一种闲置电力智能配电充电系统的制作方法

1.本发明涉及电力配电的技术领域，尤其涉及一种闲置电力智能配电充电系统。


背景技术：

2.由于社会新能源汽车增多，充电桩需求也增多，但现时，我国充电桩安装速度上遇到瓶颈，有以下原因：原因一，由于城市的发展已经到一定规模，所配用的电力容量有所限制，而充电中对电力容量要求高。一个120千瓦充电桩等于20台1.5匹空调用电量，所以在地区要建设充电站时，需要另外增容，所以城市充电站的建设被局限于电力增容的能力上，严重影响充电站的建设进度。原因二，写字楼、住宅、商场等地方存在对电力容量产生超负荷的问题，这些地方所安装的充电桩数量也受到了严重制约，同时，当前电动汽车数量激增，充电桩数量远少于电动汽车数量，造成充电汽车寻找充电桩困难。
3.现时提供给新能源汽车的充电桩都是以逆变电源设计，多组电源并联提供大功率的输出，但其缺点如下：1.无充电电压升级空间：由于传统快速充电桩使用逆变式设计，其输出输入的电压被固化，其规格有ac380v转dc750v、ac380转dc500v及ac380转dc1kv三种，若需从500v升级750v或750v升1kv的系统，需要将充电桩整体更换，方能满足升级的电压要求。
4.2.无法安装安全规格漏电开关：由于传统快速充电桩使用逆变式设计，由于脉冲电流通过变压器初级线圈时，会产生一电压尖峰，形成对控制电路及功率元件的干扰，所以在逆变电路中，需从变压器初级两端加入抗干扰电容接地，将干扰信号通过地线消除，同时也形成一个对地的漏电电流。以一个20千瓦的逆变电源为例，其漏电值可达40毫安，所以一个拥有6个20千瓦的电源模组的120千瓦快速充电桩，其漏电值高达240毫安，无法安装漏电值30毫安以下的安全漏电开关。
5.3.充电能力受限：在住宅区、商场、酒店、工厂等场所安装充电站时，若共用一该单位的变压器，只能考虑使用原单位的部分电力用作充电，如一个住在区的电力容量为1千千瓦，一般可用于公用电力的可占30%，这30%的电量还需负责泵房、电梯、公共地区的灯光及其他用途，造成可分配电动汽车的充电电量，一般只能提供5%-10%左右，防止在用电高峰时，导致单位过荷跳闸，所以一般充电站都需安装专用的变压器，将单位电力容量与充电容量分开。
6.4.售电效率低：由于各种电动汽车所要求的充电容量不一，导致充电桩的售电效率偏低，如一个120千瓦的快速充电桩对一台50千瓦的电动汽车充电，其充电效率只有80%，而在末端充电时，由于电池接近饱满，车内的电源管理系统会将充电电流减半，充电效率会降至40%，所以一个标准的充电站，其售电效率只能达到70%。虽然业界以发展出充电岛方式的分体式充电系统，让售电效率提高至90%，但由于充电岛内复杂的继电器切换系统，使充电系统的成本及维修率上升，没能完全解决此问题。如一个拥有20个电源模组的充电岛，充电端口的数量约为20个，则系统需要电源数量*充电桩数量=20*20=400个继电器，费用昂贵且电路复杂。
7.5.无功功率消耗大：以一个20千瓦的逆变电源为例，其漏电值可达40毫安，所以一个拥有6个20千瓦电源模组的120千瓦快速充电桩，其漏电值高达240毫安，按每天工作12小时计算，每年工作365天，10个充电桩每年无功消耗达：0.24a*12小时*220伏*365天*10
÷
1000=2312.64度电，全国约有4万充电站即每年无功功率损耗近9千万度电。
8.申请号为202310140752.7的发明专利公开了基于物联网的充电桩电力分配系统与基于物联网的充电桩电力分配装置。通过配合云服务器，可将原本用于家用充电桩的电力，切换给附近停车位的多台充电桩使用，使闲置时段的充电桩电力得到充分利用。该发明既能让居民小区个人充电桩的有限电力支撑更多电动汽车充电，又消除了直接将家用充电桩共享其他车辆充电而存在停车位被长时间占用的困扰。该发明只是将闲置时段的电力与他人共享，避免了直接共享充电桩当出现设备故障时可能引起的纠纷。但是该发明并未实现自动监测电网内的剩余电能，并根据剩余电能开启或关闭充电桩，智能化程度较低，并未解决现有充电桩受电力增容限制的问题。


技术实现要素：

9.针对现有充电桩配电系统柜升级费用较大、安全性低无功功率效果大的技术问题，本发明提出一种闲置电力智能配电充电系统，通过电力电源网络观察器实时监测配电网中的可为充电桩配电的剩余电力容量，有效提升了配电网闲置电能的利用率，在不增加配电网负担的情况下最大化的为充电桩充电，且升级空间大，安全性高，无功功率损耗极低。
10.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种闲置电力智能配电充电系统，包括配电电源，配电电源通过空气开关i分别与隔离变压器和配电柜相连接，所述空气开关i后侧的电源线上设有电力电源网络观察器，电力电源网络观察器与云端服务器相连接；所述隔离变压器与电压调整变压器相连接，电压调整变压器通过不同的漏电开关分别与不同的充电桩相连接，充电桩与云端服务器通信连接。
11.优选地，所述充电桩为斩波式充电桩，斩波式充电桩的输出电压为输入三相交流电压的1.35倍。
12.优选地，所述电力电源网络观察器包括电流传感器，电流传感器设置在电源线的三条火线上，电流传感器与主控制器相连接，主控制器通过无线模块与云端服务器相连接，云端服务器通过无线网络与充电桩通信连接。
13.优选地，所述隔离变压器通过空气开关ii与空气开关i相连接，隔离变压器通过空气开关iii与电压调整变压器相连接。
14.优选地，所述配电电源为三相电源，所述三相电源为10kv电源，10kv电源通过空气开关i与动力变压器相连接。
15.优选地，所述动力变压器为10kv转380v的标准变压器或10kv转740v的定制准变压器。
16.优选地，所述配电电源为三相电源，所述三相电源为380v的低压网络电源；所述隔离变压器为自耦合变压器；所述隔离变压器为输入电压为380v、输出电压为380v的标准隔离变压器或隔离变压器为输入电压为380v、输出电压为740v的定制隔离变压器。
17.一种闲置电力智能配电充电系统的使用方法，其步骤为：
a1：当充电桩上连接有待充电的新能源汽车时，充电桩将新能源汽车的充电管理系统的充电信息上传至云端服务器；云端服务器根据新能源汽车接入充电桩的时间顺序将所连接的充电桩进行排序得到序列；a2：电力电源网络观察器实时监测配电柜和所有充电桩使用的总电流，总电流通过无线模块传送至云端服务器；云端服务器将总电流与配电网的额定电流比较，当总电流大于额定电流时，云端服务器依次关断序列中数值较大的充电桩。
18.所述电力电源网络观察器周期性监测配电网中消耗的总电流，总电流乘以额定电压为实时采样的电力容量，配电网的额定电力容量-实时采样的电力容量为云端服务器可以为新接入充电桩可分配使用的电力。
19.当有新能源汽车完成充电，连接的充电桩向云端服务器传输充电完成的信息，云端服务器根据充电完成的信息切断对应充电桩停止供电，并将该充电桩移出排序的序列；云端服务器比较电力电源网络观察器监测的总电流与配电网的额定电流，当总电流小于配电网的额定电流，云端服务器依照序列中序号从小到大依次开启相应的充电桩；当总电流小于配电网的额定电流，则云端服务器不开启新的充电桩。
20.本发明利用电源电力网络观察器实时收集配电网中的电能消耗信息，并通过云端服务器统计所有充电桩消耗的电力，当电源电力网络观察器监测配电网的利用的总电流大于额定电流时关断新接入的充电桩，保证了配电柜供电的稳定性，有效避免了充电桩在用电高峰期与其它用电装置争抢电能，造成电网负荷增加，同时也有效提升了闲置电能利用率。本发明能充分利用配电网中的电能，按照每个时段的剩余电力对所属辖区的电动汽车进行通充电，可增加数倍的充电桩，使住宅区、商场、酒店、工厂的剩余电力得到充分利用，增容电动汽车的充电能力。由于使用了电压调整变压器及斩波式充电桩，方便简单的实现500v提升至750v或750v提升至1000v时，是充电站的升级空间大增；逆变式的充电桩无功电流为240毫安，而斩波式充电桩的漏电流不大于2毫安，充电站的功耗能只有逆变式充电站的耗能120分之一，无功功率损耗极低。按全国有4万个充电站每年可节省电力：9千万*（120-1）
÷
120=8.9千万度电。由于每个120千瓦充电桩对地电流只有约0.5毫安，可使用5毫安的漏电开关，安全性高。本发明利用充电桩上传数据结合电力电源网络观察器采集的数据，通过云端服务器处理及计算，能将可用的电力智能分配给需要充电的电动汽车，售电效率大大提高，无需借助复杂的继电器切换电路，使制作、维护成本双双减低。
附图说明
21.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，显而易见地，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他的附图。
22.图1为本发明的结构示意图。
23.图2为本发明的标准动力变压器时充电场景示意图。
24.图3为本发明的定制动力变压器时充电场景示意图。
25.图4为本发明的标准隔离变压器时充电场景示意图。
26.图5为本发明的定制隔离变压器时充电场景示意图。
27.图中，1为动力变压器，2为电力电源网络观察器，3为配电柜，4为隔离变压器，5为电压调整变压器，6为漏电开关，7为充电桩，8为云端服务器。
具体实施方式
28.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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1所示，一种闲置电力智能配电充电系统，包括配电电源，配电电源通过空气开关i分别与隔离变压器4和配电柜3相连接，配电柜3为用电单位配电柜，设置在如住宅、酒店、商场及工厂内。隔离变压器4用于隔离充电桩和配电电源，以提高系统的安全系数。空气开关i后侧的电源线上设有电力电源网络观察器2，电力电源网络观察器2穿过电源线，电力电源网络观察器2用于监测流过配电柜3和充电桩总的电流值，电力电源网络观察器2与云端服务器8相连接；云端服务器8内设有额定电流，使整个系统工作时不超过额定电流。隔离变压器4与电压调整变压器5相连接，电压调整变压器5通过不同的漏电开关6分别与不同的充电桩7相连接，充电桩7与云端服务器8通信连接。隔离变压器4通过空气开关ii与空气开关i相连接，隔离变压器4通过空气开关iii与电压调整变压器5相连接。云端服务器1主要用于根据电网中的剩余电量判断所需开启或关闭的充电桩数量，同时，该云端服务器1根据剩余电量控制充电桩所使用的电能，有效控制电力输出及其内的安全参数，防止充电桩出现过压、欠压等情况，使充电环境达致最高的安全状态。电源电力网络观察器2主要用于以固定时间为周期监测检查配电网内流过的电流总量，得到电网耗电信息，并利用该时段额定电量减去电能消耗量得到电网中的剩余电量，电源电力网络观察器2监测的时间周期较短，有效提高了电网耗电信息的准确度。电压调整变压器5用于适配不同的输入电压的充电桩，保证充电桩的供电。
30.空气开关i、空气开关ii和空气开关iii均用作切断或接通相应的电路及过流保护。当整个系统漏电时，漏电开关6用作保护人体避免通过人体电流过大造成电击伤亡。按国家及国际标准，漏电开关6的安全漏电值应小于30毫安，漏电值越小，安全系数越高。电压调整变压器5用于调整传送至充电桩的电压，保证充电桩能够可靠供电。当隔离变压器的次级输出电压，无法满足充电桩的输入电压时，可用电压调整变压器5增减充电桩的供电电压，以适配不同输入电压的充电桩。例如，系统直流最高输出电压为750v时，隔离变压器次级采用标准电压380v，斩波式充电桩的输入电压，需有750v
÷
1.35=555v，此时可利用电压调整变压器匹配相应电压，即电压调整变压器的电压等于斩波式充电桩输入电压-隔离变压器次级输出电压=555v-380v=175v即可，又如系统最高充电电压为1kv时，若变压器次级采用标准的660v时，斩波式充电桩输入电压=1kv
÷
1.35=740v，电压调整变压器的电压为740v-660v=80v即可。
31.充电桩7为斩波式充电桩，斩波式充电桩内置三相整流斩波式电源模组，三相电源经过整流后通过电容储能，再经过功率元件以脉冲方式向电抗器供电产生电流i1，电流i1频率一般在10khz以上，当脉冲处于基极状态时，功率元件处于关闭时，电抗器的输出端通过负载，产生续流电流i2，再通过续流二极管，回流到电抗器的原端。由于有续流电路，电抗
器所储的能量转化为续流电流并消失，不会产生电压尖峰，故此电路无需安装抗干扰电容，对地的漏电电流极少，一般低于0.5毫安，同时如需增加电路中的功率，只需增加功率元件、电抗器及续流二极管的规格，无需更换控制电路，使三相整流斩波式电源模组成本不会按功率而成倍上升。单个三相整流斩波式直流模组功率可由10千万-400千万均可，无需像逆变设计，需多个电源模组并联，始能获得大功率的输出。同时由于电路中没有升压或降压变压器，其直流输出电压为输入三相交流电压的1.35倍。
32.电力电源网络观察器2包括三个电流传感器，三个电流传感器分别穿过电源线的三条火线，电流传感器通过电流感应线圈检测火线上流过的电流，电流传感器与主控制器相连接，主控制器为cpu处理电路，主控制器通过无线模块与云端服务器8相连接，无线模块为5g通信模块，云端服务器8通过无线网络与充电桩7通信连接，从而将充电桩的充电信息传送至云端服务器8。电流传感器将采集的信号连接至cpu处理电路，与系统设定的额定值进行比对，计算出可可分配充电桩使用的电力等于：系统额定电力容量-实时采样的电力容量。
33.如图2所示，配电电源为三相电源，三相电源为10kv电源，10kv电源通过空气开关i与动力变压器1相连接,适用于带专用变压器的充电站。动力变压器1为10kv转380v的标准变压器，初级为网络电力电压，次级为标准电压，如初级网络电力电压为10kv，次级电压的标准有380v、440v、660v等。电源由网络电力直接供应，网络电力电压10kv通过动力变压器1降压至标准电压380v，再通过空气开关连接到电力电源网络观察器2，电流穿过电力电源网络观察器2的电流感应线圈后通过矿工器开关连接到电压调整变压器5。动力变压器1的次级输出v1加上电压调整变压器的电压v2等于充电桩的输入电压v3，通过斩波式充电桩后乘以1.35等于输出的直流电压。
34.按当地标准而定，动力变压器也可按非标定制，如，初级为10kv、次级为740v等，动力变压器的次级电压即充电桩的输入电压，按实际最高充电电压而定，若系统的最高直流充电电压为1kv时，斩波式充电桩的输入电压等于变压器的次级电压，等于1kv
÷
1.35=740v，1.35是交流电压整流后转化成直流电压的常数。动力变压器1为10kv转740v的非标准定制准变压器，动力变压器1为定制变压器即可直接输出充电桩所需要的电压，如图3所示，动力变压器1的输入10kv输出740v，电流通过空气开关，再穿过电力电源网络观察器2的电流感应线圈，再通过漏电开关直接输送到斩波式充电桩，通过斩波式充电桩后乘以1.35输出电压等于1000v。
35.配电电源为三相电源，三相电源为380v的低压网络电源；所述隔离变压器4为自耦合变压器；隔离变压器为标准规格的隔离变压器，隔离变压器的初级供电电压，为低压供电系统电压如220v、380v、440v、660v等，次级标准电压有220v、380v、440v、660v等。如图4所示，隔离变压器4为输入电压为380v、输出电压为380v的标准隔离变压器。当用于住宅区、商场、酒店、工厂等场景下，使用的电源还需要供应给其他地方。电源为低压供电系统，标准的规格是380、440或660。通过电力电源网络观察器2后分成两路，其中一路输往隔离变压器，另一路直接输送到用电单位的配电箱或配电柜3。电流穿过电力电源网络观察器2的电流感应线圈。例如，隔离变压器4输入为380v输出为380v、440v、660 v的标准电压再通过空气开关连接至电压调整变压器5。隔离变压器的次级输出v1加上电压调整变压器的输出v2等于充电桩的输入电压v3，通过斩波式充电桩后乘以1.35等于输出的直流电压。
36.如图5所示，也可为非标定制隔离变压器，如初级为380v、次级为740v等，变压器的次级电压即充电桩的输入电压。隔离变压器4为输入电压为380v、输出电压为740v的定制隔离变压器。所选用的隔离变压器4为定制产品即可直接输出充电桩所需要的电压。电流通过空气开关，再穿过电力电源网络观察器2的电流感应线圈，通过漏电开关直接输送到斩波式充电桩，通过斩波式充电桩后乘以1.35输出电压等于1000v。
37.一种闲置电力智能配电充电系统的使用方法，其步骤为：a1：当充电桩7上连接有待充电的新能源汽车时，充电桩7将新能源汽车的充电管理系统的充电信息上传至云端服务器8；云端服务器8根据新能源汽车接入充电桩的时间顺序将所连接的充电桩7进行排序得到序列；a2：电力电源网络观察器2实时监测配电柜3和所有充电桩7使用的总电流，总电流通过无线模块传送至云端服务器8；云端服务器8将总电流与配电网的额定电流比较，当总电流大于额定电流时，云端服务器8依次关断序列中数值较大的充电桩7。即按照接入时间依次关闭充电桩，直至电网内的剩余电量足以为开启的充电桩供电。
38.电力电源网络观察器2周期性监测配电网中消耗的总电流，总电流乘以额定电压为实时采样的电力容量即电网中电能消耗量，配电网的额定电力容量-实时采样的电力容量为云端服务器8可以为新接入充电桩可分配使用的电力。电力电源网络观察器2主要用于监测配电网中的总电流是否达到额定电流，云端服务器8根据配电网中的剩余电量控制充电桩有序的打开或关闭，使闲置电能得到充分利用。利用该时段额定电量减去电能消耗量得到电网中的剩余电量，即可判断该时段内是否有可利用的闲置电能，在合理分配电能的同时也可以避免增加电网负担。额定电量依时间周期更新。
39.当有新能源汽车完成充电，连接的充电桩7向云端服务器8传输充电完成的信息，云端服务器8根据充电完成的信息切断对应充电桩7停止供电，并将该充电桩移出排序的序列；云端服务器8比较电力电源网络观察器2监测的总电流与配电网的额定电流，当总电流小于配电网的额定电流，云端服务器8依照序列中序号从小到大依次开启相应的充电桩即按照接入时间依次开启；当总电流小于配电网的额定电流，则云端服务器8不开启新的充电桩7。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种闲置电力智能配电充电系统，包括配电电源，配电电源通过空气开关i分别与隔离变压器（4）和配电柜（3）相连接，其特征在于，所述空气开关i后侧的电源线上设有电力电源网络观察器（2），电力电源网络观察器（2）与云端服务器（8）相连接；所述隔离变压器（4）与电压调整变压器（5）相连接，电压调整变压器（5）通过不同的漏电开关（6）分别与不同的充电桩（7）相连接，充电桩（7）与云端服务器（8）通信连接。2.根据权利要求1所述的闲置电力智能配电充电系统，其特征在于，所述充电桩（7）为斩波式充电桩，斩波式充电桩的输出电压为输入三相交流电压的1.35倍。3.根据权利要求1或2所述的闲置电力智能配电充电系统，其特征在于，所述电力电源网络观察器（2）包括电流传感器，电流传感器设置在电源线的三条火线上，电流传感器与主控制器相连接，主控制器通过无线模块与云端服务器（8）相连接，云端服务器（8）通过无线网络与充电桩（7）通信连接。4.根据权利要求3所述的闲置电力智能配电充电系统，其特征在于，所述隔离变压器（4）通过空气开关ii与空气开关i相连接，隔离变压器（4）通过空气开关iii与电压调整变压器（5）相连接。5.根据权利要求3所述的闲置电力智能配电充电系统，其特征在于，所述配电电源为三相电源，所述三相电源为10kv电源，10kv电源通过空气开关i与动力变压器（1）相连接。6.根据权利要求5所述的闲置电力智能配电充电系统，其特征在于，所述动力变压器（1）为10kv转380v的标准变压器或10kv转740v的定制准变压器。7.根据权利要求4所述的闲置电力智能配电充电系统，其特征在于，所述配电电源为三相电源，所述三相电源为380v的低压网络电源；所述隔离变压器（4）为自耦合变压器；所述隔离变压器（4）为输入电压为380v、输出电压为380v的标准隔离变压器或隔离变压器（4）为输入电压为380v、输出电压为740v的定制隔离变压器。8.根据权利要求4-7中任意一项所述的闲置电力智能配电充电系统的使用方法，其特征在于，其步骤为：a1：当充电桩（7）上连接有待充电的新能源汽车时，充电桩（7）将新能源汽车的充电管理系统的充电信息上传至云端服务器（8）；云端服务器（8）根据新能源汽车接入充电桩的时间顺序将所连接的充电桩（7）进行排序得到序列；a2：电力电源网络观察器（2）实时监测配电柜（3）和所有充电桩（7）使用的总电流，总电流通过无线模块传送至云端服务器（8）；云端服务器（8）将总电流与配电网的额定电流比较，当总电流大于额定电流时，云端服务器（8）依次关断序列中数值较大的充电桩（7）。9.根据权利要求8所述的闲置电力智能配电充电系统的使用方法，其特征在于，电力电源网络观察器（2）周期性监测配电网中消耗的总电流，总电流乘以额定电压为实时采样的电力容量，配电网的额定电力容量-实时采样的电力容量为云端服务器（8）可以为新接入充电桩可分配使用的电力。10.根据权利要求9所述的闲置电力智能配电充电系统的使用方法，其特征在于，当有新能源汽车完成充电，连接的充电桩（7）向云端服务器（8）传输充电完成的信息，云端服务器（8）根据充电完成的信息切断对应充电桩（7）停止供电，并将该充电桩移出排序的序列；云端服务器（8）比较电力电源网络观察器（2）监测的总电流与配电网的额定电流，当总电流小于配电网的额定电流，云端服务器（8）依照序列中序号从小到大依次开启相应的充电桩；
当总电流小于配电网的额定电流，则云端服务器（8）不开启新的充电桩（7）。

技术总结
本发明提出了一种闲置电力智能配电充电系统，包括配电电源，配电电源通过空气开关I分别与隔离变压器和配电柜相连接，空气开关I后侧的电源线上设有电力电源网络观察器，电力电源网络观察器与云端服务器相连接；隔离变压器与电压调整变压器相连接，电压调整变压器通过不同的漏电开关分别与不同的充电桩相连接，充电桩与云端服务器通信连接。本发明利用充电桩上传数据结合电力电源网络观察器采集的数据，通过云端服务器处理及计算，能将可用的电力智能分配给需要充电的电动汽车，售电效率大大提高，能充分利用每个时段的剩余电力对所属辖区的电动汽车进行智能充电，可增加数倍的充电桩，使住宅区、商场、酒店、工厂的剩余电力得到充分利用。充分利用。充分利用。


技术研发人员：申英强
受保护的技术使用者：何惠平
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/23