一種充電樁有序充電管理系統及解決方案

趙 隆，孫浩然

(內蒙古自治區電子研究所有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

隨著能源的緊缺及環境保護的需要，電動汽車得到了廣泛的推廣和應用，以降低燃油車輛對能源的消耗以及減少尾氣排放對環境的影響。隨著電動汽車數量的逐漸增加，需要越來越多的充電樁來滿足電動汽車的充電需求。雖然充電樁數量的增加可以緩解緊張的充電需求，但是大規模的無序充電樁充電會對配電安全穩定運行帶來挑戰，同時充電樁無序充電，對變壓器裝機容量要求大且利用率較低。為此，筆者提出一種充電樁有序充電管理系統及方法。

1 充電樁充電方式

充電樁是為電動汽車提供電池充電的專用裝置，由專業的運營商提供，用戶使用手機等移動設備，按需購買充電服務，并支付費用。充電樁為自動化較高的設備，長期處于無人值守中，為了提供便利的充電服務。主要安裝在辦公樓、商場、醫院、賓館等大型公共建筑和公共停車場、住宅停車場或充電站。通過充電槍，為各類電動汽車提供不同電壓等級的充電服務。充電樁的輸入端與電網直接連接，充電樁按照接口類型分為交流和直流，充電樁的輸出端連接電動汽車進行充電。

1.1 慢充

慢充是交流充電樁通過交流方式進行充電。主要由電動汽車內部的充電機將交流電轉換成直流電，然后由充電機給電動汽車電池充電。充電功率的大小被電動汽車內部充電機所限制，一般電動汽車充電機功率較小，所以交流充電樁給電動汽車充電慢，稱為慢充。

1.2 快充

快充是直流充電樁通過充電模塊，由充電樁直接將交流電轉換成直流，給電動汽車電池充電。直流充電樁的充電功率和電動汽車充電機功率沒有關系，直流充電樁的充電功率由電池管理系統和充電樁本身輸出功率有關，一般直流充電樁都是大功率，所以充電時間快，稱為快充。

2 充電樁有序充電管理系統

大量的電動汽車充電樁接入電網后，會對電網產生很大的影響。當所有電動汽車充電設施都集中充電時，可能導致電網容量不足。筆者研制的充電樁有序充電管理系統的通信接口利用CAN透傳模塊的通信方式來獲取當前電網用電總功率數據；根據當前電網用電總功率數據，判斷是否需要降功率；若是，則依次向安裝在各個充電樁上的充電協議轉接控制器發送降功率信號，所述充電協議轉接控制器的CAN透傳模塊根據所述降功率信號控制相應的所述充電樁降低輸出功率。

通過設置電網功率管理控制器以及在每個充電樁上安裝充電協議轉接控制器，并將電網功率管理控制器通過控制器通信模塊與每個充電協議轉接控制器相連接，當判斷當前電網用電總功率達到或者超過預先設定的降功率臨界值時，能夠有序控制各充電樁降功率充電，從而在一定程度上緩解當前電網的供電壓力。

定點定范圍的功率控制可以防止當前出現的充電導致主變壓器負荷風險問題。充電樁增加直接威脅傳統供電變壓器，需要探索功率統一管控的技術手段，也要協調社會認同逐步建立管控規則。本系統可以搭建管控硬件，為探索控制規則初步建立開發管理系統。

3 有序充電管理系統具體實施方式

本系統目的在于為內蒙古自治區政府提供一個小型充電樁管理操作平臺，屬于公共管理領域的一次全新探索。

筆者研制了一種充電樁有序充電管理系統，防止大量用戶同時集中充電，導致總閘斷電。該系統包括一個電網功率管理控制器和多個用于為電動汽車充電的充電樁；每個所述充電樁上安裝有一個充電協議轉接控制器。

如圖1所示，電網功率管理控制器包括第一MCU模塊和RS485模塊；總閘上安裝有數字電表，該電表用于監控總變壓器的用電功率，即當前電網用電總功率；所述RS485模塊與電表相連接，配置用于從電表采集當前電網用電總功率數據，并將當前電網用電總功率數據發送給所述第一MCU模塊；所述第一MCU模塊，配置用于根據接收到的當前電網用電總功率數據，判斷是否需要降功率，若是則向所述充電協議轉接控制器發送降功率信號。

圖1 電網功率管理控制器

具體地，第一MCU模塊內預設有最大功率值以及臨界百分比，一般來說，最大功率值視不同的應用場景的用電情況而設定，臨界百分比一般設定為70%；第一MCU模塊計算最大功率值與臨界百分比的乘積，得到降功率臨界值，并將該降功率臨界值與獲取的當前電網用電總功率進行比較，若當前電網用電總功率小于降功率臨界值，則說明不需要降功率，各個充電樁仍然按照當前的功率對電動汽車進行充電；若當前電網用電總功率大于或等于降功率臨界值，說明需要降功率，則第一MCU模塊根據各個充電樁開始充電工作的先后順序依次有序地向與各個充電樁相連接的所述充電協議轉接控制器發送降功率信號。此降功率信號包含降功率數值或者降功率百分比，具體是降功率數值還是降功率百分比視工作人員的設置而定，一般的降功率數值設置為1kW，降功率百分比設置為5%，即當降功率信號包含的為1kW降功率數值時，意味著每個充電樁的輸出功率在當前基礎上降低1kW；當降功率信號包含的為5%的降功率百分比時，意味著每個充電樁的輸出功率降低為當前功率值的95%。

所述充電協議轉接控制器安裝在充電樁座上，包括第二MCU模塊和CAN透傳模塊；所述第一MCU模塊和所述第二MCU模塊通過控制器通信模塊通信連接；所述第二MCU模塊，配置用于接收所述第一MCU模塊發送的降功率信號，并將降功率信號發送給所述CAN透傳模塊；所述CAN透傳模塊，配置用于根據接收到的降功率信號控制相應的所述充電樁降低輸出功率。

具體地，CAN透傳模塊負責透傳充電樁以及電動汽車之間的通信報文，當CAN透傳模塊接收到降功率信號時，截斷電動汽車發送給充電樁的電池充電需求報文(BCL)，根據接收到的降功率信號所包含的降功率數值或降功率百分比，修改電動汽車電池充電需求報文，再將修改后的報文發送至充電樁，從而達到降低充電樁輸出功率的目的。

在安裝充電樁時，會為每個充電樁進行編號，當某一充電樁上接入電動汽車時，安裝在該充電樁座上的充電協議轉接控制器將該充電樁的編號信息發送至電網功率管理控制器的第一MCU模塊，第一MCU模塊根據接收到的編號信息將開始充電工作的充電樁按順序依次存儲，從而當需要降功率時，第一MCU模塊再按照存儲順序依次有序地向各個編號信息所對應的充電樁的充電協議轉接控制器發送降功率信號，即先接入電動汽車開始充電工作的充電樁先降功率充電，確保各充電樁有序降功率充電，從而在一定程度上緩解當前電網的供電壓力。

4 結束語

充電樁有序充電管理系統解決現有充電樁企業各自為戰狀態，提供方便免費公共經營平臺。方便所有充電樁企業對接，促進分散用戶安裝，極大壓縮產業資本介入成本。預計可增加3～4倍的充電樁安裝量極大推進新能源汽車產業。由電動汽車進一步帶動內蒙古自治區的能源生產產業，對加快新能源汽車的發展具有十分重要的意義。