電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

夏華 肖偉

[摘? ? 要]伴隨社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車的保有量增加越來越快，汽車廢氣對環(huán)境的污染也是非常的嚴(yán)重。為了保護環(huán)境，必須減少或消除車輛廢氣，在這種情況下出現(xiàn)了電動汽車，電動汽車用電供提動力，對充電樁的研究也是非常有意義的，因為它們是電動汽車的電力來源。本文考慮到限制電動汽車發(fā)展的因素（電池和充電方法），提出了一種基于交流充電樁的電動汽車充電方案，設(shè)計了電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)以及描述硬件設(shè)計。包括主充電電路單元、主控制電路單元、人機交互單元、刷卡單元以及軟件系統(tǒng)和主程序。

[關(guān)鍵詞]電動汽車;充電樁;控制系統(tǒng)

[中圖分類號]U491.8;TM910.6 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]With the rapid development of social economy， the number of cars is increasing faster and faster， and the pollution of automobile exhaust gas to the environment is also very serious. In order to control the environment， it is necessary to reduce or eliminate vehicle exhaust gas， and in this case， electric vehicles appear， electric vehicles use electricity to provide power， and the research of charging piles is also very meaningful， because they are the power source of electric vehicles. In this paper， considering the factors restricting the development of electric vehicles （batteries and charging methods）， a charging scheme of electric vehicles based on AC charging piles is proposed， the control system of electric vehicle charging piles is designed， and the hardware design is described. It includes main charging circuit unit， main control circuit unit， human-computer interaction unit， card reading unit， software system and main program.

[Keywords]electric vehicle; charging pile; control system

電動汽車由其車載電池的放電供電，電池的存儲取決于充電樁，因此對充電樁的研究非常重要。充電樁的設(shè)計是否科學(xué)，將直接影響整個電動汽車行業(yè)，也是人們在使用電動汽車的過程中最擔(dān)心的問題之一。

1 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀

全球溫度升高以及石油資源的渴求和空氣污染使全球能源危機越來越嚴(yán)重，各國政府和汽車公司在未來的汽車技術(shù)發(fā)展中通重視節(jié)約能源和減少排放的問題。這兩個問題在電動汽車的發(fā)展方向上被一一解決，汽車工業(yè)的未來發(fā)展方向代表電動汽車具有環(huán)保特性。電動汽車解決了無需裝卸電池交流充電樁方法，以及隨時隨地補充電能的問題，實現(xiàn)充電樁可以通過充電電纜直接充電。同時，電能以交流電源的形式提供，不會損害電池。交流充電樁便于連接到電網(wǎng)的電力系統(tǒng)，電動汽車可以放置在超級停車場、辦公樓、居民區(qū)的專用充電站中并可以同時為兩輛電動汽車充電。

2 充電方法的設(shè)計

電極電位偏離其平衡值的現(xiàn)象在電流流過電極電位時就是極化，這不僅導(dǎo)致電池變熱還降低了電池的效率，加速了電池的劣化并影響電池的壽命。隨著充電電流的增加，必須減弱電池充電的極化現(xiàn)象避免極化現(xiàn)象，變得更加嚴(yán)重從而阻止了電池的充電。美國科學(xué)家根據(jù)電池放氣率最低的假設(shè)，提出了電池的最佳充電電流曲線。充電過程中為避免極化要將電流保持在曲線以下，脈沖充電方法就是間歇電流給電池充電的方法。電池充電電流的接受率可以添加適當(dāng)?shù)呢?fù)脈沖在停止間歇充電時提高，減少極化的影響提高充電速度。如果電池充滿電后，則電池電壓顯示負(fù)向升高，內(nèi)部壓力和溫度將迅速升高，從而嚴(yán)重?fù)p壞電池。因此，為了控制充電，需要使用某種控制方法，并且在這個階段，定時控制方法、電壓控制方法、溫度控制方法等主要是充電結(jié)束的控制方法

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主電路硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計

三相工頻交流電源（380V/50Hz）是充電樁輸入，由于輸出電流范圍達(dá)到0～150A、輸出電壓范圍達(dá)到0～500V、逐漸充電等相對較大。主電路由放電電路、輸入濾波器整流電路和逆變器電路組成。采用三相橋式整流，將輸入的三相工頻交流電（380V/50Hz）整流為直流電輸出，通過電容器Ca和電感La濾波是其主要功能，實現(xiàn)三相整流濾波電路AC-DC轉(zhuǎn)換。逆變器電路將從輸入濾波整流器電路輸出的直流電通過四個IGBT管Q1、Q2、Q3和Q4轉(zhuǎn)換為高頻脈沖交流電，高頻變壓器通過電壓降低，所需的直流電壓通過整流獲得所需。四個IGBT管的開/關(guān)時間以及二次側(cè)的匝數(shù)比和高頻變壓器一次側(cè)取決于它的大小，DC-AC-DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了該電路。TLC5615將單片機通過放電去極化電路的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號以控制Q5，并在充電過程中以指定電流對電池放電以使鋰電池極化。

對電壓進行濾波電路和輸出整流并將其跨接在電池組上，進行整流和濾波為電動汽車充電?？刂葡到y(tǒng)接收控制命令，通過調(diào)整IGBT開關(guān)管的接通和斷開時間將其發(fā)送到電荷堆PWM脈寬調(diào)制逆變器電路來控制電流的大小和電池輸出電壓，整個控制系統(tǒng)圖示出了基于MSP430F149單片機的示意圖，該單片機采樣速度快、誤差小、功耗低、指令集簡化的16位混合單片機。如圖1所示

3.2 信號采集及系統(tǒng)保護的設(shè)計

充電樁正在充電時通過信息收集電路準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前運行狀態(tài)，其是否正常應(yīng)根據(jù)當(dāng)前運行狀態(tài)判斷。過壓保護、過流保護、短路保護、風(fēng)扇失速、過熱保護、電荷堆繼電器運行等通過信息收集電路收集的信息進行。表明控制器通過調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電流和電壓，并通過可編程邏輯門電路將信息發(fā)送到單片機。

3.3 軟件設(shè)計

該軟件系統(tǒng)是電動汽車充電的重要部分，其中最重要的是IC卡讀卡器，它可以直接識別電動汽車的用戶是否刷卡并提示用戶進行操作，進行充電樁的運行檢測。刷卡后，用戶按照顯示屏上的提示使用鍵盤選擇充電模式，然后啟動充電樁。此時，主程序確定是否選擇了連接狀態(tài)和模式。開始充電后，將顯示用戶信息，IC卡余額，顯示直至充電結(jié)束。最后，指示燈用于判斷充電和計費是否完成，這些是軟件系統(tǒng)發(fā)揮的功能。主程序分為中央控制模塊、IC卡識別模塊、通信模塊、現(xiàn)實模塊、打印機模塊和檢測模塊。在這六個模塊的協(xié)調(diào)下，完成電動汽車充電。

4 充電樁控制系統(tǒng)仿真

4.1 仿真軟件簡介

MATLAB是由美國MathWorks開發(fā)和研究的數(shù)學(xué)軟件。當(dāng)前，它主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域。主要功能包括Matlab和Simulink兩部分。有數(shù)值分析、符號計算、控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理以及通信系統(tǒng)仿真和設(shè)計。MATLAB的主要優(yōu)勢在于，它具有完整的圖像處理功能，可以對計算結(jié)果進行可視化和編程，功能豐富的應(yīng)用工具箱為用戶提供了許多便捷的處理工具，節(jié)省設(shè)計時間。高效的計算（符號和數(shù)值）功能簡化了數(shù)學(xué)運算，并使用戶擺脫了復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。在本文中將使用Matlab的Simulink部分來構(gòu)建模型并模擬系統(tǒng)。Simulink具有應(yīng)用范圍廣、流程結(jié)構(gòu)清晰、效率高和靈活性高的優(yōu)點，并且在日常研究中越來越多地用于對研究對象進行建模和模擬。建立模型的主要步驟是分析問題、選擇模型、建立模型、模擬模型并最終分析誤差。

4.2 PFCAC/DC仿真實驗

首先，利用Matlab的Simulink模型仿真軟件建立基于差分平坦度理論的PFC AC/DC轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)模型，并通過建立的模型進行電路仿真。仿真結(jié)果表明，差分平面功率控制方法在電荷堆控制系統(tǒng)穩(wěn)定輸出方面具有明顯的優(yōu)勢，解決了電荷堆處于低功率充電狀態(tài)時效率低的問題。

4.3 溫度檢測實驗

溫度檢測實驗主要通過溫度檢測模塊對培養(yǎng)箱中的檢測模塊進行溫度數(shù)據(jù)，將檢測到的溫度進行比較，計算出檢測精度，用于溫度檢測的實驗數(shù)據(jù)見表1所示。最大誤差被抑制到0.4 ℃，計算出的平均誤差約為0.19 ℃?？梢钥吹綔囟葯z測是準(zhǔn)確的并且符合設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)。仿真表明，所設(shè)計的控制電路符合設(shè)計要求，已達(dá)到誤差允許的標(biāo)準(zhǔn)。在溫度檢測實驗中還進行了誤差分析，實驗已將溫度檢測誤差控制在一定范圍內(nèi)，這是精確設(shè)計的要求。

5 充電方式簡介

恒定法定義是在電動汽車的充電過程中，由充電樁提供的電壓保持不變。首先，在對電動車輛充電時，用于電動車輛的電池內(nèi)部電阻非常小且電流非常大，電池內(nèi)部電阻也繼續(xù)增加，當(dāng)充電樁的輸出電壓等于電池的內(nèi)部電壓時，充電電流幾乎減小到零。此時，充電樁的輸出充電電流很小，影響了電池的內(nèi)部反應(yīng)和電動汽車電池的壽命。由于這些缺點，這種充電方法不適用于大規(guī)模施工。恒流方法定義在電動汽車的充電過程中，充電樁提供的電流不變。首先，在給電動車輛的電池充電時，電池的內(nèi)阻將隨著充電時間的增加而繼續(xù)增加，如果使用恒流充電方法，則電池兩端的電壓將隨著時間而增加，輸出充電樁上的電壓也必須隨時間連續(xù)增加。因此，這需要相對較高的裝載樁設(shè)備，并且增加了裝載樁結(jié)構(gòu)的成本。

6 結(jié)語

綜上所述，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車充電樁的功能不斷提高，對充電樁的研究將是一個長期的課題。電動汽車充電樁控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和有限的時間，專業(yè)水平仍需要提高，盡管該系統(tǒng)的某些功能設(shè)計和要求已經(jīng)完成，但是該設(shè)計仍然存在缺陷，可以進一步研究和討論其相關(guān)技術(shù)和設(shè)計。

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