电动汽车充换电交流充电桩设计.docx

智能检测与工程控制课程论文论文题目： 电动汽车充换电交流充电桩的设计 作 者： 高星辰 学 号： 141835012 所在学院： 电气与自动化工程学院 任课老师： 张金龙 教授 论文时间： 2015年6月15日 电动汽车充换电交流充电桩的设计高星辰(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京 210042)摘要石油资源属于不可再生资源，同时化石燃料的燃烧不仅对环境造成了污染，同时还产生了温室气体，因此，为了保护环境，具有良好的环保节能效益的电动汽车逐渐走入人们的生活。对于电动汽车来说，在配电网中属于间歇性、分布式、随机性的电力负荷，同时为了让人们使用更加方便快捷，电动汽车的充换电站应该在短时间内完成对电动汽车进行充电，这样，短时间内完成充电，必然对配电网造成一定的影响。电动汽车充电设备的发展对电动汽车整个产业的发展也有着很重要的影响。电动汽车充换电交流充电桩作为最常见的电动汽车充电装置，对电动汽车的发展的影响举足轻重。关键词电动汽车；充换电装置；交流充电桩；影响Design of AC electric vehicle chargingpostsXingchen GaoAbstract: The oil belongs to the non-renewable resources. Fossil fuels not only caused the pollution to the environment, but also produced greenhouse gas when burning.In order to protect the environment, electric vehicles comes into peoples life. EVs, belongs to the power load of intermittent, distributed, randomness in distribution network. Also, in order to be more convenient and quick for EVsuesers, people want to charge their EVs in a short time,which will cause certain influence to the distribution network. and the whole industry. Electric vehicle in electric ac charging pile is the most common type of EVs charging device, is quite important to development of electric vehicles.Key words:EVs; Charging and switching devicCharging and switching device1引言目前，电动汽车核心技术的不断突破，加之政策的大力扶持，在未来两年内电动汽车会进入成长快速期，电动汽车的市场及生产规模会迅速扩大。电动汽车充电设施是电动汽车产业链中不可忽视的重要组成部分，在大力发展电动汽车产业的同时还应充分兼顾充电设施的发展。由于电能是一种二次能源，随着智能电网的快速发展，电动汽车及其配套设施充电站的建设，也要朝智能化，高效利用电力资源方向发展电动汽车充电桩采用的是交、直流供电方式，以电能作为动力，解决了因汽车尾气而造成的环境污染，适合低碳城市的发展。近年,作为充电站建设配套设施的电动汽车充电桩也因此得到了迅猛的发展。 交流充电桩是一种供电装置，主要是为固定安装在电动汽车上的车载充电机提供交流电源的。交流充电桩没有充电功能，只提供电力输出，需连接车载充电机为电动汽车充电。 交流充电桩设计要求的功能规范主要有以下几点： 交流充电桩可以提供 AC220V/7kw 供电能力； 交流充电桩要具备相应的保护功能，如漏电、短路、过压、欠压、过流保护等， 以确保其自身安全可靠运行； 交流充电桩应具备必需的人机接口，如显示、操作等 ； 交流充电桩应具有交流充电计量功能； 交流充电桩应设置支持 RFID 卡、IC 卡等常见的刷卡方式的必要的刷卡接口，并配置打印机，提供票据打印功能； 交流充电桩还应具备充电接口的连接状态判断、控制导引等完善的安全保护控制功能。 综合交流充电桩设计要求的功能，设计的电气系统原理框图如下：图1.1交流充电桩电气系统原理框图2 充电桩硬件电路设计 2.1 控制器硬件整体 充电桩控制系统是充电桩系统设计的重要组成部分，采用C44B0X 微处理器进行控制管理电池管理系统从控制器、充电机、与从控制器及上位机进行通讯，CAN/LIN网络通讯，和动力电池组基本信息的采集和状态显示等，充电桩控制器硬件框图如图 2-1所示。 C44B0X 控制器系统的控制下，用户可自助刷卡实现用户鉴权、余额查询、计费查询等功能。用户还可根据液晶显示屏指示选择充电模式，包括按时间充电、按电量充电、自动充满、按金额充电等。图2-1充电桩控制器硬件框图 时控制系统硬件主要包括微处理单元电路、电能输出控制单元电路以及控制系统电源电路。一部分是针对充放电控制的电路，包括信号采集电路、信号调理电路；另一部分则是微处理单元电路、电能输出控制单元电路、控制系统电源电路以及传统的 S3C44B0X 的外围电路，其中包括实现该系统所需要的 5V、3.3V、2.5V 电压转换的电源电路、液晶显示接口电路、NandFlash 电路设计、NorFlash 电路设计、声光报警电路等。2.2 电源电路 S3C44B0X 的 I/O 接口采用的是 3.3V 供电，内核采用的是 2.5V 供电，但是系统的外部是用 5V 直流稳压电源进行供电的。这就要考虑到系统供电的可靠稳定性，因此我们要通过选择合适的旁路、去耦电容，来消除各种干扰信号，最终选用集成线性稳压电源转换芯片对内核和 S3C44B0X 的 I/O 口进行供电。 本系统分别选用 LM1117-2.5 电源转换芯片和 LM1117-3.3 电源转换芯片来现5V 电压到 2.5V 电压的转换以及完成 5V 电压到 3.3V 的电压转换。如图 2-2所示的电路中，电容和电解电容起到了提高回路稳定性和瞬态响应的作用：电容的作用是滤除高频信号，电解电容的作用是滤除低频信号。图2-2 电源电路2.3 NorFlash 电路设计 在处理器工作的过程中，难免避免掉电情况的发生，掉电后仍需要保存的数据和代码是通过 ROM 来保存的，可是处理器 S3C44B0X 自身不带 ROM，掉电后就需要通过外接 ROM 来保存需要的数据和代码。 Flash ROM 很适合作为处理器 S3C44B0X 的外接 ROM,它具有以下优势： Flash ROM 在处理器断电的情况下，所存储的数据信息并不丢失，所以它是长寿命、非易失性存储器。该存储器是以固定区块为单位进行数据删除的，而不是以单个字节为单位的，且各个单位的区块大小大致是 256KB20MB。Flash ROM 与EEPROM 功能相似，但它不是整个芯片的擦写，而是在字节水平上的删除和重写。这也是 Flash ROM 与 EEPROM 不同的地方，实际上 Flash ROM 更新速度较 EEPROM快。 Flash ROM 与处理器之间的交互所采用的是标准总线接口，控制器对它的读取仅需通过硬件设定 OM10 和大小端，很方便地计算出 Flash ROM 的数据长度和位序，而不需要任何软件上的繁琐设置。 Flash ROM 要存放系统的启动代码，系统启动代码应该放置在地址 0x00000000处，系统上电复位后，处理器就会从 0x00000000 地址处开始取指令运行。本设计选用的片外 ROM 是 SST 公司的 CMOS 多用途 Flash ROM SST39VFl601,其容量是1M 16b，芯片内部有一个 256 位的安全 ID 空间、可靠性较强。它的特点是：低功耗、快速读取、能锁存地址和数据、能自动进行写时序、写结束的检测，并且其与CMOS 电平的 I/O 口相兼容、符合电子器件工程联合委员会（JEDEC）标准。 如图 2-3所示的是 S3C44B0X 控制器和 SST39VFl601 之间的接口电路，SST39VFl601 的数据宽度为 16 位，数据接口为 DQ150。Flash ROM 映射在处理器的 Bank0 的地址空间，因此 SST39VFl601 的片选线与处理器 S3C44B0X 的 nGCS0相连接。又由于微处理器 S3C44B0X 是按字节编址的，SST39VFl601 的存储单元是以 16 位为一个单元的，因此 S3C44B0X 的地址位 ADDR201 对应着 SST39VFl601的地址 A190，相当于处理器的地址 “左移”了一位。图2-3 S3C44B0X 控制器和 SST39VFl601 的接口电路2.4 NandFlash 电路设计 在充电桩控制系统中，S3C44B0X 是硬件部分的中央处理器，而实时操作系统C/OS-II 是硬件资源的调度中心，它和启动程序就存放在 FLASH ROM 中。本控制系统把电压、电流和温度传感器的历史记录存放到 NandFlash 中，以方便监控和历史数据查询，实现很好的人机交互功能。 当需要存储少量的代码、需要多次擦写的情况下，NorFlash 更适合一些;而当面对高数据存储密度的情况下，NandFlash 就比较适合。Nand 结构提供了极高的单元密度,并且写入和擦除的速度也较 NorFlash 快。S3C44B0X 控制器也没有直接提供与NandFlash 存储器的接口解决方案，因此在读写的过程都要靠软件编程来实现。系统选用了三星公司生产的 NAND 型存储芯片 K9F2808U0C，它是 NAND 结构 FLASH存储器件，是一款性价比颇高的大容量数据存储器。 该芯片的特点是：供电电压时 2.7V3.6V；芯片容量是 132Mbits，由 1024块组成，每块由 32 页组成；读和写以页为单位，擦除以块为单位，其读、写、擦除操作都很方便地通过命令来完成的；其有 8 位可复用的并行口，可作为地址和数据的输入输出引脚，还可作为命令的输入引脚。S3C44B0X 控制器与 K9F2808U0C的接口电路如 2-4 图所示。在图中，GPC0 为输入，GPC1GPC3 为输出，K9F2808U0C的 GPC0GPC3 作为信号控制线，或门 74HC32 产生了 NandWE 和 NandRE 的信号。图2-4 S3C44B0X 控制器与 K9F2808U0C 的接口电路2.5 LCD 接口设计 本设计选用的控制芯片 S3C44B0X 集成有常用的 LCD 液晶显示器控制单元。同一个液晶控制器可以控制不同的液晶屏幕。LCD 驱动控制器可通过编程来设置不同的行和列像素数、接口时序、屏幕刷新率以及数据总线宽度。LCD 控制器的外部接口信号有：帧同步信号 VFRAME、线同步脉冲信号 VLINE、像素时钟信号 VCLK和 LCD 驱动器的 AC 信号 VM 等。它们的作用分别为： 帧同步信号是为与显示信号的帧保持数据同步而告知新信号的开始，该信号的信号线与 LCD 模块的 FRM 信号线相连接； 线同步信号是实现液晶控制器将水平线数据移到液晶驱动器、液晶驱动器又将移位寄存器的内容送入 LCD 显示的过程； 像素时钟信号是在时钟的上升沿送出液晶控制器的数据，液晶驱动器在时钟下降沿进行数据采样； 液晶驱动器的 AC 信号是为改变行和列的电压极性，控制像素点的显示和熄灭。图2-5 控制器的逻辑图2.6 交流充电桩控制导引电路设计 控制导引电路的作用有： 充电前，确认交流充电桩与电动汽车的连接正确与否； 识别供电的功率和充电连接装置的载流能力； 充电过程的监测。 根据电动汽车充电系统技术规范第 5 部分:交流充电桩的规定，控制引导电路的原理接线方式如图 2-6所示。首先，交流充电桩判断接头是不是已完全接入到车辆插孔中，这是通过检查监测点的电压值来实现的；接头插入插孔中后，S1 开关会闭合，继而振荡器的信号会传输到监测点，充电桩自检完毕，准备实施充电。 充电起始阶段：可靠连接电动汽车的充电插头和充电桩的供电插座，控制引导电路闭合，当检测点的电压减半时表明车辆已经正确连接车辆接收占空比判断信号，设置车载充电机到相应负荷的工作状态正电压减半状态被检测到持续 2 秒后，充电桩负荷开关闭合，开始供电；充电中：车载充电机对电池充电过程中，引导控制电路持续工作检测点的电压在回路中出现任意断点时都将改变，充电桩会即时断开负荷开关，中断充电过程充电桩接收上层负荷控制信号，并及时调整振荡信号的占空比，进而调整车载充电机的输出功率。图2-6控制引导电路的原理接线图 充电电缆实现充电桩与电动汽车连接过程中的检测电路的原理如图 2-7所示。准备充电时,充电桩内部的供电控制装置可根据测量的检测点 2 的电压值，判断出供电插头与车辆插头是否己经充分连接好,并通过判断检测点 3 的 PWM 信号占空比确认当前充电桩的最大供电电流;充电过程中,充电桩不间断地对检测点 2 的电压值进行监测,保证充电电缆的可靠连接。图2-7 充电电缆连接检测电路原理2.8 电能输出通断控制设计 从前面小结介绍中我们了解到，当检测到导引电路正电压减半状态维持 2秒后，充电桩闭合负荷开关，开始供电；若回路中出现了任意断点，检测点处电压就会改变，充电桩立刻断开负荷的开关，充电过程中断。那么是什么器件控制充电电能输出通断的呢？ 本论文设计的交流充电桩中控制充电电能输出通断的设备是交流接触器。但是，交流接触器的电磁线圈的工作电压是 220V,大大超出了控制系统电源电压范围。因此,本文设计了利用小型继电器作为中继控制单元的级级串联控制结构，如图 2-8。图2-8 充电电源级级控制示意图 这样的结构可以实现板载控制电路继电器交流接触器的级级控制。另外,设计板载控制电路如图 2-9,该电路的原理是：低电平选通微处理器指定管脚信号时,控制信号将经光耦隔离，接而将 24VDC 电压的输出导通、继电器闭合导通 220VAC电压输出。随之，交流接触器的主触点闭合,输出交流充电电能;反之，交流接触器的主触点断开,截断电能输出。图2-9电能输出的通断控制电路原理图3 结束语 本文首先分析了交流充电桩的功能并设计了交流充电桩的电气原理图，然后对车载充电机进行了整体介绍，最后结合控制器及充电桩系统的需求对相关硬件进行了设计。针对本系统实时多任务的特点，结合处理器和操作系统的认识，创新性的将S3C44B0X 处理器与 C/OS-II 操作系统完美结合，实现了控制充电桩与充电机的正确连接、与电池管理系统的通信、充电电池的均衡控制、与监控系统的通信以及通过人机交互面向用户提供人机交互接口等。电动汽车充电桩系统是一个多任务的系统，比较复杂，本文对其只进行了初步方案的研究，由于时间、研究条件以及自身能力的限制，一些问题还存在不足，相关的理论问题和技术实现问题还待研究与探讨。参考文献 1 陈良亮，张浩等电动汽车能源供给设施建设现状与发展探讨J电力自动化系统， 2011，35(14)：1117 2 辛华低碳经济与电动汽车发展：趋势与对策J开放导报，2009(5)：3135 3 Erol-Kantarci, M. 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