直流充放電機控制系統(tǒng)設(shè)計

張亞萍，吳 冬，王 兵，孫 木，田振清

（天津平高智能電氣有限公司，天津 300300）

隨著能源的日益匱乏，新能源汽車的應(yīng)用也越來越廣泛。隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，越來越多的新能源汽車充電接口實現(xiàn)了能量的雙向流動，無疑會給電網(wǎng)帶來一定的沖擊，這使得對新能源汽車充放電的研究成為了未來的發(fā)展趨勢。為了將新能源汽車充放電時對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊降到最低，在保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性并合理利用資源的同時，提高新能源汽車的充放電效率，有必要研制一種用于非車載直流充放電機的充放電控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)新能源汽車充電樁的發(fā)展已日漸成熟，但是現(xiàn)有充電樁的功能仍是以充電為主，涉及放電的產(chǎn)品并不多見，而越來越多的新能源汽車已經(jīng)具備可以實現(xiàn)電能雙向流動的接口，但放電功能基本上處于閑置狀態(tài)，并不能合理有效利用資源，違背了該功能設(shè)計的初衷[1]。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種直流充放電機控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法，通過對充放電特性的探討，提出了充放電控制策略。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

直流充放電機控制系統(tǒng)主要由主控電路、電源及其轉(zhuǎn)換電路、檢測電路、控制電路、通信電路組成。其中，檢測電路包括對于電子鎖反饋信號、直流接觸器反饋信號、熔斷器狀態(tài)信號、CC1信號、溫度信號、急停開關(guān)信號、低壓輔助電源狀態(tài)信號等進(jìn)行檢測的部分；控制電路包括低壓輔助電源控制部分、充電槍電子鎖控制部分、放電接觸器控制部分、充電接觸器控制部分；通信電路包括網(wǎng)絡(luò)通信、顯示屏通信、刷卡通信、電表通信、電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）通信等部分。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

主控電路實時儲存、分析檢測到的信號，并將部分內(nèi)容顯示到顯示屏上，根據(jù)檢測到的信號以及通信的內(nèi)容實時控制接觸器等的狀態(tài)。顯示屏設(shè)計了人機交互界面，工作人員和用戶可以通過操作顯示屏完成參數(shù)設(shè)置并實現(xiàn)充放電的目的。主控電路的電源為整個控制系統(tǒng)提供電能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控電路設(shè)計

采用ST半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6作為主微控制單元（Micro-Controller Unit，MCU），該芯片使用ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，具有抗干擾性能好、工作頻率高、功耗低、外設(shè)豐富、存儲空間大、價格低等優(yōu)點。根據(jù)主MCU特點，設(shè)計了包括電源、時鐘、存儲器在內(nèi)的主控電路。

主控電路的電源設(shè)計見圖2。

圖2 電源設(shè)計

1）電源設(shè)計?？刂瓢咫娫床捎?2 V輸入，選擇TI公司的TPS54331作為主轉(zhuǎn)換電源，將12 V轉(zhuǎn)換為5 V。該芯片支持3.5～28 V的輸入電壓，可提供最大3 A的輸出電流，開關(guān)頻率被內(nèi)部設(shè)置為570 kHz的額定頻率，具有Eco-mode節(jié)能模式，靜態(tài)關(guān)閉電流1 μA，并且具備過壓保護(hù)和過熱保護(hù)等功能。

使用LDO芯片AMS1117-3.3，將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，用于MCU、靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM）、FLASH等芯片的供電。使用MORNSUN公司電源模塊B0505S-1W2、B1205S-1W2、IB1212LS-1W作為隔離電源，為通信接口和CC信號檢測部分電路供電。

2）時鐘設(shè)計。使用EPSON公司生產(chǎn)的RX8025T-UB作為時鐘芯片，配置電池以保證掉電情況下時鐘保持。該芯片是雙向二線制同步串行總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）接口，內(nèi)置溫度補償晶振。

3）存儲器設(shè)計。系統(tǒng)實時監(jiān)測運行狀態(tài)，對部分運行參數(shù)進(jìn)行記錄并存入外部FLASH中。如果系統(tǒng)運行實際情況與運行參數(shù)沖突，系統(tǒng)識別異常并啟動相應(yīng)反應(yīng)機制。FLASH芯片采用三星的K9F1G08UOC，該芯片有1 GB的存儲空間，至少可存儲10 000條的事件記錄。使用外置SRAM（EM641FV8FS-55LF/70LF）作為二級緩存，它具有512 KB的容量，用于處理系統(tǒng)運行過程中的臨時數(shù)據(jù)。

2.2 檢測電路設(shè)計

檢測電路使用光耦隔離，光耦副邊直接接入單片機的輸入/輸出（I/O）口。檢測電路設(shè)計原理見圖3。

圖3 檢測電路設(shè)計

2.3 控制電路設(shè)計

根據(jù)需求的功率不同，使用NPN三極管或不同型號的繼電器?？刂齐娐吩O(shè)計原理見圖4。

圖4 控制電路設(shè)計

2.4 通信電路設(shè)計

主控電路通過串口與顯示屏、刷卡、電表通信。使用EXAR公司的SP3232EEN作為RS-232通信接口收發(fā)器，并配置隔離芯片ADUM1201與單片機進(jìn)行隔離。對內(nèi)部調(diào)試接口可不使用隔離芯片。

主控電路通過控制器域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線通信接口與BMS通信。使用TI公司的SN65HVD1050作為CAN總線通信接口收發(fā)器，并使用隔離芯片ADUM1201與單片機進(jìn)行隔離?？赏ㄟ^短路卡選擇匹配電阻，匹配電阻為120Ω。

主控電路通過以太網(wǎng)與手機、云平臺等設(shè)備通信，使用DAVICOM公司的DM900CIEP作為以太網(wǎng)控制器，并配置網(wǎng)絡(luò)變壓器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件框架

系統(tǒng)軟件采用模塊化、分層分級的思想，整體框架分為驅(qū)動層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。其中，驅(qū)動層進(jìn)行單片機的初始化操作，根據(jù)設(shè)計原理圖配置I/O和相關(guān)通信接口，完成通信接口的正常收發(fā)數(shù)據(jù)，分配和管理存儲空間，完成遠(yuǎn)程升級，配置操作系統(tǒng)和處理文件操作；數(shù)據(jù)層處理各個通信接口（包括CAN總線、RS-485、RS-232、以太網(wǎng)等）、模擬/數(shù)字（A/D）采集、絕緣檢測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接收和存儲；應(yīng)用層完成充電、故障管理、人機交互、參數(shù)配置等功能。

3.2 充放電控制策略

1）充放電特性。由于新能源汽車電池電量在一定范圍內(nèi)才能正常進(jìn)行充放電，即：電池荷電狀態(tài)低于20%時容易導(dǎo)致過放電而損壞電池[2]，因此在該階段最好不要放電；電池荷電狀態(tài)高于80%時容易導(dǎo)致過充電而損壞電池，因此在該階段最好不要充電。

2）充放電控制策略?？紤]到越來越多的用戶選擇新能源汽車，由于不同的用戶對充電時間、放電需求、續(xù)航里程的要求差異很大[3]，導(dǎo)致充電負(fù)荷、放電負(fù)荷對電網(wǎng)帶來一定的沖擊，影響電網(wǎng)運行的安全性、可靠性，因此用戶需求也必須考慮到充放電控制策略中來。利用充放電特性[4]，再結(jié)合用戶的充放電實際使用需求，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)采用電池荷電狀態(tài)和用戶需求相結(jié)合的分層控制策略，來提高充放電的效率及安全性、可靠性。

整個控制系統(tǒng)包括無用戶（不插充電槍）和有用戶（插充電槍）兩種情況。當(dāng)無用戶時，控制系統(tǒng)進(jìn)入日常的通信、自檢狀態(tài)，控制系統(tǒng)將內(nèi)部運行狀況實時上傳至手機客戶端或云平臺，供運維檢修人員日常巡視與點檢。當(dāng)有用戶時，分為用戶選擇充電模式、用戶選擇放電模式、用戶無任何選擇3種情況。

假如用戶選擇充電模式，控制系統(tǒng)根據(jù)汽車BMS上傳的電池荷電狀態(tài)信息決定是否切換充電模式：若電池荷電狀態(tài)大于80%，則通知用戶，讓其選擇是否繼續(xù)充電；若電池荷電狀態(tài)小于80%，則控制充電直流接觸器閉合切換至充電模式，對用戶新能源汽車進(jìn)行充電。

假如用戶選擇放電模式，控制系統(tǒng)根據(jù)汽車BMS上傳的電池荷電狀態(tài)信息決定是否切換放電模式：若電池荷電狀態(tài)小于20%，則通知用戶，讓其選擇是否繼續(xù)放電；若電池荷電狀態(tài)大于20%，則控制放電直流接觸器閉合切換至放電模式，讓用戶新能源汽車進(jìn)行放電。

假如用戶無任何選擇，且保持連接充電槍狀態(tài)持續(xù)3 h以上（默認(rèn)用戶接受自動調(diào)配），則控制系統(tǒng)根據(jù)用戶新能源汽車的電池荷電狀態(tài)以及自身所能分配的負(fù)荷自動選擇進(jìn)入充電模式或者放電模式[5]。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于單片機的直流充放電機控制系統(tǒng)，提出了電池荷電狀態(tài)和用戶需求相結(jié)合的分層充放電控制策略，并在示范園區(qū)內(nèi)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)提高了充放電的效率及安全性、可靠性。整體系統(tǒng)集成度高、功能強大，采用模塊化思想設(shè)計，具有較強的可拓展性，方便開發(fā)者進(jìn)一步豐富產(chǎn)品的功能。