技术领域
[0001] 本
发明属于电
力电子技术及数字
信号处理技术，涉及
云接入功能技术，具体是一种新型非车载智能直流充电桩。
背景技术
[0002] 在世界各地，伴随石油等传统资源的枯竭以及环保的要求，世界
汽车产业进入全面交通
能源转型时期，发展电动汽车成为国际上取得高度共识的实现交通能源转型的技术路线。电动汽车直流充电桩作为一种专为电动汽车的车用
电池进行快速充电的设备得到了快速发展；目前，直流充电桩采用已非常而一些充电桩无车可充，造成时间和充电资源的浪费。
发明内容
[0003] 为解决
现有技术的不足，本发明的目的在于通过对几种特殊运行方式下的配
电网故障进行分析，从而得到解决该特殊运行方式下的故障处理的方法，并通过差异化故障处理补充技术，将其融入配电网故障处理功能模
块中，满足现阶段配电网故障处理能力的需求。
[0004] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0005] 本发明的积极效果和优点是：
[0006] 一种新型非车载智能直流充电桩，包括
电场式3D手势输入及LCD显示即
人机界面、
读卡器、控制部分及AC/DC变换部分，其中，AC/DC变换部分是产生供給电动汽车直流电的执行机构，由BMS辅助电源、智能型
电压谐振
开关电源及其保护单元构成，BMS辅助电源和智能型电压谐振
开关电源都由控制部分进行智能控制分别产生适合电动汽车BMS供电要求和电动汽车动力电池充电要求的DC电源；读卡器实现用户身份确认以及付费等功能；控制部分是实现该智能直流充电桩的核心部分，由RISC主控制单元、车型识别系统、BMS通讯系统、GPS模块、综合测量模块、云接入单元构成，车型识别系统实现了对将要充电车辆的车型进行视觉识别确认并将该信息交由RISC主控制单元进行处理分析从而确定该车辆BMS所需要的供电电压等级并控制AC/DC变换部分的BMS辅助电源产生该电压等级的直流电源为电动汽车的BMS进行可靠供电，车型识别系统获取的影像信息通过云接入单元上传至远方云端，BMS通讯系统在电动汽车的BMS得到可靠供电后即可与电动汽车的BMS进行握手连接从而进行可靠的实时通讯，RISC主控制单元对其通讯数据进行分析得到电池所需电源的参数，然后对AC/DC变换部分的智能型电压谐振开关电源进行控制使其输出相应的直流电。
[0007] 而且，所述云接入单元由三部分构成：RISC处理器为核心的主控制部分、2.4GHz IEEE 802.11b/g模块、WIFI无线路由器，主控制部分内部装载实时嵌入式Linux
操作系统及MySQL关系型
数据库，内嵌TCP/IP协议、HTTP协议、USB协议栈，将通过USB总线获得的主
控制器数据及视频数据进行HTTP封装并进行TLS/SSL加密存入MySQL数据库，满足用户的基于B/S的
访问要求，并通过通用I/O端口控制2.4GHz IEEE 802.11b/g模块工作，将数据通过以太网
接口传输至2.4GHz IEEE 802.11b/g模块，该模块符合IEEE 802.11标准，具有低功耗特性的2.4GHz无线通讯模块，含有所有相关的RF元件——晶振、带集成MAC的旁路和无源偏置
电路、基带、RF和功率
放大器，以及支持AES和TKIP(WEP、WPA和WPA2安全性)的内置
硬件，内部集成PCB螺旋天线，模块内嵌TCP/IP协议栈支持IEEE标准802.11和TCP/IP、HTTP等服务，轻松实现基于B/S的无线Web服务,该2.4GHz IEEE 802.11b/g模块将主控制部分数据进行DSSS/OFDM调制形成工作于ISM波段2.400至2.484GHz的无线信号，通过WIFI传输至WIFI无线路由器，反之，亦将WIFI无线路由器的无线信号进行解调制通过以太网接口传送至主控制部分；WIFI无线路由器是利用符合IEEE 802.11标准的2.4GHz频段，组建一个无线局域网，并配置无线局域网的基本信息，通过Linux系统的iptables将无线局域网接人到4G网络中，该路由器是基于三个模块来实现的，分别为4G Network Service单元、IEEE 802.11b/g控制器和GPS控制器，4G Network Service单元的功能是利用运营商的无线数据卡进行PPP拨号，使得路由器能通过运营商网络连接至互联网，IEEE 802.11b/g控制器的功能是使得无线网卡工作在AP(Access Point)模式，并配置动态主机配置协议的脚本文件，来建立一个2.4GHz的WiFi无线局域网，该路由器装载了嵌入式Linux操作系统，它主要实现两个方面的功能，一方面支持4G Network Service单元和IEEE 802.11b/g控制器的驱动，另一方面要通过嵌入式Linux系统中的iptables数据包过滤系统将无线局域网与4G网络连通，2.4GHz IEEE 802.11b/g模块通过WiFi信道接入到该路由器所提供的无线局域网中，分配到一个IP地址之后，则通过该无线局域网的网关进行数据包的接收和发送，而该网关则通过4G Network Service单元上的网络拨号接口来接收和发送数据包至4G网络，从而实现主控制部分与互联网的数据交互。
[0008] 本发明的积极效果和优点是：
[0009] 本发明提供的新型非车载直流充电桩具有云接入功能，普通用户通过任何可以连接到互联网的设备即可查询到该充电桩的
位置成熟的Buck-Boost Converter电路拓扑和技术，使得电路可靠性提高，整个工作期间效率都在90％以上。但是，由于电动汽车车型不同其BMS需要的
电源电压等级不同，而该电源在充电期间需要直流充电桩提供，这就要求充电桩与电动 汽车进行匹配才能进行正常充电，在实际使用中会出现一些麻烦甚至事故；尽管直流快速充电方式其充电时间已经大大缩短但也需要40分钟左右的时间，如果需要充电的车辆与直流充电桩没有得到合理的分配与安排，会造成部分充电桩车满为患，、状态等信息，为用户充电提供了便捷的服务和有力的支持；
[0010] 本发明提供的新型非车载直流充电桩采用3D手势操作界面，用户不
接触充电桩即可完成所有
人机交互操作，具有强大的环境适应性并且安全性也更加可靠。
[0011] 本发明提供的新型非车载直流充电桩具有车辆车型识别功能，自动识别充电车辆的车型，根据车型自动调整BMS需要的电源电压，无需用户干预，可靠性大大提高，完全实现了充电桩工作的无人值守。
[0012] 本发明提供的新型非车载直流充电桩可满足所有车型的不同需求，是一款智能的新型非车载直流充电桩。
附图说明
[0014] 图2是本发明的系统原理图；
[0016] 图4是本发明中的3D手势人机界面原理框图；
[0017] 图5(a)为是本发明中的智能型功率变换模块的原理框图；
[0018] 图5(b)为是本发明中的智能宽
输出电压范围开关电源的原理框图；
[0019] 图6是本发明的车型识别原理框图。
具体实施方式
[0020] 以下结合附图和具体
实施例对本发明作具体的介绍。
[0021] 一种新型非车载智能直流充电桩，见图1、图2，包括电场式3D手势输入及LCD显示即人机界面、读卡器、控制部分及AC/DC变换部分，其中，AC/DC变换部分是产生供給电动汽车直流电的执行机构，由BMS辅助电源、智能型电压谐振开关电源及其保护单元构成，BMS辅助电源和智能型电压谐振开关电源都由控制部分进行智能控制分别产生适合电动汽车BMS供电要求和电动汽车动力电池充电要求的DC电源，保护单元实现了开关
电源过压、过流以及
雷击保护；电场式3D手势输入及LCD显示这种创新式的人机交互界面，无须用户接触即可完成整个充电过程所有人机界面操作，将环境影响降到最低，在寒冷的天气用户不必脱掉手套也可轻松实现输入功能，由于无须接触其安全性也大大提高；读卡器实现用户身份确认以及付费等功能；控制部分是实现该智能直流充电桩的核心部分，由RISC主控制单 元、车型识别系统、BMS通讯系统、GPS模块、综合测量模块、云接入单元构成，车型识别系统实现了对将要充电车辆的车型进行视觉识别确认并将该信息交由RISC主控制单元进行处理分析从而确定该车辆BMS所需要的供电电压等级并控制AC/DC变换部分的BMS辅助电源产生该电压等级的直流电源为电动汽车的BMS进行可靠供电，车型识别系统获取的影像信息可以通过云接入单元上传至远方云端，方便用户查看充
电机附近的实时影像，BMS通讯系统在电动汽车的BMS得到可靠供电后即可与电动汽车的BMS进行握手连接从而进行可靠的实时通讯，RISC主控制单元对其通讯数据进行分析得到电池所需电源的参数，然后对AC/DC变换部分的智能型电压谐振开关电源进行控制使其输出相应的直流电，实现对电动汽车的充电功能；综合测量模块实现了对该新型非车载智能直流充电桩的电压、
电流、绝缘以及相应输入输出开关量的检测，如有异常进行相应的保护措施，并提供本地及云端报警，保证充电桩安全稳定运行，云接入单元将该新型非车载智能直流充电桩与远端云
服务器进行可靠连接，实现了将充电桩各项数据传送到远方云端的同时还可以实现对该新型非车载智能直流充电桩的远程诊断及现场重编程功能，给用户及运行维护人员提供了极大的方便。
[0022] 该系统原理总框图描述了该新型非车载智能直流充电桩总体硬件的框架构成与控制流程。图2中，JK1为交流输入开关、JK2为单相交流输入开关、MK1—MK6为功率变换模块输入开关、ZC1为直流输出开关、RT1和RT2为熔断器、N3为智能宽输出电压范围开关电源、M1—M6为智能型功率变换模块。该新型非车载智能直流充电桩的运行分为两个状态：待机状态和工作状态。无论何种运行状态其左右的交流输入开关均闭合。在待机状态下，N3与M1—M6处于低功耗工作模式只有其控制单元在工作，此时功率变换部分没有工作、ZC1在断开位置。N2处于睡眠状态，时刻等待用户唤醒。N1、N4、N5、N6(只
图像采集部分)在运行状态，此时作为
主控制器的N1与其它单元保持正常的通讯，时刻判断其它单元的状态，当有用户通过网络接入访问时，实时将充电桩的数据通过N5传输到云服务器提供给用户查询；当N2被用户唤醒进行人机交互，该新型非车载智能直流充电桩判断用户要进行充电时，充电桩进入工作状态，首先N6进行
图像分析车型判断，将车型结果通过485接口发送至N1，N1查找数据库找到该车型BMS所需的电压值，然后启动N3使其输出该电压等级的直流电为电动汽车BMS供电，N1通过CAN总线得到电动汽车充电信息后，根据BMS的数据控制M1—M6启动并输出相应的电压电流，当输出直流与
电动汽车电池电压一致时闭合ZC1，实现对电动汽车的充电，当充电结束时ZC1断开，充电桩回到待机状态。
[0023] 见图,3，新型非车载智能直流充电桩中的云接入单元的硬件构成与工作原理是：
[0024] 云接入单元由三部分构成：RISC处理器为核心的主控制部分、2.4GHz IEEE802.11b/g 模块、WIFI无线路由器，主控制部分内部装载实时嵌入式Linux操作系统及MySQL关系型数据库，内嵌TCP/IP协议、HTTP协议、USB协议栈，将通过USB总线获得的主控制器数据及视频数据进行HTTP封装并进行TLS/SSL加密存入MySQL数据库，满足用户的基于B/S的访问要求，并通过通用I/O端口控制2.4GHz IEEE 802.11b/g模块工作，将数据通过以太网接口传输至2.4GHz IEEE 802.11b/g模块，该模块符合IEEE 802.11标准，具有低功耗特性的2.4GHz无线通讯模块，含有所有相关的RF元件——晶振、带集成MAC的旁路和无源
偏置电路、基带、RF和
功率放大器，以及支持AES和TKIP(WEP、WPA和WPA2安全性)的内置硬件，内部集成PCB螺旋天线，模块内嵌TCP/IP协议栈支持IEEE标准802.11和TCP/IP、HTTP等服务，轻松实现基于B/S的无线Web服务,该2.4GHz IEEE 802.11b/g模块将主控制部分数据进行DSSS/OFDM调制形成工作于ISM波段2.400至2.484GHz的无线信号，通过WIFI传输至WIFI无线路由器，反之，亦将WIFI无线路由器的无线信号进行解调制通过以太网接口传送至主控制部分；WIFI无线路由器是利用符合IEEE 802.11标准的2.4GHz频段，组建一个无线局域网，并配置无线局域网的基本信息，通过Linux系统的iptables将无线局域网接人到4G网络中，该路由器是基于三个模块来实现的，分别为4G Network Service单元、IEEE 802.11b/g控制器和GPS控制器，4G Network Service单元的功能是利用运营商的无线数据卡进行PPP拨号，使得路由器能通过运营商网络连接至互联网，IEEE802.11b/g控制器的功能是使得无线网卡工作在AP(Access Point)模式，并配置动态主机配置协议的脚本文件，来建立一个2.4GHz的WiFi无线局域网，该路由器装载了嵌入式Linux操作系统，它主要实现两个方面的功能，一方面支持4G Network Service单元和IEEE 802.11b/g控制器的驱动，另一方面要通过嵌入式Linux系统中的iptables数据包过滤系统将无线局域网与4G网络连通，2.4GHz IEEE 802.11b/g模块通过WiFi信道接入到该路由器所提供的无线局域网中，分配到一个IP地址之后，则通过该无线局域网的网关进行数据包的接收和发送，而该网关则通过4G Network Service单元上的网络拨号接口来接收和发送数据包至4G网络，从而实现主控制部分与互联网的数据交互，通过该云接入单元新型非车载智能直流充电桩可以轻松实现互联网的云接入功能，实现了该充电桩的高度智能化。
[0025] 图4描述了3D手势人机界面的硬件构成与工作原理，图中CH1—CH5：接收
电极和手(大地)之间的电容。相对于人的躯体来说，手的尺寸非常小，始终可以视为接地。CRX1TX——CRX5TX：接收电极和发送电极之间的电容。CRX1G——CRX5G：接收电极到系统地的电容+接收器电路的输入电容。CTxG：发送电极到系统地的电容。该3D手势人机界面是采用电场感应技术实现的3D
手势识别和运动
跟踪结合LCD显示的新一代人机交互界面。它利用手和
手指的移动作为 用户命令输入。运用电近场传感原理，具有强大的3D手势输入传感系统，提供了一组丰富的智能功能，包括：集成信号
驱动器、用于实现自动噪声抑制的
频率自适应输入路径，以及
数字信号处理单元。该3D手势人机界面可将位置数据、触摸或多点触摸信息添加到自由空间手势传感，是特别适合充电桩的新一代
用户界面。该3D手势人机界面的核心是3D传感技术，该技术利用电场(E-field)进行高级接近传感。它可以通过检测、跟踪和分类用户在自由空间中的手势来实现用户界面应用。电场由电荷产生，分布在表面带电荷的三维空间。
对电极施加直流电压(DC)会产生持续电场。施加交流电压(AC)时电荷会随着时间变化，从而产生电场。当电荷随着频率f按照正弦曲线变化时，产生的
电磁波特性
波长λ＝c/f，其中c是
波速——
真空中的光速。在波长比电极几何大小大很多的情况下，磁分量实际为零，且不会传播电波。所得到的是准静态电近场，可用于感应导电物体(如人体)。该3D手势人机界面使用100kHz范围内的发送频率，这会反射出大约3km的波长，而电极几何大小通常小于14x 14cm，相比而言波长较大。在人手或手指进入电场时，电场会失真。由于人体本身的
导电性，因此电场线会沿着手部分流到地面，本地的三维电场会减小。该3D手势人机界面使用5个电极接收器(如图4所示)电极检测不同位置的电场变化，以测量电场失真——偏离所接收到的不断变化的信号，5个接收电极的信号进入ADC进行
模数转换，并将转换好的
数字量进入3D手势信号控制及
信号处理单元，进行数字信号处理并使用基于隐
马尔可夫模型(Hidden Markov Model，HMM)的高级随机分类，即可实现手势识别。然后将识别出的手势在
数据处理及通信口控制单元中与LCD的显示信息数据进行分析得到用户的确定操作信息，并通过USB总线传输至主控制器，主控制器根据该信息实现相应控制，并将结果回显到LCD中，从而完成人机交互工作。
[0026] 图5(a)、图5(b)描述了智能开关电源的框架构成与工作流程。图5(a)为智能型功率变换模块的原理框图。图5(b)为智能宽输出电压范围开关电源的原理框图。在图5(a)中，交流380伏三相四线电源首先进行EMI滤波保证其为
波形较好的正弦电源，在经过整流滤波形成直流电源，在经过DC/DC多谐振功率变换与输出滤波，最后输出平滑稳定的直流电。其中DC/DC多谐振功率变换采用电压谐振
软开关技术，包括高频谐振逆变桥、高频隔离
变压器、高频整流三个环节，工作于PFM(脉冲频率调制)方式，采用“谐振电压型双环控制”，具有即时控制、前馈补偿功能、同时又具有谐振式电路高效率、高可靠性、低干扰的显著优势；RISC主控器接收充电桩主控器的指令以及直流输出的反馈情况，分析处理各项数据后控制多谐振控制回路，高频谐振逆变桥在控制回路的驱动下逆变桥内部的开关管交替导通并与谐振电感、主变压器的初级绕组、谐振电容构成LC网络，在该网络中电流呈正选曲线变化 规律，因而在主变压器的次级输出的电流亦呈正弦规律变化，因此，次级开关型整流
二极管是自然关断的，工作在软开关状态；网络中的电流在自然过零后换相开始反方向的正弦曲线变化，在主变压器次级输出反方向的正弦电流，同样开关管为零电压关断，在在控制回路的驱动下继续下一个开关周期。RISC主控器实时监控直流输出反馈以及充电桩的
温度、电压、电流，并根据数据作出响应去控制多谐振控制电路始终保持充电机的稳定运行。在图5(a)中，单相交流电源通过EMI及无源功率因数校正进入开关调整电路进行功率变换，变换后经过输出整流滤波为电动汽车BMS供电。该智能宽输出电压范围开关电源的功率变换模式采用PWM与PFM相结合单极式、单控输出的控制方式，在此输出宽电压范围调节方式中，在绝大部分过程中采用恒频PWM控制方式，从而实现体积小、重量轻、和动态响应速度快的优点，而在恒频PWM方式难以实现的输出范围采用PWM控制与PFM控制相结合的控制方式，即墨个固定电压对应一个开关频率，不同的输出电压有着不同的开关频率，当工作某个确定电压时，在该点的调制方式是恒频的PWM控制，采用这种控
制模式，开关频率的变化范围为单纯的PFM控制方式小得多，而输出电压范围比单纯的PWM控制方式大得多，满足了所有车型BMS的供电要求。RISC主控器接收充电桩主控器的指令并实时监控直流输出反馈，根据指令与数据作出响应去控制PWM与PFM电路始终保持BMS稳定供电。
[0027] 图6描述车型识别的框架构成与工作流程。首先对车辆进行影像采集输入(该影像可以实时传送到远端云服务器，用于用户随时浏览)对图像进行
帧摄取，一幅为背景图像，一幅为车辆图像，然后对图像进行预处理，由于拍摄图像时受到种种条件的限制与干扰，图像的色彩往往与实际不完全匹配这将影响后续处理，这时采用色彩校正的方法来处理，达到增强图像可识度与
分辨率，对于受噪声干扰严重的图像，由于噪声点多在频域中映射为高频分量，因此可以通过LPF来滤除噪声，即对图像进行平化处理，平化处理后图像的物体边缘区域会产生模糊的现象，为了克服图像中物体边缘模糊，对其进行提取边缘操作，即给中心点象素值与其邻域平均值的差值设置一固定的
阈值，只有大于该阈值的点才能替换为邻域平均值，而差值不大于阈值时，仍保留原来的值，从而减少由于平均化引起的图象模糊。进行上述图像预处理后，对车辆图像和背景图像进行查分运算并进行分割操作，使得车辆从背景中分离出来，在对车辆图像进行二值化处理以利于特征提取，对其特征进行智能分析并数字化与数据库中的车型数据对比，从而识别出具体车辆型号，最终将车型信息通过USB总线传输至主控制器，主控器根据车型数据对智能宽输出电压范围开关电源下达正确指令，实现充电桩为电动汽车BMS智能供电。
[0028] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解， 上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
