電動汽車充電站在線監測和分析評估系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電動汽車充電站在線監測和分析評估系統，包括采集終端單元、車載終端單元、FPGA和PCI接口單元和嵌入式工控機；由多個采集終端單元和嵌入式工控機構成電動汽車充電站在線監測平臺，實時采集充電站公共連接點和各充電機電壓、電流；通過FPGA和PCI接口單元實現多個采集終端單元與工控機的數據交換。車載終端單元將電動汽車的運行狀態、充電信息傳輸至嵌入式工控機，采用雷達圖法對電動汽車的狀態進行綜合評估，并統計分析電動汽車起始充電時間、初始荷電狀態和日行駛里程的概率分布。該系統穩定可靠，能實現對充電站的長期監測，并為充電站運行與規劃提供大量可靠的監測數據。
【專利說明】電動汽車充電站在線監測和分析評估系統【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電動汽車領域，尤其涉及一種電動汽車充電站在線監測和分析評估系統。
【背景技術】
[0002]隨著電動汽車的推廣和應用，與之相配套的充、換電站等充電設施也在逐步建設。然而，充電設施大規模接入電網，將給電網帶來負荷沖擊，并對電網的電能質量、網絡損耗、設備利用率等產生不容忽視的影響。電動汽車充電特征數據，主要包括起始充電時間、初始荷電狀態和日行車里程，對研究電動汽車充電過程對配電的影響十分重要，然而現有的電動汽車充電站監控系統主要從電能計量，電動汽車電池能量管理等方面對電動汽車及充電機進行監測分析，還沒有專門針對電動汽車充電特征數據的統計分析，亦未對充電機、配電變壓器的運行特性進行分析以及電動汽車狀態的綜合評估。
[0003]因此，有必要建立電動汽車充電站在線監測和分析評估系統，研究充電站中充電機、配電變壓器的運行特性，有針對性的提出相應的改進措施以保證充電站可靠、穩定的運行。此外，其還有助于掌握電動汽車的充電規律，為分析電動汽車充電行為對配電網帶來的不利影響提供大量可靠的數據。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中存在的上述不足，本發明提供了一種準確性更高、實時性更強、并能對電動汽車充電站全面、客觀的分析與評估的電動汽車充電站在線監測和分析評估系統。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明采用了如下技術方案:
[0006]電動汽車充電站在線監測和分析評估系統，包括采集終端單元、車載終端單元、FPGA和PCI接口單元和嵌入式工控機；多個采集終端單元和嵌入式工控機構成電動汽車充電站的在線監測平臺，實現對電動汽車充電站公共連接點電氣量和開關量的采集；所述采集終端單元由依次串聯的信號調理模塊、A/D采集模塊和DSP處理模塊構成；由過零觸發電路和DSP處理模塊的不可屏蔽中斷匪1、捕獲器CAP和定時器--ΜΕ實現同步交流采樣，在高精度采樣和同步傳輸的基礎上，采用雙峰譜線修正算法計算充電站的諧波及基波參數，然后在頻域中分離諧波和間諧波，實現充電站間諧波的檢測；所述車載終端單元主要由電動汽車的監控系統和GPRS數據傳輸模塊構成，用于采集電動汽車速度、里程、電池狀態、電池溫度、電池電壓、電池電流和電動汽車充電次數信息，并將信息發送給嵌入式工控機；所述FPGA和PCI接口單元用于嵌入式工控機PCI總線與多個采集終端的數據交換，在FPGA中設置雙口 RAM用于緩存數據；所述嵌入式工控機根據電動汽車充電站在線監測平臺采集的各項電能質量數據對變壓器、充電機的運行特性進行分析，利用電動汽車運行和充電信息對電動汽車的狀態進行綜合評估，采用對數正態分布、高斯分布方法對電動汽車充電特征數據進行統計分析，以得到各充電特征數據的概率密度分布表達式；所述電動汽車充電特征數據包括起始充電時間、初始荷電狀態和日行車里程。
[0007]作為本發明的一種優選方案，所述A/D轉換模塊采用MAX1320數模轉換芯片或者AD7606數模轉換芯片。
[0008]作為本發明的另一種優選方案，所述DSP處理模塊采用TMS320C6747芯片的DSP
處理器。
[0009]與現有技術中的光伏并網發電監測設備相比，本發明具有如下優點:
[0010]1、靈活高效的數據采集方式:通過APN專線接入GPRS網絡，實現車載終端與嵌入式工控機的數據傳輸；采用FPGA實現多DSP與PCI的連接，實現電能質量采集終端與嵌入式工控機的高速數據傳輸。
[0011]2、全面的電動汽車充電站在線監測:實時監測公共連接點和各充電機交流側的諧波、頻率偏差、不平衡度等電能質量指標，并通過遠程終端采集電動汽車行駛狀態數據，如行駛里程、車速等，充電信息，如充電機直流側的電壓、電流和蓄電池的荷電狀態。
[0012]3、電動汽車與充電站主要設備的全方位評估:利用雷達圖直觀顯示電動汽車電池及整車狀態；直觀地評估配電變壓器效率、高壓和低壓側的電壓偏差、不平衡度和諧波與負載率的關系；直觀地展示各充電機交流側諧波、不平衡度和功率因數隨充電功率變化規律。
[0013]4、快速的間諧波檢測算法:采用基于頻域濾波的間諧波在線檢測算法，對采樣信號進行一次FFT計算，在頻域中消除基波和諧波分量后，再進行間諧波檢測。既保證了測量精度，又顯著減少了計算量，適合用于在線監測裝置。
[0014]5、電動汽車充電時、空特征數據的統計分析:利用雙峰正態分布或對數正態分布對電動汽車起始充電時間、日行駛里程等進行擬合，得到它們的概率密度表達式，以此作為監測區域充電負荷計算和分析電動汽車充電行為與配電網交互影響的基礎。
[0015]6、裝置的強弱電布置完全分開，可大大減少外部電磁干擾在弱電側的耦合增強裝置的抗干擾能力，保證系統連續運行穩定性和記錄數據的安全可靠性。
[0016]7、能夠實時顯示數據并有存儲功能，方便數據查詢和管理；在發生故障時，可根據詳細的故障前后各參數波形進行深入分析；根據月統計數據、年統計數據，可以進一步統計研究設備老化問題以及當地天氣情況對電站運行的中長期影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為電動汽車充電站在線監測和分析評估系統的硬件設計結構框圖；
[0018]圖2為電動汽車充電站在線監測和分析評估系統的軟件設計結構框圖；
[0019]圖3為電動汽車充電特征數據統計流程圖；
[0020]圖4為電動汽車狀態綜合評估的指標體系圖；
[0021 ] 圖5為電動汽車狀態綜合評估流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細地描述。
[0023]如圖1所示，電動汽車充電站在線監測和分析評估系統，包括采集終端單元、車載終端單元、FPGA和PCI接口單元和嵌入式工控機。其中采集終端單元由依次串聯的信號調理模塊、A/D采集模塊和DSP處理模塊構成，采集終端單元采集4路電壓(三相及中性點電壓)和4路電流(三相及中性點電流)模擬量，由DSP處理模塊計算三相電壓和電流基波幅值、相位和三相電壓頻率。
[0024]車載終端單元主要由電動汽車的監控系統和GPRS數據傳輸模塊構成，用于將電動汽車速度、里程、電池狀態、電池溫度、電池電壓、電池電流和電動汽車充電次數等數據發送給嵌入式工控機。FPGA和PCI接口單元用于嵌入式工控機PCI總線與多個采集終端的數據交換，由于PCI接口芯片與DSP時鐘頻率不一致，須在FPGA中設置雙口 RAM用于緩存數據。
[0025]嵌入式工控機根據電動汽車充電站在線監測平臺采集的各項電能質量數據對變壓器、充電機的運行特性進行分析，利用電動汽車運行和充電信息對電動汽車的狀態進行綜合評估，采用對數正態分布、高斯分布等方法對電動汽車充電特征數據進行統計分析，以得到各充電特征數據的概率密度分布表達式。電動汽車充電特征數據包括起始充電時間、初始荷電狀態和日行車里程。
[0026]如圖2所示，電動汽車充電站在線監測和分析評估系統的軟件分析系統包括采集終端軟件、車載終端軟件和嵌入式工控機軟件3個部分。其中，采集終端軟件包括平臺初始化、采樣脈沖觸發、A/D采樣、數據處理、數據存儲及傳輸。A/D采樣程序主要包括A/D轉換、校準等功能；而采樣脈沖觸發程序則是利用DSP定時器啟動A/D轉換，其在讀取轉換結果時通過DSP外部中斷的方式實現，須與A/D采樣配合進行；DSP數據處理程序主要完成充電站電氣量的有效值、頻率和相位測量、各項電能質量指標計算；再由傳輸程序將數據存儲到FPGA的雙口 RAM中完成采集。
[0027]車載終端軟件系統包括初始化、數據傳輸請求與應答、GPRS數據發送等模塊，初始化成功后啟動GPRS模塊連接網絡，并發送數據傳輸請求至嵌入式工控機，之后按照嵌入式工控機的應答需求發送采集數據。工控機軟件系統用于實現電動汽車充電站各測點的電能質量、電動汽車充電特征數據的 統一管理和綜合分析，包括數據傳輸程序、數據處理及管理程序、以太網通訊程序(接收車載終端數據)以及相關驅動程序，主要完成充電特征數據統計分析，電動汽車狀態評估，充電機及變壓器運行特性分析，此外還具有實時電氣量監測，歷史數據查詢等基本功能。
[0028]如圖3所示，對電動汽車充電特征數據的統計分析按以下步驟進行:
[0029]①提取電動汽車充電特征數據，并對數據做相應的預處理；
[0030]②將電動汽車充電特征數據按一定間隔分成若干段，統計其在每個段內的次數；
[0031]③計算每個段內，電動汽車充電特征數據的概率密度值，得到其概率密度直方圖；
[0032]④根據概率密度直方圖，擬合得到電動汽車充電站特征數據的概率密度表達式。
[0033]為了能夠清楚說明電動汽車充電特征數據的統計分析過程，以起始充電時間為例，說明如下:
[0034]假設有N個起始充電時間數據，將一天分為24/At個時間間隔，統計起始充電時間在每個時間間隔內的次數。若在第i個時間間隔內，起始充電時間數據有Ni個，此時起始充電時間的概率密度值為
r Ni
[0035]
1 N*At[0036]然后根據起始充電時間概率密度直方圖分布情況，即可擬合得到其概率密度表達式。
[0037]如圖4所示，本發明提出的電動汽車狀態綜合評估的指標體系，包括三個級別的指標，其中，一級指標為電動汽車狀態；二級指標包括電池組效率、電池組壽命、電動汽車運行狀態、電池組充放電特性和單體電池一致性；三級指標包括能量損耗、放電效率、單位里程能耗、放電深度、電池運行壽命系數、充放電次數、電池組容量、電機溫度、平均故障間隔里程、最高車速、行駛里程、充電電壓不平衡度、充電電壓波動、充電功率因數、充電電流諧波、電池截止電壓、持續放電時間、電池電壓匹配系數、初始SOC匹配系數和電池溫度匹配系數。其中，單體電池溫度、初始SOC和電池電壓匹配系數以電池組中各單體電池的溫度、初始SOC和電壓標準差表示；平均故障間隔里程為電動汽車故障的間隔里程平均值；考慮不同放電深度下電池循環壽命差異，將電池的歷史充放電次數累積，以表征其電池循環運行壽命。設充放電次數為n，對應的放電深度為X1, x2,…，Xn，則循環壽命系數R22為
【權利要求】
1.電動汽車充電站在線監測和分析評估系統，其特征在于:包括采集終端單元、車載終端單元、FPGA和PCI接口單元和嵌入式工控機；多個采集終端單元和嵌入式工控機構成電動汽車充電站的在線監測平臺，實現對電動汽車充電站公共連接點電氣量和開關量的采集；所述采集終端單元由依次串聯的信號調理模塊、A/D采集模塊和DSP處理模塊構成；由過零觸發電路和DSP處理模塊的不可屏蔽中斷匪1、捕獲器CAP和定時器--ΜΕ實現同步交流采樣，在高精度采樣和同步傳輸的基礎上，采用雙峰譜線修正算法計算充電站的諧波及基波參數，然后在頻域中分離諧波和間諧波，實現充電站間諧波的檢測；所述車載終端單元主要由電動汽車的監控系統和GPRS數據傳輸模塊構成，用于采集電動汽車速度、里程、電池狀態、電池溫度、電池電壓、電池電流和電動汽車充電次數信息，并將信息發送給嵌入式工控機；所述FPGA和PCI接口單元用于嵌入式工控機PCI總線與多個采集終端的數據交換，在FPGA中設置雙口 RAM用于緩存數據；所述嵌入式工控機根據電動汽車充電站在線監測平臺采集的各項電能質量數據對變壓器、充電機的運行特性進行分析，利用電動汽車運行和充電信息對電動汽車的狀態進行綜合評估，采用對數正態分布、高斯分布方法對電動汽車充電特征數據進行統計分析，以得到各充電特征數據的概率密度分布表達式；所述電動汽車充電特征數據包括起始充電時間、初始荷電狀態和日行車里程。
2.根據權利要求1所述的電動汽車充電站在線監測和分析評估系統，其特征在于:所述A/D轉換模塊采用MAX1320數模轉換芯片或者AD7606數模轉換芯片。
3.根據權利要求1所述的電動汽車充電站在線監測和分析評估系統，其特征在于:所述DSP處理模塊采用TMS320C6747芯片的DSP處 理器。
【文檔編號】G01R31/00GK103529340SQ201310533145
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】周念成, 蒲松林, 王強鋼, 董宇 申請人:重慶大學