护模块相连接，所述主控制模块与所述单相电表相连接。
其中，所述电压输入模块为220V交流电压源，所述电压输出模块为国家标准16A充电插座，所述开关保护模块包括输入保护断路器和交流控制接触器，所述输入保护断路器与所述交流控制接触器相连接。所述输入保护断路器采用具有过载、短路、漏电自动断开保护功能的空气断路器作为主干线回路的上级开关，选择额定电流125％(20A)的电流，以保证在出现一般过流故障时不会断开，在正常工作中可实现防雷防浪涌功能，剩余的30mA电流提供整个回路的用电安全。
优选地，所述供电终端中内置的所述单相电表采用居民用户普遍使用的单相电子式载波多费率电能表，用于计量电量时，其计量精度高、功耗小且具有载波通讯功能，另外可进行强制检定以实现量值溯源的功能。在本发明中，在防窃电功能的设计上，所述单相电表可以检测输出端的电流/电压/功率来判定电动汽车随车携带的充电器插头是否被拔出，并配合控制程序实现被拔出后立即切断电源，避免充电中被换充电插头窃电的风险。除了所述单相电表可进行检测，在所述单相电表和所述充电插座的串联线路上还加装电流互感器进行双重检测以及继电器进行线路断电操作，切断绕越计量装置窃电的风险。
针对所述二次回路中各模块的设计，根据图2至图5进行详细阐述。
图2示出了本发明实施例中的主控制模块的电路原理图，所述主控制模块采用型号为STM32F103RC的主处理芯片，负责整个充电控制***的信息交互和控制，根据单相电表的电量信息、人机交互信息、远程通信、报警信号等信息，判断并控制所述交流控制接触器是否启动/结束充电，并将相应的数据信息远程发送至后台控制***。
在所述主控制模块中，设置有4个开关量输出控制点，根据这些开关量的状态控制相应的操作，用于状态检测、控制和报警功能。控制信号包括：接触器控制开启/结束充电信号、输出导引信号、告警信号触发的断电信号、窃电信号触发的断电信号。
需要说明的是，所述主控制模块将电动汽车的充电信息发送至后台控制***前，将主动分析当前通信网络信号的强弱状态，当通信网络信号强时，将所述充电信息通过所述通讯模块发送至后台控制***，当通信网络信号弱时，所述主控制模块对所述充电信息进行暂存，等待通信网络信号恢复后再发送，保证所述充电信息在传输过程中不丢失。
图3示出了本发明实施例中的控制电源模块的电路原理图，所述控制电源模块包括AC-DC装置和DC-DC装置，所述AC-DC装置与所述DC-DC装置相连接，所述DC-DC装置包括型号为SY8113B的降压稳压器和型号为AMS1117-33的正向低压降稳压器。
具体的，所述控制电源模块的一端连接在主干线回路上，另一端连接在所述主控制模块，根据二次回路中各部分的电源需求，进行相应的电压转换。其中，所述AC-DC装置将交流电转换成12V稳定输出，所述DC-DC装置中的型号为SY8113B的降压稳压器实现12V转5V的电平输出，用以所述主控制模块的供电需要；所述DC-DC装置中的型号为AMS1117-33的正向低压降稳压器实现5V转3.3V的电平输出，用以所述刷卡模块的供电需要。
在本发明实施例中，所述人机交互模块包括界面显示装置、屏幕唤醒按钮和状态指示电路。其中，所述界面显示装置采用4.3寸的液晶屏显示界面，所述液晶屏显示界面由开机界面、待充电界面、充电工作界面和充电完成界面这四个界面组成，根据与所述主控制模块的数据交互，控制所述四个界面间的切换显示，方便用户对充电过程的直观可视化；所述屏幕唤醒按钮作为辅助设计，无人使用时所述液晶屏以50％的亮度显示，当待充电用户需要进行充电时按下所述屏幕唤醒按钮，使得所述液晶屏以100％的亮度显示，方便用户进行充电操作，同时有效延长所述液晶屏的使用寿命；所述状态指示电路包括红、绿、蓝三种颜色的LED灯，其输入端由所述主控制模块的开关量输出控制点直接驱动控制，输出状态分别为：红灯闪烁表示充电告警，绿灯闪烁表示充电过程中，蓝灯常亮表示电源通电(可充电状态)，方便用户更直观地看出电动汽车的当前充电状态。
需要说明的是，所述人机交互模块和所述刷卡模块均通过RS232串口与所述主控制模块进行单独的数据交互，具体电路原理图如图4所示。
图5示出了本发明实施例中的通讯模块的电路原理图，所述通讯模块包括PLC载波通讯装置、以太网通讯装置(FE)和无线通讯装置(2G/4G)，各通讯装置通过串口与所述主控制模块连接。通讯方式的多样化将满足不同应用场景下的使用需求，以保证小功率电动汽车充供电终端的自身信号采集与控制以及联网通讯，避免造成通讯线路堵塞而引起的各类传输数据丢失。
本发明实施过程中，当电动汽车通过随车携带的充电器连接所述国家标准16A充电插座后，用户通过所述人机交互模块启动充电命令，将特定的充电卡放置在所述刷卡模块的感应区，所述二次回路作为控制充电回路，所述主控制模块通过对所述刷卡模块的读取信息进行电网载荷信息分析处理后，生成充电指令发送至所述交流控制接触器以启动充电；所述主干线回路作为交流充电主回路，当220V交流电由4平方线缆流经所述空气断路器后，基于所述交流控制接触器接收的充电指令开始向所述国家标准16A充电插座供电，电动汽车则进入充电状态。充电的同时，串联在所述交流控制接触器和所述充电插座之间的线路上的所述单相电表开始计量电量，并将计量信息实时传输至所述主控制模块进行处理，直至所述主控制模块判断电动汽车的电池电量充满后，下发断电指令控制所述交流控制接触器停止充电。充电完毕后，所述主控制模块将此次充电信息进行打包处理，通过所述通讯模块发送至后台控制***。
基于本发明实施例所涉及的小功率电动汽车充供电终端，图6对所述小功率电动汽车充供电终端的通信组网***进行详细阐述。
图6示出了本发明实施例中的小功率电动汽车充供电终端的通讯组网***的结构组成示意图，所述***包括：电动汽车充电服务及监管平台、电网计量自动化服务器、能源双通道汇聚终端、配变终端、电动汽车充供电终端模块和能源采集模块；
所述能源双通道汇聚终端分别与所述电动汽车充电服务及监管平台、所述电网计量自动化服务器相连接；
所述配变终端基于RS485通讯总线与所述能源双通道汇聚终端相连接，所述能源采集模块、所述电动汽车充供电终端模块和所述能源双通道汇聚终端分别连接在PLC电力线上。
其中，所述能源双通道汇聚终端包括终端本体、下行通讯模块和上行双通道通讯模块，所述上行双通道通讯模块包括4G外网和4G专网；所述电动汽车充供电终端模块包括第一小功率电动汽车充供电终端、第二小功率电动汽车充供电终端和第三小功率电动汽车充供电终端，所述第一小功率电动汽车充供电终端、所述第二小功率电动汽车充供电终端和所述第三小功率电动汽车充供电终端分别通过内置的PLC通讯模块连接在所述PLC电力线上；所述能源采集模块基于RS485通讯总线与总电表连接。
需要说明的是，所述电动汽车充供电终端模块中所包含的小功率电动汽车充供电终端的数量视实际区域分布情况而定，在本发明实施例中仅列举三个进行说明。另外，小功率电动汽车充供电终端可应用在居民用户的私家车位上，也可应用于公共运营范围。
在本发明实施例中，所述下行通讯模块通过PLC实现与所述电动汽车充供电终端模块和所述能源采集模块的信息传输；所述能源双通道汇聚终端基于所述4G外网与所述电动汽车充电服务及监管平台连接，以进行所述电动汽车充供电终端模块的充电控制信息与断电控制信息的传输，所述断电控制信息针对的是：1)正常充电情况下车主通过小程序或者刷卡发送断电指令后，可以进行断电控制信息的传输；2)当变压器负荷超过监管平台中所设置的阈值时自动切断所述电动汽车充供电终端模块的电源，优先保证居民的家庭用电。所述能源双通道汇聚终端基于所述4G专网与所述电网计量自动化服务器连接，以进行充电服务的计量电量、结算数据的传输；所述配变终端用于将存储的变压器负荷情况发送至所述能源双通道汇聚终端，以进行变压器负荷数据的更新；所述能源采集模块用于采集公共运营范围内的所述电动汽车充供电终端模块的总用电量。
本发明实施过程中，当所述电动汽车充供电终端模块中的多个小功率电动汽车充供电终端同时给电动汽车进行充电时，各小功率电动汽车充供电终端中的主控制模块将充电控制信息及计量电量、结算数据分别通过PLC模块传送至PLC电力线上，所述能源双通道汇聚终端的终端本体基于所述PLC电力线获取对应的充电控制信息及计量电量、结算数据后进行分类，再通过所述4G外网接口将充电控制信息发送至所述电动汽车充电服务及监管平台进行数据存储，通过所述4G专网接口将计量电量、结算数据发送至所述电网计量自动化服务器进行数据处理。同时，所述能源双通道汇聚终端的终端本体将读取所述配变终端的变压器负荷数据并发送至所述电动汽车充电服务及监管平台进行分析，所述电动汽车充电服务及监管平台根据设置的阈值判断此时的变压器负荷数据是否超出可控范围，并实时调整能源分配，确保片区的居民家庭用电有保障，保证变压器不出现超负荷工作，避免引起安全事故。
需要说明的是，所述能源双通道汇聚终端采用上行双通道通讯模块，支持4G外网和4G专网双卡拔插功能，将控制两个数据传输通道之间互相独立不干扰，保证传输数据的完整性。本发明实施例中的所述能源双通道汇聚终端中的上行双通道通讯模块的电路原理图如图7所示。
另外，若出现用户在完成充电后未作结算，所述电动汽车充电服务及监管平台将记录该用户的充电卡信息，等待该用户再次使用所述电动汽车充供电终端模块中的其它小功率电动汽车充供电终端时，强制要求先行结算上一次充电费用后才可进入正常充电操作，避免造成经济损失。
在本发明实施例中，小功率电动汽车充供电终端采用模块化设计，使用国家标准16A插座接口，大幅度提高电动汽车的充电兼容性；在保证外观体积相对更小的情况下内置经国家法定计量检定机构检定合格的电能表，改变传统充电桩外装电表造成的空间占用量大以及涉及层面复杂的现状；小功率电动汽车充供电终端支持模块化的PLC电力载波组网，克服传统的交流充电桩单点通信的缺点，实现多个供电终端的数据集中后进行远程通讯与远程控制，与电网无缝连接，不仅解决部分无线信号问题且降低通信和安装成本；在组网***中，也将实时监测变压器的负荷情况，保证多个供电终端的最大输出功率在变压器可承受范围内，避免对变压器进行二次增容改造和重新敷设输电线路，并根据实际应用情况调整能源分配来保障用电安全。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种小功率电动汽车充供电终端及通信组网***进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种小功率电动汽车充供电终端，其特征在于，所述供电终端包括主干线回路和二次回路；
所述主干线回路包括依次连接的电压输入模块、开关保护模块、单相电表和电压输出模块；
所述二次回路包括控制电源模块、主控制模块、人机交互模块、刷卡模块和通讯模块；所述控制电源模块、所述人机交互模块、所述刷卡模块、所述通讯模块分别与所述主控制模块相连接，所述控制电源模块与所述开关保护模块相连接，所述主控制模块与所述单相电表相连接。
2.根据权利要求1所述的小功率电动汽车充供电终端，其特征在于，所述开关保护模块包括输入保护断路器和交流控制接触器，所述输入保护断路器与所述交流控制接触器相连接。
3.根据权利要求1所述的小功率电动汽车充供电终端，其特征在于，所述电压输入模块为220V交流电压源。
4.根据权利要求1所述的小功率电动汽车充供电终端，其特征在于，所述电压输出模块为国家标准16A充电插座。
5.根据权利要求1所述的小功率电动汽车充供电终端，其特征在于，所述控制电源模块包括AC-DC装置和DC-DC装置，所述AC-DC装置与所述DC-DC装置相连接，所述DC-DC装置包括型号为SY8113B的降压稳压器和型号为AMS1117-33的正向低压降稳压器。
6.根据权利要求1所述的小功率电动汽车充供电终端，其特征在于，所述主控制模块采用型号为STM32F103RC的主处理芯片。
7.一种小功率电动汽车充供电终端的通信组网***，其特征在于，所述***包括：电动汽车充电服务及监管平台、电网计量自动化服务器、能源双通道汇聚终端、配变终端、电动汽车充供电终端模块和能源采集模块；
所述能源双通道汇聚终端分别与所述电动汽车充电服务及监管平台、所述电网计量自动化服务器相连接；
所述配变终端基于RS485通讯总线与所述能源双通道汇聚终端相连接，用于将存储的变压器负荷情况发送至所述能源双通道汇聚终端；
所述能源采集模块、所述电动汽车充供电终端模块和所述能源双通道汇聚终端分别连接在PLC电力线上。
8.根据权利要求7所述的小功率电动汽车充供电终端的通信组网***，其特征在于，所述能源双通道汇聚终端包括终端本体、下行通讯模块和上行双通道通讯模块，所述上行双通道通讯模块包括4G外网和4G专网；
所述下行通讯模块用于实现与所述电动汽车充供电终端模块和所述能源采集模块的信息传输；
所述能源双通道汇聚终端基于所述4G外网与所述电动汽车充电服务及监管平台连接，以进行对所述电动汽车充供电终端模块的充电控制信息与断电控制信息的传输；
所述能源双通道汇聚终端基于所述4G专网与所述电网计量自动化服务器连接，以进行充电服务的计量电量、结算数据的传输。
9.根据权利要求7所述的小功率电动汽车充供电终端的通信组网***，其特征在于，所述电动汽车充供电终端模块包括第一小功率电动汽车充供电终端、第二小功率电动汽车充供电终端和第三小功率电动汽车充供电终端；
所述第一小功率电动汽车充供电终端、所述第二小功率电动汽车充供电终端和所述第三小功率电动汽车充供电终端分别通过内置的PLC通讯模块连接在所述PLC电力线上。
10.根据权利要求7所述的小功率电动汽车充供电终端的通信组网***，其特征在于，所述能源采集模块基于RS485通讯总线与总电表连接，用于采集所述电动汽车充供电终端模块的总用电量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112200975A (zh) * 2020-09-23 2021-01-08 徐文 一种受控智能插座***
CN112526207A (zh) * 2020-12-10 2021-03-19 云南电网有限责任公司 一种共享用电计量装置及防窃电方法

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