智能電動車充電樁及其充電方法與流程

2023-06-24 13:18:26

本發明涉及一種電動車進行智能充電的設備與方法，尤其是智能電動車充電樁及其充電方法。

背景技術：

現有市面上的電動車充電樁(以下簡稱「充電樁」)，一般現有技術中均採用快充技術的充電樁，所謂快充技術，就是使用高電壓以及大電流(遠大於被充電單車額定充電電壓和電流)的直流電充電技術，其內部充電主控單元集成大功率直流變壓器，充電時不使用電動車標配的充電器，且內置大功率變壓器必然會在使用過程中產生大量熱量，出於安全和成本的考慮，每一個快充充電樁一般只能同時提供兩路直流輸出。這種充電樁由於收益較高、無需功能設置、易維護等因素主要存在於路邊小店。從理論上來講，使用高壓大電流充電必然會比使用標配充電器在單位時間內對蓄電池充入更多電能。但是由於用戶電動車所配備的蓄電池(主要是鉛酸電池)實際上是不支持這種所謂的快速充電方式的，且長期使用會對蓄電池造成不可逆的損傷，極大地降低使用壽命。快充充電樁的初衷是為了解決用戶應急或未攜帶標配充電器等情況的，並不能作為經常性的充電手段。實際測試顯示，一輛具備一組狀態良好的鉛酸蓄電池的電動車首次使用快充充電十分鐘，所得到的電量大約能行駛3～5公裡，多次使用後，所能行駛的距離逐漸下降，最終只有大約1公裡左右，而且電池出現失水快、鼓包、變形、容量下降，甚至出現無法啟動、無法充電的情況。有用戶由於工作需要，經常應急快充，當行駛距離大幅下降後，只能採用累加快充時間的方式，例如不間斷地充五個十分鐘或更多，寄希望於能行駛需要的距離，但效果卻並不理想，而且加速了電池受損的速度和程度，最終只能提前更換蓄電池，如此惡性循環。

快充充電樁最大的隱患來自於它本身的設計，其內部集成了兩個大功率直流變壓器，充電時產生了大量熱量，且有很多小店經營者為了應付市容稽查，就將設備放在店內，靠加裝延長線供店外用戶使用。這種將主機放在不通風的室內的情況非常危險，尤其是在夏天，本身就是電動車出行的高峰季節，快充充電樁經常兩路同時工作，產生的大量熱量無法及時排出，加上天氣高溫，極易引發火災，造成人身及財產損失。

因此，基於上述存在的問題人們研究出了一種慢充的充電樁，其具體慢充技術的充電樁結構和方式為：提供給用戶一個標準的220v左右的交流電插座，連接電動車蓄電池標配的充電器，按照額定方式正常充電。內部充電主控單元一般可同時輸出10路到20路交流電，每路可獨立工作且有電子顯示屏顯示充電剩餘分鐘數，用戶通過實體按鈕控制每路輸出；每路輸出具備停電記憶(記憶停電時剩餘多少充電時長，來電自動繼續工作)過載保護等功能；主板上具有設置查詢按鈕，可設置金額與充電時長的關係比例、查詢收到金額；這種慢充由於是輸出交流電，用戶必須自備充電器，蓄電池在標準狀態下充電，有利於保證使用壽命，但是充電時間較長，從極少電量到充滿一般需要6～8小時，無法滿足應急情況，而且慢充充電樁從原理上來說只是在電路上簡單加裝了開關控制器，並沒有其他裝置，在通電時，這個插座和普通的家用插座沒有區別，理論上可以接入任何用電設備。於是就有用戶不按規範，任意接入其他設備或擅自改裝接入方式，例如：接入可使用普通插座的所謂微型老年代步汽車，在充電樁插座上外接擴展插座板，支付一筆費用，同時給多輛電動車充電，這些做法不但極不安全，並且如不制止，其他用戶也會效仿，更加增加了運營成本，盈利艱難。

而且從用戶支付方式來看，快充充電樁基本都是投幣式，慢充充電樁絕大部分都安裝有硬幣器或非接觸式讀卡器或兩者都有。硬幣器和讀卡器一般普遍採用rs232或rs485通訊接口與充電主控單元相連，用以控制每一路的電流輸出。硬幣器的使用部分解決了用戶使用現金支付充電費用的需求，但是由於識別假幣主要靠稱重，難免會有收到假幣的情況，且需要定期收取，維護不便；而使用讀卡器必須先辦理實物充值卡，充值卡內金額也需要定期充值，且難以在其他充電樁通用(每個充電樁運營商都有不同的充值卡)，充電時必須隨身攜帶，對使用電動車出行的用戶造成極大不便，同時當慢充的充電設備鋪設在公共場所時，由於充電時間較長且無人值守，就必須考慮用戶設備的安全問題。

因此，有鑑於常見的先前技術有上述缺點，發明人針對前述缺點研究改進之道，終於有本發明的產生。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述技術的不足而設計的一種提高使用效果和壽命的智能電動車充電樁及其充電方法。

本發明所設計的智能電動車充電樁，其具體包括：

一個交流電輸入模塊；

一個容納艙，且容納艙通過多塊隔板分割形成有用於放置電動車的充電空間多個，各充電空間內均固定有用於放置用戶充電器的一存放艙，各存放艙內固定有與用戶充電器的插頭連接的充電插座；

容納艙上安裝有對電動車蓄電池進行慢充控制的充電主控單元，充電主控單元上連接有變壓器、通信模塊、計量模塊多個和電子鎖控制器多個，變壓器與交流電輸入模塊連接，且各計量模塊的交流電輸出端分別與各充電插座電連接；

各充電空間的開口處和存放艙的開口處分別鉸接有可開啟的艙門，且艙門上設有電子鎖，且電子鎖控制器的信號輸出端與電子鎖連接。

進一步優選，存放艙上設有散熱孔若干。

進一步優選，存放艙的底面設有用於僅可穿出用戶充電器的輸出端插頭的通孔。

進一步優選，電子鎖採用電磁式電子鎖或機械式電子鎖。

進一步優選，充電主控單元上還設有用於連接現場應急維護模塊的擴展接口。

根據上述提供的智能電動車充電樁，其具體充電方法包括步驟如下：

a、根據設備的通信模塊進行申請接入雲端後臺的信息，並自動生成一個包含設備id等信息的二維碼及相應編號；

b、用戶利用手持終端掃描設備唯一二維碼或輸入與二維碼對應的編號而得到設備狀態信息進行預充電操作，通過預充電操作完成其對應選擇的充電空間的艙門電子鎖和存放艙的艙門電子鎖開啟和關閉；

c、根據設備設定的時限判定用戶是否接入電動車的充電設備，具體判定後的操作運行步驟具有以下兩個；

1)當用戶在設定的時限內接入充電設備，即判定完成預充電操作，並通過充電主控單元向交流電輸出發出通電指令，開始充電；同時，串聯在電網和充電插座之間的線路上的計量模塊進行充電的計時和計量，並將計量信息傳輸給充電主控單元，同時充電主控單元向電子鎖控制器發送鎖住電子鎖的指令，使得充電空間的艙門和存放艙的艙門電子鎖被鎖住的關閉狀態；

2)當用戶在設定的時限內未接入充電設備，即判定未完成預充電操作，並通過充電主控單元向交流輸出模塊發出切斷當前一路的交流電輸出的指令，同時充電主控單元不向電子鎖控制器發送鎖住電子鎖的指令，使得充電空間的艙門和存放艙的艙門處於持續開啟狀態；

d、當電動車的電池充電參數達到預充電操作所設置的充電時限或充電容量後，通過充電主控單元按照設定立即切斷當前一路的交流電輸出並通過通信模塊上報雲端後臺，顯示正常充電結束，並在設定的等待時限內通過手持終端向充電主控單元發送打開電子鎖指令，具體操作運行步驟具有以下兩個；

1)當在設定的等待時限內充電主控單元未接收到手持終端所發送的打開電子鎖的指令，則開始通過雲端後臺的設定進行計時，並根據未向充電主控單元發送打開電子鎖指令的時長進行自動實時計算充電設備和電動車的保管費用，同時電子鎖持續處於關閉狀態；

2)當在設定的等待時限內充電主控單元接收到手持終端所發送的打開電子鎖的指令，則充電主控單元立即向電子鎖發送指令進行開啟電子鎖。

e、利用計量模塊測得的充電時間和消耗的充電電能進行判定充電插座是否與大功率設備連接進行充電。

進一步優選，還包括正常充電結束後可根據充電主控單元設定的設定時限內進行免費申請延期打開電子鎖，超過設定時限則視為用戶放棄免費申請延期。

進一步優選，預充電操作包括充電時間的選擇和是否支付費用。

進一步優選，還包括在不使用充電樁設備的情況下充電空間的艙門和存放艙的艙門通過電子鎖進行鎖住，並始終處於關閉狀態。

進一步優選，還包括通過計量模塊實時監測電流大小的方式進行判定是否有充電設備的接入，而進行充電未使用的斷電保護操作運行，其具體的操作運行步驟包括如下：

通過計量模塊實時監測電流大小的方式進行判定是否有充電設備的接入，而進行充電未使用斷電保護的具體運行步驟如下：當計量模塊實時監測的電流低於或高於0.1a的數值時，計量模塊立即發送信號到充電主控單元，再經通信模塊發送到系統雲端後臺，而後臺在設定時限內未收到充電電流高於0.1a的信號時，則立即下發斷電指令到通信模塊，再到充電主控單元，充電主控單元立即切斷這一路交流電輸出。

本發明所設計的智能電動車充電樁及其充電方法的有益效果：

1)外部無實體按鈕，極大降低了由於操作所產生的機械故障率。

2)由於採用了慢充的設計，智能充電樁內部無大功率直流變壓器，工作中不會產生大量熱量，利於提高設備安全性和穩定性；

3)充電主控單元預留了用於連接現場應急維護使用的模塊的擴展接口，可滿足不同經營者的功能需求且維護方便；

4)每一路充電輸出都集成了功耗計量模塊，不但可監測輸出電流電壓還可杜絕用戶接入超大功率用電設備而造成的電費超出成本且及不安全的極端情況；

5)智能充電樁在設計之初就充分考慮了安全性問題，充電插座安裝在艙內，任何時候艙門一般都處於關閉狀態且閒置時插座無電流輸出，確保了兒童等人在不使用充電服務時無法直接接觸到。充電時，充電器放在艙室內，如果是在雨天，不用擔心會被雨水濺溼而造成短路失火，而在晴天避免太陽直射且有豐富的散熱孔保證熱量排出，即使用戶使用了劣質充電器或充電器自身故障而引起自燃，也不必過分擔心，因為充電器存放艙安裝在相對獨立的位置，鋼製的充電器存放艙會把火勢控制在艙室內，無法蔓延；

6)充電器存放艙不但可以確保防火安全，也兼顧了用戶的設備財產安全。艙門上和充電位的欄杆上都安裝了電子鎖。電子鎖只有在用戶確認支付服務費用後才可開啟，這樣就保證了充電位始終為有充電需求的用戶預留。當用戶充電結束後，如果用戶沒有按照約定及時取走充電器和電動車，系統將收取用戶設備保管費，用戶支付後，才可打開電子鎖取走設備。

7)用戶準備充電時無需準備硬幣，省去了零錢兌換的問題，所有操作全部在移動端app內完成，只要擁有智慧型手機就可以在任何一個安裝有智能充電樁的地方享受充電服務；

8)智能充電樁由於功能強大、管理維護方便，具有低能耗、綠色環保、安全可靠等特性，可作為便民工程的一部分，在公共場所廣泛架設，保障使用電動車用戶的出行效率。

附圖說明

圖1是實施例1的整體結構立體圖；

圖2是實施例1的控制系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

實施例1：

如圖1所示，本實施例所描述的智能電動車充電樁，其具體包括：

一個交流電輸入模塊10；

一個容納艙1，且容納艙1通過多塊隔板2分割形成有用於放置電動車的充電空間3多個，各充電空間3內均固定有用於放置用戶充電器的一存放艙5，各存放艙5內固定有與用戶充電器的插頭連接的充電插座7；

容納艙1上安裝有對電動車蓄電池進行慢充控制的充電主控單元8，充電主控單元8上連接有變壓器9、通信模塊11、計量模塊12多個和電子鎖控制13器多個，變壓器9與交流電輸入模塊10連接，且各計量模塊12的交流電輸出端分別與各充電插座7電連接；

各充電空間3的開口處和存放艙5的開口處分別鉸接有可開啟的艙門4，且艙門4上設有電子鎖14，且電子鎖控制器13的信號輸出端與電子鎖14連接。其結構出於在慢充的過程中，當設備鋪設在公共場所時，由於充電時間較長且無人值守，使得用戶的充電設備存在安全問題，所以智能充電樁的每一路輸出端具備電子鎖14功能，在用戶使用充電服務時可鎖定用戶電動車和充電器。各充電空間3的開口處艙門4可設置為欄杆結構。

在每一路的配備用於計算功耗的計量模塊12，方便運營商根據不同地區背景條件設置不同的充電服務模式供用戶選擇，並且可以防止用戶擅自接入非標準大功率用電設備造成超出成本用電。

其中通信模塊11，支持2g/3g/4g移動通訊、同時支持wifi、乙太網接入，可實現網絡雲端後臺統一管理，遠程維護調試，用戶通過手機等移動端實現充電設備定位、查找、供電、斷電、開鎖、充電信息查詢等所有服務。

其中存放艙5採用多功能的箱體結構，使得使用時堅固耐用、防雷擊、可適應室外極端惡劣氣候條件，還可防暴雨級別的雨水流入；存放艙5通過鋼梁固定在每個充電空間3的內側面中部，與地面距離約0.8米左右，儘可能與大多數電動車充電口位置等高，使得用戶操作舒適、方便。

其中充電主控單元中的控制晶片採用單片機，且單片機採用msp430單片機。

當用戶要使用充電服務時，先打開移動端app向當前智能充電樁支付充電費用。雲端伺服器向該設備發送收到支付成功信號後，由於通信模塊11採用通訊長連接的方式，可根據云端信號實時向充電主控單元8發出指令，充電主控單元8根據指令開放相應一路的交流輸出，此路通電指示燈打開，同時此路的計量模塊12開始工作、電子鎖控制器13打開充電器存放艙5的艙門4。用戶先將充電器輸出端插頭從存放艙5內的下方輸出孔51取出並接入電動車充電接口，再將充電器輸入端插頭插入存放艙5內的充電插座後開始充電，把充電器在存放艙5內放置好，手動合上存放艙5的艙門4和充電空間的艙門4或欄杆後可離開。在充電器存放艙5門打開後，如果充電插座在數分鐘內未接入充電設備，計量模塊將監測到此信息，並通過充電主控單元8反饋到通信模塊11，通信模塊11可根據設定規則，立即指示充電主控單元8切斷當前路的交流輸出，確保安全。通信模塊11也可上報雲端伺服器，提醒是否繼續等待用戶接入充電設備或立即切斷交流輸出。

在每路輸出開始工作時，通信模塊11發出的指令中有應用於計量模塊12的特殊參數，包含此次充電服務允許輸出的最大電能值。如果在充電服務約定結束時間到達之前，消耗電能已達到上限值，計量模塊可通知充電主控單元立即切斷此路輸出，或者上報雲端等待其他指令；如果約定時間內沒有達到上限值，則此工作模式不執行。

考慮到用戶在接受充電服務後有可能隨時中斷充電服務，或者在充電服務結束後，還未及時取走充電器和電動車，需要在原地短暫停放等人性化的需求，電子鎖控制器13的開鎖指令在設計上優先於任何工作模式，由用戶或維護人員通過雲端指令執行，且可以忽略任何情況隨時執行。

本實施例中通過存放艙5上設有散熱孔51若干。散熱孔51設於四周和底板上，四周艙壁散熱孔51朝斜下方開口，而且散熱孔51對充電設備發出熱量進行散發出外界的作用。

本實施例中通過存放艙5的底面設有用於僅可穿出用戶充電器的輸出端插頭的通孔15。其通孔的設計達到了防止其他大功率的設備與充電插座7連接的作用。

本實施例中通過電子鎖14採用電磁式電子鎖或機械式電子鎖。提高使用性能，機械式電子鎖成本較低，最適合使用於本實施例的充電樁中。

本實施例中通過充電主控單元8上還設有用於連接現場應急維護模塊的擴展接口14。其結構設計可滿足不同經營者的功能需求且維護方便。

本實施例中通過根據上述提供的智能電動車充電樁，其具體充電方法包括步驟如下：

a、根據設備的通信模塊11進行申請接入雲端後臺的信息，並自動生成一個包含設備id等信息的二維碼及相應編號；

b、用戶利用手持終端掃描設備唯一二維碼或輸入與二維碼對應的編號而得到設備狀態信息進行預充電操作，通過預充電操作完成其對應選擇的充電空間3的艙門電子鎖14和存放艙5的艙門電子鎖14開啟和關閉；預充電操作包括充電時間的選擇和是否支付費用；

c、根據設備設定的時限判定用戶是否接入電動車的充電設備，具體判定後的操作運行步驟具有以下兩個；

1)當用戶在設定的時限內接入充電設備，即判定完成預充電操作，並通過充電主控單元8向交流電輸出發出通電指令，開始充電；同時，串聯在電網和充電插座17之間的線路上的計量模塊11進行充電的計時和計量，並將計量信息傳輸給充電主控單元8，同時充電主控單元8向電子鎖控制器13發送鎖住電子鎖14的指令，使得充電空間3的艙門和存放艙5的艙門通過電子鎖14處於被鎖住的關閉狀態；

2)當用戶在設定的時限內未接入充電設備，即判定未完成預充電操作，並通過充電主控單元8向交流輸出模塊10發出切斷當前一路的交流電輸出的指令，同時充電主控單元8不向電子鎖控制器13發送鎖住電子鎖14的指令，使得充電空間3的艙門4和存放艙5的艙門4處於持續開啟狀態；

其c步驟中設定的時限為3分鐘，即在3分鐘內用戶沒有完成操作取消此次交易，返還消費金額到用戶支付帳戶並切斷當前一路的交流電輸出。

d、當電動車的電池充電參數達到預充電操作所設置的充電時限或充電容量後，通過充電主控單元8按照設定立即切斷當前一路的交流電輸出並通過通信模塊上報雲端後臺，顯示正常充電結束，並在設定的等待時限內通過手持終端向充電主控單元8發送打開電子鎖14指令，具體操作運行步驟具有以下兩個；

1)當在設定的等待時限內充電主控單元未接收到手持終端所發送的打開電子鎖的指令，則開始通過雲端後臺的設定進行計時，並根據未向充電主控單元發送打開電子鎖14指令的時長進行自動實時計算充電設備和電動車的保管費用，同時電子鎖14持續處於關閉狀態；其中可設定費率為1元/2小時，在每2小時的第一秒扣除。設定當設備保管費累加達到12元，即24小時後，系統提示此設備當前一路充電位已被佔用超過24小時，並繼續記錄保管費等待維護人員現場處理。從開始記錄保管費到當前時間段內，用戶必須先付清已產生的保管費才可開鎖取走電動車和充電器。

2)當在設定的等待時限內充電主控單元8接收到手持終端所發送的打開電子鎖14的指令，則充電主控單元8立即向電子鎖14發送指令進行開啟電子鎖14；

其d步驟中可設定消費模式為支付1元可充電2h，電能消耗上限為500wh，即0.5度電(實際應用可設定多種消費模式及相應最大電能消耗值並且可累加)。

e、利用計量模塊12測得的充電時間和消耗的充電電能進行判定充電插座7是否與大功率設備連接進行充電。

本實施例中通過還包括正常充電結束後可根據充電主控單元8設定的設定時限內進行免費申請延期打開電子鎖14，超過設定時限則視為用戶放棄免費申請延期，免費申請延期的設定時限為30分鐘內。

本實施例中通過還包括在不使用充電樁設備的情況下充電空間3的艙門4和存放艙5的艙門4通過電子鎖14進行鎖住，並始終處於關閉狀態。

本實施例中通過還包括通過計量模塊12實時監測電流大小的方式進行判定是否有充電設備的接入，而進行充電未使用的斷電保護操作運行，其具體的操作運行步驟包括如下：

通過計量模塊12實時監測電流大小的方式進行判定是否有充電設備的接入，而進行充電未使用斷電保護的具體運行步驟如下：當計量模塊12實時監測的電流低於或高於0.1a的數值時，計量模塊12立即發送信號到充電主控單元8，再經通信模塊11發送到系統雲端後臺，而後臺在設定時限內未收到充電電流高於0.1a的信號時，則立即下發斷電指令到通信模塊11，再到充電主控單元8，充電主控單元8立即切斷這一路交流電輸出。

其上述各項參數的設定通過打開設備總開關，通信模塊11開始工作，優先檢查是否可用本地接口(包括wifi)接入網際網路。本地接口需要設置，在本地使用pc連接充電主控單元8上的維護接口，設置本地網絡參數。如果沒有本地網際網路接入條件的，通信模塊11則開啟無線移動接入網際網路的方式(2g/3g/4g等)，與雲端系統後臺建立交互，雲端系統後臺審核申請接入設備的合法性，通過後雲端維護後臺或通過本地擴展接口對設備進行初始設置並保存。

另外，根據上述設定的參數和設備結構進行充電插座是否與大功率設備連接進行充電的測試：選擇「第3路」充電空間，在第3路指示燈亮起後，立即把一臺額定功率為1000w的用電設備(已測試功率誤差在±30w)的電源插頭插入到第3路充電插座7上，並打開最大檔位。等待到約27分鐘時，看到指示燈熄滅，系統後臺提示此智能充電樁第3路充電輸出已消耗500wh，並已切斷電源。按電能消耗計費功能測試正常。計量模塊12實時計量電能消耗，由於用戶使用了非常規用電設備，設定的500wh電能在不到30分鐘就已經消耗完畢，所以計量模塊12實時發送信號到充電主控單元8，充電主控單元8按照設定立即切斷這一路交流點輸出，並發送信號到系統雲端後臺。

電動車的標配充電器與充電插座7連接測試：選擇「第1路」充電位，第1路通電指示燈亮起後，將電動車推入充電位，按要求接入標配充電器，關閉艙門和充電位欄杆。聲明：此次測試選用的電動車裝備有72v、20ah的一組鉛酸蓄電池，標配充電器在接入普通220v交流電後，輸出到這組蓄電池的直流充電電流平均約為2a，每小時理論功耗為144wh，加上充電器損耗，實際電能消耗約為平均每小時接近200wh。那麼充電2小時最多消耗約400wh電能，不會觸發電能達到上限而提前斷電的功能。在到達2小時後，通電指示燈熄滅，等待時間開始計時。此刻，在測試手機app上操作申請1次延長等待時間。這樣，可等待時間累計達到1小時。1小時等待時間即將結束時，為了測試功能，app內暫時不操作。當等待時間完全結束時的數秒內，app內收到用戶提示信息，提示「約定等待取車時間已結束，將按照1元/2小時收取設備保管費，當前保管費為1元，請儘快取走電動車……」。這時在app內選擇「開鎖取車」時，彈出結算設備保管費界面，按提示支付成功後，充電空間3的電子鎖14和存放艙5的艙門4順利及時彈開，收取充電器、關閉艙門4並推出電動車、關閉充電位欄杆，整個充電服務結束。這部分測試對於智能充電樁來說主要是測試了每路配備的兩個電子鎖14的可行性及可靠性。

上述的兩種測試驗證了智能充電樁硬體的主要功能，包括對指定充電路的供電、斷電、計量功耗、指示燈狀態、電子門鎖的控制等，實際測試結果令人滿意。智能充電樁可以滿足用戶正常充電的需求、支付方便快捷，從技術上降低了用戶接入非法用電設備的機率和經營成本風險，並確保安全。充電器存放艙、充電位欄杆、兩個電子鎖的設計可以解決用戶在公共場所給電動車充電的財產安全顧慮，而且可以避免充電位被非法佔用，確保有需求的用戶可以及時使用，從而提高智能充電樁的整體使用率，更保障了設備運營商的經濟收益，形成良性循環。

本發明不局限於上述最佳實施方式，任何人在本發明的啟示下都可得出其他各種形式的產品，但不論在其形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。