基于負載的新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計

楊小剛　王慧華

摘 ?要： 針對新能源汽車充電樁充電時間短、輸出功率大的特點，設(shè)計一種以STC89C52控制器為系統(tǒng)控制核心的基于負載的新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用傳感器模塊采樣監(jiān)測新能源汽車充電信息以及數(shù)據(jù)，依據(jù)電能表通信方式設(shè)置以RS 485為統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的通信模塊，令計量電能表與主控制器之間可實現(xiàn)高效通信;主控制器為抑制諧波現(xiàn)象，采用有源電力濾波器利用充電樁負載情況調(diào)節(jié)充電樁補償容量，并通過模糊免疫自適應(yīng)PID依據(jù)充電樁負載情況控制開關(guān)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。通過系統(tǒng)測試驗證，采用該系統(tǒng)控制新能源汽車充電樁具有穩(wěn)定、可靠的效果，且長期使用該控制系統(tǒng)可節(jié)省大量經(jīng)濟成本。

關(guān)鍵詞： 新能源汽車; 充電樁控制; 負載; 遠程通信; 系統(tǒng)測試; 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN245?34; TM910 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0131?04

Design of new energy vehicle charging pile control system based on load

YANG Xiaogang， WANG Huihua

（Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300350， China）

Abstract： In allusion to the characteristics of short charging time and high output power of new energy vehicle charging pile， a new energy vehicle charging pile control system based on load is designed with the STC89C52 controller as the control core of the system. In the system， the sensor module is used to sampling and monitoring the charging information and data of new energy vehicle. The communication module with RS 485 as the unified data interface is set according to the communication mode of the electricity meter， by which the high?efficiency communication between the meter and the main controller can be realized. In the master controller， active power filter is used to adjust the compensation capacity of charging pile according to the load of charging pile， so as to suppress harmonic phenomenon， and the fuzzy immune adaptive PID is used to control the switch according to the load of the charging pile to ensure the stable operation of the system. The system testing verify that the system is stable and reliable in controlling the charging pile of new energy vehicles， and its long?term use can save a lot of economic costs.

Keywords： new energy vehicle; charging pile; load; remote communications; system testing; system design

0 ?引 ?言

充電樁又名供電裝置，通常設(shè)置于居民小區(qū)或公共建筑停車場與充電站內(nèi)供車載充電機電動汽車充電[1]。充電樁以傳導方式為電動汽車提供電能，具有簡便、易操作的充電接口以及人機交互操作界面，并具有測控以及保護功能，為電動汽車使用者提供較大便利。隨著新能源汽車不斷發(fā)展，充電樁不斷更新，充電樁充電速度有所提升[2?3]。充電樁開發(fā)周期及開發(fā)成本決定供電方獲取利益情況，高效的充電樁控制系統(tǒng)可有效控制成本，充電樁擴展性也極為重要。以往新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)存在功能過于簡單、開發(fā)周期長及缺少擴展性等缺陷，為節(jié)省供電方控制成本，令充電樁可依據(jù)現(xiàn)實需求具有擴展功能[4?5]，充分研究新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)具有重要意義。新能源汽車充電過程中會產(chǎn)生諧波，諧波直接影響充電樁控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及計量系統(tǒng)準確性。在設(shè)計新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮充電樁負載情況[6?7]，設(shè)計基于負載的新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)，依據(jù)負載情況抑制充電過程中諧波，可有效提升供電質(zhì)量，促進充電樁控制系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

1 ?新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的基于負載的新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)選取STC89C52作為控制系統(tǒng)主控模塊的主控制芯片。該控制芯片具有多個外設(shè)接口，包括4路USART、2路CAN、1路以太網(wǎng)接口以及4路USART等，符合充電樁控制系統(tǒng)控制外設(shè)觸摸屏、智能電表、電源模塊、IC讀卡器等外設(shè)設(shè)備接口需求。

1.2 ?硬件設(shè)計

1.2.1 ?主控制器

在此選取STC89C52控制器作為系統(tǒng)控制核心。該控制器為STC公司所生產(chǎn)，具有高性能、低功耗的優(yōu)勢，屬于CMOS8位控制器，控制器內(nèi)選取經(jīng)典的MCS?51單片機。51單片機CPU數(shù)量為8，且可通過編程FLASH令控制器為充電樁提供有效的控制方案。STC89C52控制器具有管腳數(shù)量為第40個，主電源管腳的第40管腳VCC與電源的5 V端相連接，控制器的20管腳GND與地端相連接[8]。

1.2.2 ?傳感器模塊

控制系統(tǒng)利用傳感器模塊采樣監(jiān)測新能源汽車的充電信息及數(shù)據(jù)。利用看門狗及低電壓復(fù)位建立信號傳感器，來獲取充電樁控制信息[9];選取并行外設(shè)接口建立充電樁控制系統(tǒng)的傳感器模塊;傳感器模塊為半雙工形式，可支持不同通道的A/D數(shù)據(jù)采樣;選取串行方式作為傳感器模塊的接口方式;D/A轉(zhuǎn)換選取雙路16位電流輸出，可允許數(shù)據(jù)輸入輸出的最大信息數(shù)量為16，與A/D，D/A轉(zhuǎn)換器相結(jié)合采集新能源汽車的充電控制信息。

1.2.3 ?通信模塊

依據(jù)電能表通信方式設(shè)置通信模塊，令計量電能表與主控制器之間實現(xiàn)高效通信[10]。選取2級電能表作為通信模塊的電能表，利用RS 485作為電能表的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，電能表與控制系統(tǒng)選取DL/T645協(xié)議實現(xiàn)通信，通過該接口可實時獲取電表電流、總功率等各項信息，通過各項信息獲取充電樁耗電量。電能表電流與電壓實時狀態(tài)可判斷充電樁使用及供電狀態(tài)，便于出現(xiàn)異常時及時處理[11]。RS 485接口選取負邏輯的差分信號作為通信信號，可通過半雙工方式以及全雙工方式作為通信方式。

1.3 ?軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計新能源汽車充電樁的軟件結(jié)構(gòu)，充電樁的全部功能由各層通過不同的程序模塊實現(xiàn)。新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)的軟件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

充電樁控制系統(tǒng)由電源管理模塊驅(qū)動程序、USB驅(qū)動程序、發(fā)票打印機驅(qū)動程序、紅外驅(qū)動程序、串口驅(qū)動程序、內(nèi)存驅(qū)動程序及通信模塊驅(qū)動程序等不同模塊的驅(qū)動程序組成[12]。選取WinCE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)平臺作為系統(tǒng)操作平臺。利用系統(tǒng)的平臺守護程序管理系統(tǒng)功能軟件程序并負責系統(tǒng)不同版本程序的升級?？赏ㄟ^版本維護、斷點續(xù)傳以及程序更新功能實現(xiàn)系統(tǒng)的升級管理[13]?？刂葡到y(tǒng)的主程序?功能軟件程序控制全部應(yīng)用功能。

1.4 ?系統(tǒng)控制方法

充電過程中出現(xiàn)的諧波情況影響新能源汽車充電質(zhì)量，系統(tǒng)主控器采用有源電力濾波器，可利用充電樁負載情況調(diào)節(jié)充電樁補償容量[14]，有效抑制諧波。負載電流存在諧波時，影響計量設(shè)備運行，導致計量設(shè)備無法準確計量。將有源濾波技術(shù)加入充電樁控制系統(tǒng)中，降低電網(wǎng)充電樁造成的諧波注入。

設(shè)[K1]與[K2]均表示支路的濾波電感，直流母線電容用[Bdc]表示，[ur]與[Rdc]分別表示逆變器輸出電壓以及直流側(cè)電壓，獲取單相并聯(lián)型有源電力濾波器數(shù)學模型如下：

[K1+K2diFdt=ur-usBdcdRdcdt=idc] （1）

式中：[ur=Z1-Z2?Rdc];[idc=-Z1+Z2?iF]。通過有源電力濾波器的數(shù)學模型可知，控制系統(tǒng)狀態(tài)空間可由輸出電流[iF]以及直流側(cè)電壓[Rdc]兩個狀態(tài)變量控制，而輸出電流以及直流側(cè)電壓可通過開關(guān)[Z1]以及開關(guān)[Z2]控制，通過開關(guān)即可保證消除電流的無功補償以及諧波，保證直流側(cè)電壓的恒定[15]，采用模糊免疫自適應(yīng)PID，依據(jù)充電樁負載情況控制開關(guān)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2 ?系統(tǒng)測試

為測試本文設(shè)計基于負載的新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)控制充電樁的穩(wěn)定性及可靠性，采用Qt For X11開發(fā)編譯環(huán)境編譯本文系統(tǒng)控制程序，并應(yīng)用于新能源汽車充電樁實際應(yīng)用中，采用本文系統(tǒng)控制墻式新能源汽車充電樁實物，如圖3所示。

采用本文系統(tǒng)控制墻式新能源汽車充電樁充電過程中輸入、輸出控制信號時幅值變化情況，如圖4所示。

由圖4測試結(jié)果可知，采用本文系統(tǒng)控制新能源汽車充電樁，輸入以及輸出控制信號時，系統(tǒng)賦值波動較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動情況，說明本文系統(tǒng)具有可靠的控制性能。

統(tǒng)計工作模式為按時間充電時的系統(tǒng)有功功率，并將本文系統(tǒng)與STM32控制系統(tǒng)以及單周期控制系統(tǒng)對比，對比結(jié)果如圖5所示。

統(tǒng)計工作模式為按金額充電時的系統(tǒng)有功功率，并將本文系統(tǒng)與STM32控制系統(tǒng)以及單周期控制系統(tǒng)對比，對比結(jié)果如圖6所示。

由圖5、圖6測試結(jié)果可知，采用本文系統(tǒng)控制新能源汽車充電樁，不同模式運行時，系統(tǒng)有功功率均明顯高于STM32控制系統(tǒng)及單周期控制系統(tǒng)，測試結(jié)果再次說明本文系統(tǒng)具有較高控制性能。

統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)控制新能源汽車充電樁快速充電模式時運行60 min完成電量情況，并將本文系統(tǒng)與STM32控制系統(tǒng)以及單周期控制系統(tǒng)對比，對比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，采用本文系統(tǒng)運行快速充電模式，充電60 min可完成85%的電量輸入;而采用STM32控制系統(tǒng)充電60 min僅可完成58%電量輸入;采用單周期控制系統(tǒng)充電60 min僅可完成61%的電量輸入。測試結(jié)果有效地驗證采用本文系統(tǒng)控制的充電樁具有較高的充電性能，便于新能源汽車電量快速取用。

3 ?結(jié) ?論

本文基于負載的新能源汽車充電樁控制系統(tǒng)具有成本低、功能強大、可擴展及開發(fā)周期短的優(yōu)勢，符合新能源充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計要求。系統(tǒng)顯示內(nèi)容豐富，用戶操作界面友好性強，能有效推動新能源汽車發(fā)展。采用所設(shè)計系統(tǒng)控制的充電樁具有充電速度快、穩(wěn)定性強的優(yōu)勢，長期使用可為供電方帶來較大的經(jīng)濟效益。

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作者簡介：楊小剛（1979—），男，河南洛陽人，碩士，講師，研究方向為新能源汽車充電及控制技術(shù)。

王慧華（1978—），女，河北邢臺人，碩士，實驗師，研究方向為電子技術(shù)、自動化控制。