基于PLC的電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)研究

摘 要：本文以PLC控制器為主控單元，結(jié)合PLC各功能模塊，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)主要包括PLC主控制器、觸摸屏人機(jī)交互模塊、充電控制模塊、計(jì)量計(jì)費(fèi)模塊、打印模塊。進(jìn)行了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，硬件包括電源設(shè)計(jì)、充電接口設(shè)計(jì)等，軟件設(shè)計(jì)包括PLC主控制器的邏輯編程、觸摸屏組態(tài)編程、觸摸屏與PLC主控制器及PLC主控制器和上位機(jī)之間的通信參數(shù)配置等。

關(guān)鍵詞：充電樁;PLC;控制系統(tǒng);人機(jī)交互

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.112

0 引言

我國(guó)的汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，給我們的生活提供了極大地便利，但由于大量的汽車(chē)尾氣排放，也嚴(yán)重地污染了環(huán)境。因此，汽車(chē)行業(yè)面臨轉(zhuǎn)型，如何在汽車(chē)行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，已成為世界各國(guó)的共識(shí)。大力發(fā)展新能源汽車(chē)已成為各國(guó)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的不二選擇。

新能源汽車(chē)綠色環(huán)保，對(duì)環(huán)境幾乎不產(chǎn)生污染，因此，各國(guó)汽車(chē)行業(yè)都在積極研發(fā)各類電動(dòng)汽車(chē)替代燃油汽車(chē)以達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的目的。

然而，由于電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力差，充電站不普及，無(wú)疑礙了電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的普及和健康發(fā)展。因此，要發(fā)展新能源汽車(chē)，必須普及汽車(chē)充電站。

作為充電站的重要組成部分，充電樁的設(shè)計(jì)和管理是建設(shè)充電站的關(guān)鍵。

1 充電樁功能分析

充電樁其功能類似于加油站里面的加油機(jī)，用戶可以在觸摸屏上根據(jù)自己的電池類型選擇自己的充電模式和繳費(fèi)方式，既可以用專用的IC卡刷卡繳費(fèi)，也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行電子支付。當(dāng)繳費(fèi)信息上傳后，管理系統(tǒng)再將信息發(fā)送到充電樁，充電樁則判斷充電金額，執(zhí)行充電任務(wù);執(zhí)行過(guò)程中，PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量變送器的值，并轉(zhuǎn)換成消費(fèi)金額的形式，待消費(fèi)金額等于充值金額時(shí)，則斷開(kāi)充電輸出，結(jié)算費(fèi)用，完成充電。并可以即時(shí)打印單據(jù)。

充電樁須有友好的人機(jī)界面，具備手動(dòng)輸入和控制的功能。同時(shí)具備遠(yuǎn)程啟停功能、數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能等[1]。

2 充電樁硬件設(shè)計(jì)

（1）主電路：主電路就是充電樁的配電部分，主要是通過(guò)各種不同型號(hào)的插頭，實(shí)現(xiàn)220V電源與電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的鏈接。當(dāng)PLC控制器發(fā)出指令后，主電路的接觸器會(huì)閉合，接通市電與電動(dòng)車(chē)充電接口的通路。同時(shí)將（接觸器觸點(diǎn)吸合）反饋信號(hào)送至PLC控制器對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）控制電路：控制電路由PLC主控制器及其功能擴(kuò)展模塊組成。主要實(shí)現(xiàn)充電樁正常運(yùn)行控制、各功能塊的保護(hù)、故障檢測(cè)及處理、記錄充電參數(shù)，通過(guò)觸摸屏顯示充電過(guò)程信息及用戶充電金額等信息。

（3）傳感器和通訊接口：包括電量變送器，用于采集和監(jiān)控充電樁輸入及輸出的電能的電壓、電量、頻率和有功功率等參數(shù);通訊接口包括與電量變送器通信的RS485接口，與以太網(wǎng)通訊的RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，還有用于下載PLC程序的PPI通訊接口。

整個(gè)系統(tǒng)主要由PLC主控制器、觸摸屏、即時(shí)打印機(jī)、計(jì)量模塊、充電模塊、電源模塊等組成（如圖1）。

當(dāng)充電樁進(jìn)行充電時(shí)，主控制器對(duì)充電量進(jìn)行計(jì)量和結(jié)算，并即時(shí)打印憑條，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。

本系統(tǒng)主控制器采用西門(mén)子S7-200型PLC，能夠完成充電過(guò)程的啟動(dòng)、充電、計(jì)量、關(guān)閉等過(guò)程的控制，完全能夠滿足要求。觸摸屏選用西門(mén)子SMART 700IE V3型，可用觸摸屏編程軟件WinCC_flexible_SMART_V3進(jìn)行組態(tài)。根據(jù)觸摸指令進(jìn)行人機(jī)交互、充電管理、憑單打印等。

3 充電樁軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，PLC邏輯編程和觸摸屏組態(tài)編程。

PLC邏輯控制原理為：PLC對(duì)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并向工作站系統(tǒng)發(fā)送就緒信號(hào)，等待用戶充電;當(dāng)用戶通過(guò)IC卡充電或通過(guò)手機(jī)支付平臺(tái)將充電金額等信息發(fā)送至中心管理系統(tǒng)，并將信息保存和下發(fā)至停車(chē)場(chǎng)工作站管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)再將信息發(fā)送到終端充電樁，終端充電樁則判斷充電金額，執(zhí)行充電任務(wù);執(zhí)行過(guò)程中，PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量變送器的值，并轉(zhuǎn)換成消費(fèi)金額的形式，待消費(fèi)金額等于充值金額時(shí)，則斷開(kāi)充電輸出，結(jié)算費(fèi)用，完成充電。

交流充電樁觸摸屏畫(huà)面包括主界面和分界面共十幾個(gè)，根據(jù)本系統(tǒng)功能要求，觸摸屏操作平臺(tái)必須能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、圖形顯示、人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等功能[2]，并方便用戶切換相應(yīng)畫(huà)面;通過(guò)組態(tài)按鈕、文字、顯示、輸入和功能鍵等部件工具進(jìn)行觸摸屏操作畫(huà)面編輯設(shè)計(jì)。

4 充電樁監(jiān)控和通信

整個(gè)充電樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為中心管理和數(shù)據(jù)庫(kù)層、中間管理層、終端充電樁。

中心管理和數(shù)據(jù)庫(kù)層：用于和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的手機(jī)支付平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及與用戶進(jìn)行收發(fā)短信的功能;管理和控制各充電站的控制中心;將遠(yuǎn)程充電樁的狀態(tài)及用戶數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在公司自建的服務(wù)器中，保障用戶個(gè)人信息的安全。

中間管理層：用于管理、監(jiān)測(cè)和控制本站的充電樁的狀態(tài)及運(yùn)行過(guò)程，接收發(fā)中心管理和數(shù)據(jù)庫(kù)層的充電指令或取消充電指令，并反饋充電樁狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

終端充電樁：用于執(zhí)行充電任務(wù)，監(jiān)控充電參數(shù)（充電電量、充電金額、充電前電量、充電后電量等）及運(yùn)行狀態(tài)（充電就緒、充電中、故障、失去連接、充電完成、取消充電、急停等）保護(hù)系統(tǒng)安全及用戶充電系統(tǒng)的安全;通過(guò)中間管理層向中心管理和數(shù)據(jù)庫(kù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

因此，本系統(tǒng)通信包括三部分：PLC與觸摸屏之間的通信、電動(dòng)汽車(chē)與充電樁之間的通信、充電樁與上位機(jī)之間的通信。

（1）PLC與觸摸屏通過(guò)RS-485通信電纜連接，通過(guò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)連接。

（2）電動(dòng)汽車(chē)與充電樁之間的通信是指電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）與充電樁的通信。BMS能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池分組管理，即時(shí)監(jiān)測(cè)電池單體的端電壓、溫度，帶時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)記錄，能進(jìn)行電池充電、放電電流測(cè)量，能通過(guò)內(nèi)部通信總線發(fā)給各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊;并且BMS系統(tǒng)對(duì)單體電池進(jìn)行完善的保護(hù)，如過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、總電壓過(guò)壓保護(hù)、總電壓欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等。

每一臺(tái)充電樁都有一個(gè)獨(dú)立的PLC控制，電動(dòng)汽車(chē)與充電樁之間的信號(hào)通過(guò)充電線纜進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)載波通信。

（3）系統(tǒng)可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)分散的充電樁集中控制、管理和監(jiān)測(cè)。這樣，電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁系統(tǒng)能夠使用手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備在任意充電樁上均可根據(jù)充電樁ID和付費(fèi)短信號(hào)碼編輯短信付費(fèi)充電，亦可采用IC卡，為用戶使用提供更便捷的服務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車(chē)綠色環(huán)保，因此，各國(guó)汽車(chē)行業(yè)都在積極研發(fā)各類電動(dòng)汽車(chē)替代燃油汽車(chē)以達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的目的。但充電問(wèn)題成為了電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要瓶頸，充電站的建設(shè)已成為迫在眉睫的問(wèn)題。本文以PLC控制器為主控單元，結(jié)合PLC各功能模塊，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)。并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程全面監(jiān)控和控制用戶無(wú)需購(gòu)買(mǎi)業(yè)務(wù)付費(fèi)IC卡，只需通過(guò)發(fā)送短信的形式，就能實(shí)現(xiàn)繳費(fèi)充電的功能;系統(tǒng)不僅操作簡(jiǎn)單、方便、可靠性高，還能有效提高設(shè)備使用效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁金云，王向東，王冬青，王海銘.基于plc的電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁控制系統(tǒng)研發(fā)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2015（02）.

[2]李潔，胡曉東，劉巖.PLC與觸摸屏在直流充電樁中的通信研究[J].自動(dòng)控制，2018（08）.

項(xiàng)目名稱：一種基于PLC控制的電動(dòng)汽車(chē)充電樁的研發(fā)

項(xiàng)目編號(hào)：2018GX084

作者簡(jiǎn)介：孫寶平（1969-），男，山東諸城人，本科，工程碩士，講師，研究方向：機(jī)電一體化、物流技術(shù)。