電動(dòng)汽車充電樁充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝嘉城

（上海電力大學(xué)，上海 200090）

如今，隨著環(huán)境污染情況加劇，自然資源匱乏嚴(yán)重，傳統(tǒng)燃油汽車燃料緊缺以及排放污染等問題，不利于環(huán)境改善和節(jié)能減排，為減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)并符合未來社會(huì)發(fā)展的需要，電動(dòng)汽車悄然問世。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，有效減輕了環(huán)境污染的緊張態(tài)勢(shì)，同時(shí)電動(dòng)汽車相較于傳統(tǒng)汽車不需依靠消耗有限的不可再生資源，而是利用清潔環(huán)保且更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電能運(yùn)行。目前，絕大部分電動(dòng)汽車是依靠電池完成工作，因電池自身原因，導(dǎo)致電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力有限，為保證全面推行電動(dòng)汽車，保證電池可以方便快速且高效地完成充電工作成為亟待解決的重要問題，有需求就有市場，為方便廣大電動(dòng)汽車用戶，電動(dòng)汽車充電柱應(yīng)運(yùn)而生。為提高充電樁的使用效率，在加大充電樁投入的同時(shí)要更加注重其設(shè)計(jì)的規(guī)范性以及合理性，使充電樁高效率的用于電動(dòng)汽車充電。

1 電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)意義

電動(dòng)汽車的運(yùn)行是以電能為支持，具有零排放、噪音小等特點(diǎn)，相比燃油汽車更符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念，逐漸被越來越多的人所認(rèn)可。但是想要推動(dòng)電動(dòng)汽車的持續(xù)發(fā)展，前提必須要解決充電難的問題，這是消除電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力差的關(guān)鍵要素。對(duì)電動(dòng)汽車目前所應(yīng)用的充電方式進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)整體效率比較低，現(xiàn)在所應(yīng)用的鋰離子蓄電池能效高、體積小，對(duì)充放電有著十分嚴(yán)格的要求，必須要對(duì)以往的充電方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免充電不當(dāng)對(duì)電池以及人員帶來安全隱患。并且，在高新技術(shù)支持下，電動(dòng)汽車的種類不斷增加，功能也更加完善，加強(qiáng)對(duì)智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然需求。當(dāng)下，傳統(tǒng)充電樁普遍存在充電能力、效率低下等情況，已無法滿足大量的電動(dòng)汽車充電需求，因此智能充電樁的優(yōu)勢(shì)顯而易見。分析傳統(tǒng)充電樁存在的諸多弊病，在智能充電樁的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中要合理規(guī)避已知的問題，不斷完善升級(jí)智能充電樁的軟硬件系統(tǒng)配置，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車智能化充電。

2 電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)要求

2.1 設(shè)計(jì)原則

智能化電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)過程應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)，合理制定規(guī)劃，設(shè)計(jì)具有特點(diǎn)的智能充電樁外觀、軟硬件系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，確?？梢詽M足電動(dòng)汽車充電的實(shí)際需求。要求智能充電樁各項(xiàng)功能完善且精準(zhǔn)，例如應(yīng)用RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)身份識(shí)別模塊，不僅可以縮小體積量，而且還可以保持較高的掃描速度，同時(shí)在抗干擾、持久性、安全性以及穿透性等方面也有著顯著優(yōu)勢(shì)。另外，基于CAN總線技術(shù)，使得智能充電樁與后臺(tái)及其電池管理系統(tǒng)之間可以保持高效且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信能力。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求

智能充電樁各項(xiàng)功能要更加完善，且要具有較高的交互性，滿足智能化以及自動(dòng)化操作要求，為高效高質(zhì)量充電提供支持。結(jié)構(gòu)模塊包括觸控操作設(shè)備、信息讀取模塊、控制單元模塊、計(jì)費(fèi)模塊、身份信息識(shí)別模塊、遠(yuǎn)程信息交互模塊、憑證打印模塊、供電充電模塊以及警示提醒模塊等多個(gè)功能部分。應(yīng)用智能充電樁為電動(dòng)汽車充電時(shí)，首先要對(duì)用戶的身份信息進(jìn)行識(shí)別，確認(rèn)無異常后便可通過觸控屏幕進(jìn)行操作，選擇自己需要的充電模式開始充電，充電過程中客戶可以通過顯示屏直觀地看到當(dāng)前充電的電壓、電流以及充電所需時(shí)長等詳細(xì)信息。給車輛提供充電服務(wù)的同時(shí)智能充電系統(tǒng)與電池組管理系統(tǒng)建立通信，并實(shí)時(shí)發(fā)送指令精準(zhǔn)控制充電的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)。在汽車充電的整個(gè)過程中，智能充電樁監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊要做到對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保能夠第一時(shí)間檢測(cè)到異常并發(fā)出預(yù)警信息，避免充電安全事故的發(fā)生。遠(yuǎn)程信息交互模塊的功能是建立與后臺(tái)運(yùn)營系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，待完成充電后，計(jì)量計(jì)費(fèi)模塊會(huì)準(zhǔn)確計(jì)算本次充電的電量、時(shí)間以及費(fèi)用，最后通過打印模塊來將所有信息打印出來。

2.3 應(yīng)用功能要求

智能充電樁設(shè)計(jì)時(shí)需要保證各項(xiàng)基礎(chǔ)功能完善，足以滿足電動(dòng)汽車充電要求。主要包括以下幾個(gè)方面：①用戶可以根據(jù)個(gè)人需求提前辦理IC卡，在需要充電時(shí)直接使用IC卡刷卡操作即可激活充電樁，然后將充電槍與電動(dòng)汽車進(jìn)行有效連接，設(shè)備開始計(jì)量計(jì)費(fèi)。②設(shè)置的監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊，主要功能是對(duì)充電樁的電流和電壓參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保充電過程的安全性，同時(shí)為充電樁以及操作人員的安全提供保障。③智能充電樁配套設(shè)計(jì)的通信模塊，為內(nèi)部各模塊之間有效通信提供支持，滿足實(shí)時(shí)通信的基本要求。④設(shè)置的充電模塊，確保了在智能充電樁進(jìn)入到充電模式后，與蓄電池之間搭建通信連接，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的全面檢測(cè)，分析蓄電池的狀態(tài)，判斷其是否出現(xiàn)故障，以此來對(duì)電池功能進(jìn)行維護(hù)，延長蓄電池的使用壽命。

3 電動(dòng)汽車充電樁主要分類

3.1 交流電充電方式

交流電充電方式是電動(dòng)汽車最基本的充電方式。其主要是合理利用220 V或者是380 V的交流電源直接引入充電樁之中，然后借助汽車自身的濾波裝置以及整流裝置，對(duì)汽車電池進(jìn)行直沖，以此為電動(dòng)汽車提供日常所需的電量能源。但是交流電充電方式花費(fèi)的時(shí)間比較長，并且充電量比較少，主要適用于一些小型的電動(dòng)汽車。

3.2 直流電充電方式

一般情況下，直流電充電方式主要是合理利用地面充電站，從而獲取直流電，并且建立充電樁，然后對(duì)電動(dòng)汽車工作電池組進(jìn)行直接充電，從而有效提升汽車的設(shè)計(jì)，將汽車運(yùn)行中的自重進(jìn)行有效降低，以此減輕電動(dòng)汽車本身的負(fù)擔(dān)。由于這種充電方式是將電能直接進(jìn)行輸送，所以其蓄電能力相對(duì)比較強(qiáng)，從而可以進(jìn)行快速充電，主要適用于一些耗電量相對(duì)比較大的電動(dòng)汽車。

3.3 直接更換電池方式

更換電池的充電方式，其安全性相對(duì)比較高。一般情況下，這種充電方式主要適用于兩組蓄電池的電動(dòng)汽車，其一組蓄電池可以為汽車提供所需的能源，保證汽車正常運(yùn)行使用，而另一組蓄電池則可以取下來進(jìn)行充電，合理將兩組電池進(jìn)行更換，從而保證汽車運(yùn)行過程中，電池具有充足的電量能源。但是，電池進(jìn)行更換必須是建立在大量電池更換站的基礎(chǔ)上，需要投入大量的人力資源，目前無法滿足于這種智能化需求。

3.4 非接觸式充電方式

非接觸式充電方式主要是借助相應(yīng)的感應(yīng)器件，將其安裝在汽車充電的位置上，從而實(shí)現(xiàn)汽車與充電設(shè)備彼此之間并未發(fā)生接觸，滿足汽車在行駛的過程中隨時(shí)進(jìn)行充電的需求，不再受制于充電樁的數(shù)量問題。但是這種充電方式對(duì)技術(shù)要求相對(duì)比較高，并且其充電的速度以及質(zhì)量無法得到保證，致使其在實(shí)際使用的過程中，并未進(jìn)行全方面地推廣。

4 電動(dòng)汽車充電樁充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 帶有光耦的輸出電路設(shè)計(jì)

在電動(dòng)汽車充電樁充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，首先要對(duì)光耦輸出電路設(shè)計(jì)以及充電樁管理系統(tǒng)進(jìn)行全方面了解，并且對(duì)其加強(qiáng)管理。在對(duì)光耦輸出電路實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，其主要是對(duì)PWM光波電路進(jìn)行了解，并且將其合理運(yùn)用到充電樁管理系統(tǒng)之中，以此對(duì)STM32為一體的輸出光波電壓進(jìn)行有效控制，促使其持續(xù)保持在正常范圍之內(nèi)，并且通過光耦轉(zhuǎn)換作用，將電壓的波動(dòng)值控制在有效的范圍內(nèi)，然后進(jìn)行光耦輸出。除此之外，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為了有效避免其他光波影響PWM光波，必須對(duì)隔離干擾光耦電路輸出加強(qiáng)管理設(shè)計(jì)。

4.1.2 帶有光耦的通信電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電樁充電管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，必須依據(jù)充電管理系統(tǒng)發(fā)展的實(shí)際需求，從而對(duì)充電管理系統(tǒng)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，同時(shí)建立一個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立的通信功能系統(tǒng)。而在通信功能系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，主要是合理借助光耦模塊，以此對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在通信系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，其主要設(shè)計(jì)工作是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的RS485收發(fā)器芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此對(duì)通信系統(tǒng)的安全性以及高效性提供保障。同時(shí)將電源管理模塊和電源獨(dú)立接地線模塊二者有機(jī)地結(jié)合為一體，只有這樣，才能保證在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中快速有效地找到通信功能設(shè)計(jì)的接入點(diǎn)。另外，為了滿足芯片傳輸和發(fā)送功能的實(shí)際發(fā)展需求，必須對(duì)光耦通信電路系統(tǒng)內(nèi)部的ISL3152E芯片進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，還要對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸以及訊源的穩(wěn)定性進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

4.1.3 交流充電樁控制導(dǎo)引電路的設(shè)計(jì)分析

首先，要在充電之前做好相應(yīng)的檢測(cè)準(zhǔn)備工作，觀察其各個(gè)接口之間的連接程度，必須要保證其接口連接的完整性；其次，要對(duì)供電功率以及充電連接裝置進(jìn)行登記的處理，詳盡記錄下其設(shè)備以及功率等的各類數(shù)值信息，確保其數(shù)據(jù)信息記錄的正確性；最后，要實(shí)時(shí)的開展精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)管理工作。采用充電電纜的形式來處理電動(dòng)汽車和充電樁之間的連接工作，在充電工作開展之前，記錄下其充電樁控制裝置的變化信息，觀察其電壓數(shù)值是否達(dá)到其工作的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)確認(rèn)出充電樁所涉及到的各個(gè)接口的連接程度，利用PWM信號(hào)占空比的數(shù)值來衡定其充電樁電流的最大安培量，精細(xì)化的管理充電的整個(gè)過程，讓充電工作可以更為順暢地進(jìn)行，提升安全性，使其可以始終保持一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

此次對(duì)于儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選定DSP的控制芯片負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、荷電狀態(tài)(SOC)、充放電溫度及電流等。功率調(diào)度，則可確保電池恒流或恒壓充放電系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際工作期間，DSP采樣所獲取電壓反饋相應(yīng)信號(hào)和所設(shè)電壓實(shí)施對(duì)比分析，結(jié)合誤差信號(hào)實(shí)施PI合理調(diào)節(jié)操作。PI調(diào)節(jié)裝置所輸出信號(hào)經(jīng)DSP內(nèi)部相應(yīng)脈沖所生成單元和三角載波實(shí)施對(duì)比分析，促使PWM的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，經(jīng)對(duì)Buck變換裝置內(nèi)部開關(guān)管實(shí)際占空比有效調(diào)節(jié)，促進(jìn)穩(wěn)壓功能得以實(shí)現(xiàn)。以同等方式，對(duì)恒流輸出過程PI控制裝置予以科學(xué)優(yōu)化及調(diào)節(jié)。儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁綜合系統(tǒng)控制核心部分，選定T公司所推出的浮點(diǎn)型全新數(shù)字信號(hào)的處理裝置TMS320F28335，其工作頻率為150 MHz，且內(nèi)包PWM18路輸出端口、高分辨率6路脈寬調(diào)制系統(tǒng)模塊(HRPWM)、16路的12位數(shù)模高精度轉(zhuǎn)換裝置(ADC)，實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns。

在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車充電樁充電管理系統(tǒng)過程中，加強(qiáng)對(duì)充電系統(tǒng)的具體流程進(jìn)行合理的管理規(guī)劃。一般情況下，在電動(dòng)汽車充電樁充電系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，首先要對(duì)充電管理系統(tǒng)的充電流程加強(qiáng)管理，從而保證整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中的穩(wěn)定性，為電動(dòng)汽車提供方便快捷的充電作業(yè)服務(wù)。在充電管理系統(tǒng)軟件方面設(shè)計(jì)的過程中，主要是將充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理備案，然后將其記錄在FM31256存儲(chǔ)器內(nèi)部之中，當(dāng)存儲(chǔ)器進(jìn)行檢驗(yàn)維修時(shí)，就可以從中獲得相關(guān)的檢驗(yàn)信息。通常情況下，電動(dòng)汽車充電樁充電管理系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，側(cè)重于對(duì)程序框圖進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以系統(tǒng)運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從而把握整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

5 結(jié)束語

為緩解環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車適時(shí)而生，但是隨著電動(dòng)汽車的全面普及，與之配套的充電樁的問題也逐漸浮出水面，為解決這一問題，需加大對(duì)智能充電樁的研究開發(fā)力度，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際情況，通過對(duì)充電樁外觀以及硬件電路的設(shè)計(jì)，將充電全過程直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，進(jìn)一步提高用戶的體驗(yàn)感，為推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展作出貢獻(xiàn)。但是，再完美的產(chǎn)品也會(huì)或多或少存在缺陷，在實(shí)際使用過程中逐步發(fā)現(xiàn)其問題，進(jìn)而不斷完善產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量及實(shí)用性，不斷推陳出新，刺激行業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。