（机械电子工程专业论文）电动汽车交流充电控制技术研究.pdf

硕士学位论文电动汽车交流充电控制技术研究 摘要 删ii111i t 1 l l lti i t111t11111 1 1 1 1 1 y 2 0 6 13 9 1 充电系统是电动汽车实现电能补给的基础设施，也是电动汽车产业化和市场化的重 要前提。我国已经初步开展了充电系统的建设，但对充电设备的关键技术研究尚浅，相 关的标准体系建设也未完善，在一定程度上限制了电动汽车的推广和普及。交流充电桩 为带有车载充电机的电动汽车提供交流充电电源，主要安装于停车场及住宅等区域，是 电动汽车常规充电的主要设备。 本文针对电动汽车交流充电控制技术展开研究，在综合国内外现有技术的基础上， 研发了一种新型的交流充电桩。通过功能需求分析提出了充电桩的主要设计技术指标， 并据此进行了完整的方案设计。采用模块化设计思路，应用嵌入式控制、人机交互、计 量收费、数据通信等技术，分别对充电桩的嵌入式实时控制、网络化交易及运行管理、 安全防护等功能子系统进行了具体的设计和实现。完成工程样机制作后，对其进行了型 式试验，验证了充电桩的工作性能。 本文设计的交流充电桩功能完善、操作简单、运行可靠、可扩展性强，且已通过相 关检测机构鉴定认证，在充电系统建设中有着广阔的应用前景，有利于电动汽车的普及 和推广。 关键词：电动汽车，交流充电桩，计量收费，人机交互，嵌入式系统，数据通信 a b s 叻c t 硕士学位论文 a b s t r a c t c h a r g i n gs y s t e mi st h ei n f r a s t r u c t u r et oa c h i e v ee n e r g ys u p p l yf o re l e c t r i cv e h i c l e s ，a l s o a ni m p o r t a n tp r e r e q u i s i t eo fi n d u s t r i a l i z a t i o na n dc o m m e r c i a l i z a t i o no fe v s t h ec o n s t r u c t i o n o ft h ec h a r g i n gs y s t e mh a sb e e ni n i t i a l l yc a r d e do u ti nc h i n a , b u tt h er e s e 砌o nt h ek l 巧 t e c h n o l o g ya n dr e l e v a n ts t a n d a r do fc h a r g i n gd e v i c ei ss t i l ls h a l l o w , a n d t oac e r t a i ne x t e n t ，i t l i m i t st h ep r o m o t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no fe v s t h ea cc h a r g i n gp o i n ti su s e dt os u p p l ya c p o w e rf o re v s w i t ha l lo n - b o a r dc h a r g e r i tc a nb em s t a l l e di nt h ep a r k i n ga n dr e s i d e n t i a la r e a , a n di st h em a i ne q u i p m e n tf o re v si nc o n v e n t i o n a lc h a r g i n gm o d e t h et e c h n o l o g yo fa cc h a r g i n gc o n t r o lf o re v si ss t u d i e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h e e x i s t i n gt e c h n o l o g i e sa th o m ea n da b r o a d ，an e wt y p eo f a cc h a r g i n gp o i n ti sd e v e l o p e d i t s m a i nd e s i g nt e c h n i c a li n d i c a t o r sa r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s a n a l y s i s ，a n dt h ec o m p l e t ed e s i g ni sg i v e no u ta c c o r d i n g l y t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t o d i f f e r e n tm o d u l e sd e p e n d i n go nt h e i rf a n e t i o n s ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe v e r y s p e c i f i cs u b s y s t e l l ai sc a r r i e do u tw i t ht h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d c dc o n t r o l ，h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ，m e t e r i n ga n dc h a r g i n g ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n do t h e rt e c h n o l o g i e s a f t e rt h e c o m p l e t i o no f t h ee n g i n e e r i n gp r o t o t y p e ，at y p et e s ti sc a r r i e do u tt ov 丽匆i t so p e r a t i n g t h ea cc h a r g i n gp o i n td e v e l o p e di nt h i sp a p e rf e a t u r e sp e r f e c tf u n c t i o n ，s i m p l e m a n i p u l a t i o n ，s t a b l eo p e r a t i o na n dg o o ds c a l a b i l i t y , a n dh a sb e e ni d e n t i f i e db yt h er e l e v a n t t e s t i n go r g a n i z a t i o n s i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ec o n s t r u c t i o no fc h a r g i n gs y s t e m ， a n di sa d v a n t a g e o u st ot h ep r o m o t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no f e v s k e y w o r d ：e l e c t r i cv e h i c l e ，a cc h a r g i n gp o i n t , m e t e r i n ga n dc h a r g i n g ，h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，d a t ac o m m u n i c a t i o n 硕士学位论文 电动汽车交流充电控制技术研究 1 绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 电动汽车发展趋势 1 8 8 6 年，世界第一辆汽油发动机驱动的四轮汽车诞生。汽车作为一种代步工具，在。 此后的一百多年时间里，逐渐融入并改变着人们的生活方式。美国著名的汽车行业杂志 w a r d s a u t o 的统计显示，截止2 0 1 1 年8 月，全球汽车总量已突破1 0 亿辆。其中，中国 的汽车总量已超过1 亿辆，仅次于美国，已跃居全球第二。 汽车产业的蓬勃发展，在给人们的日常生活带来极大的便利的同时，也引出了一系 列的负面问题。汽车行业的石油消耗加剧了全球能源危机，而汽车尾气排放正在成为城 市大气污染的主要来源，同时，汽车行业的碳排放也是全球变暖的罪魁祸首之一。随着 上述问题的日益严峻，传统汽车产业的发展面临着越来越大的压力和挑战。 电动汽车是指以电机驱动，从车载电源获得动力，并且满足道路交通安全法规的车 辆。它以二次能源电能作为驱动系统动力源，既解除了汽车对石油资源的依赖，又 可实现运行过程中“零排放”，同时可利用电网的谷期电力充电，起到平抑电网峰谷差的 作用，提高电网的能量效率。 相比于传统汽车，电动汽车在节能及环保方面有着显著的优势，是解决传统汽车困 境的最有效途径，电动汽车的研究和开发势必成为汽车工业的发展趋势。因此，世界各 国都给予了新能源汽车产业高度关注，纷纷推出专项计划，在政府政策层面上来引导和 推动电动汽车产业的发展，如日本的“低公害车计划”、美国的“下一代电池与电动汽车 计划”以及欧盟的“洁净能源汽车计划”等【l 。2 1 。一方面，支持本国汽车工业进行电动汽车 领域的技术研发和创新；另一方面，培养国民的节能环保理念，并提供高额的补贴来鼓 励民众购买电动汽车。随着外插式电动汽车的发展趋势日益明朗，发达国家把电动汽车 影响未来产业发展、能源安全和国家竞争力作为战略性问题，支持的力度还会加大，跨 国公司在电动汽车专利、标准、品牌及产业联盟等制高点上的竞争将会更加激烈【3 】。 我国政府也同样意识到电动汽车作为未来汽车工业发展的必然趋势，具有极大的潜 在能源、环境和社会效益，在早期就从提升国家汽车产业的层面，采用财政扶持、政策 引导和标准建设等多种形式，来推进我国的电动汽车研发及产业化发展。 表1 1 我国电动汽车产业扶持政策 1 绪论 硕士学位论文 1 1 2 电动汽车充电系统建设 受制于当前的动力电池技术，电动汽车充电后单次行驶里程相对较短，在一般行驶 环境下大多数的续航能力在1 5 0 公里左右，因而需要建设一个广泛的充电设施网络，为 电动汽车用户提供方便快捷的电能补给服务。电动汽车充电系统为电动汽车运行提供能 量补给，是电动汽车产业的重要基础支撑系统，也是电动汽车实现商业化、产业化过程 中的重要环节【4 】。充电设施建设数量的多少、布局的广泛程度会对电动汽车的应用范围 产生重要影响，因此各国政府都十分重视充电基础设施建设，采取了一系列措施加快建 设步伐，旨在为发展电动汽车扫清障碍。 根据派克研究公司( p i k er e s e a r c h ) 发布的电动汽车充电设备报告，2 0 1 0 年至 2 0 1 5 年间，全球将建成4 7 0 万个电动汽车充电站，拉开汽车由内燃机驱动转向电力驱动 的序幕。法国计划到2 0 1 5 年建设1 0 0 万个充电站点，其中9 0 布设在住宅区和工作场 所，其余布设于停车场和道路旁，到2 0 2 0 年，实现充电点的充电插头总数量达4 0 0 万 个；英国准备通过“充电场所计划”和“聚合城市( j o i n e d c i t i e s ) 计划”建立一个完整的充 电站网络；德国柏林，政府免费提供土地在市区繁华地段建立了至少5 5 0 个充电站；美 国的“全美充电站项目”已建设近5 0 0 0 个充电设施；日本，截止到2 0 0 9 年已有1 0 0 多座 充电站，并将在3 年内再建设千余座充电站1 5 。 2 2 0 1 1 - 2 0 1 5 初步形成电 动汽车充电 设施网络架 构 2 0 1 6 2 0 2 = ：= = 一羹璧嘉蓍曹蹇爹 垫耋墅垡塞垫釜夏笔荔茂辜尧 姿耋奎皇壁垒； 霰薹霞磊：、磊爹 墅墨皇翌妻鼍篷赢笔蓊蔑军芫 鸯鏊皇辇垫娄霰笔齑磊：一 研究和工程试 一一一 图1 1 国家电网充电设施建设“三步走”规划 硕士学位论文电动汽车交流充电控制技术研究 2 0 0 4 年，国内首个电动公交客车充电站在北京建成使用。2 0 0 9 年8 月，首座具有 商业运营功能的电动汽车充电站上海漕溪电动汽车充电站投入使用。在国家政策积 极鼓励下，以五大央企能源巨头为首，国内电动汽车充电基础设施建设正在上演一场圈 地运动( 图1 1 ) 。到2 0 1 0 年，国内4 1 个试点城市已建成电动汽车充电站7 6 座。按照 计划，到2 0 2 0 年，我国将建设充电站1 0 0 7 5 座，充电桩5 0 6 2 0 9 个。 1 1 3 论文选题的意义 我国在电动汽车发展上与发达国家处于同一起跑线上，并且具有一定的资源优势和 产业优势【3 】，因此具有巨大的发展潜能。如果能够实现电动汽车的突破性发展，不但可 以提升我国的汽车工业水平，而且有利于缓解我国的能源安全和环境保护问题。电动汽 车充电系统是电动汽车维持日常正常运行的能源保障，对于电动汽车能否得到快速普及 有着关键性的影响作用。然而目前我国在电动汽车能源供给设施关键技术研究及标准体 系建设尚处于起步阶段，相关的理论基础、技术路线、技术标准都有待进一步深入研究 【s 1 ，在一定程度上限制了电动汽车的快速发展和普及。 本文正是在此背景下，依托南京理工大学机电研究所、江苏奕扬电子科技有限公司 及河南远大电力设备有限公司联合承担的科技项目电动汽车充电设备开发，根据当 前电动汽车充电网络建设的市场需求，在国内外现有技术基础上，对电动汽车交流充电 桩的结构和功能进行深入的研究和探索，开发出功能完善、使用便捷、运行可靠的交流 充电桩，对于我国电动汽车充电网络的建设以及电动汽车的推广和普及，将具有十分重 要的理论意义和工程应用价值。 1 2 电动汽车充电系统 1 2 1 电动汽车充电模式 根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性，目前电动汽车的充电方式可以分为整 车充电和地面充电两大类。其中整车充电是指通过车载的充电接口进行充电，又可分为 常规充电和快速充电两类；地面充电是指将动力电池组与电动汽车拆卸分离后直接对电 池组进行充电【9 1 。 1 ) 常规充电 常规充电采用小电流的恒压或恒流充电，通常一次充电时间需要5 8 个小时或更长。 常规充电是电池充电的主要方式，可达到较高的充电效率并延长电池的使用寿命；而且 通常功率和电流的额定值较小，因此充电器和安装成本比较低。常规充电模式的主要缺 点是充电时间过长，难以满足紧急情况下车辆的快速电能补充需求。 2 ) 快速充电 3 l 绪论 硕士学位论文 快速充电又称应急充电，采用较大的充电电流一般为1 5 0 - - 4 0 0 a ，可在2 0 分钟 2 小时内为电动汽车完成电能补充。快速充电方式克服了常规充电方式在实际使用中的 不便，充电时间短，为电动汽车的市场化提供了技术支持。相对于常规充电模式，快速 充电模式也存在一些缺点：快速充电系统充电效率较低，且相应的制作和安装成本较高； 充电电流大，因此对充电控制技术和安全性要求更高。 3 ) 地面充电 地面充电也叫机械充电，通过快速更换动力电池组来实现电能补给。使用这种模式， 提高了用户使用的方便性和快捷性，有利于提高车辆的使用效率；对更换下来的动力电 池组可利用电网低谷期进行集中充电，降低了充电成本；更重要的是可以及时发现电池 组中单体电池的问题，对于电池的维护工作具有积极的意义。由于电池组重量较大，动 力电池组的更换工作有较强的专业化要求，需配备专业人员，并借助专业机械来完成电 池组的更换、充电和维护。 这三种充电模式的自身特点各不相同，可根据实际使用的场合进行合理的选择和搭 配。如果电动汽车日均行驶需求都在动力电池组的单次续航里程范围内，仅需利用泊车 时间进行充电，则可采取常规充电模式，如私家车、部分公共服务车辆如环卫车、企业 商务车等。而出租车、公交车等类型的车辆的日均行驶需求大于单次续航里程，则需在 电能耗尽后进行快速电能补给以满足运营需要，可采用快速充电或地面充电模式。 1 2 2 电动汽车充电设施 电动汽车充电设施为电动汽车提供能量补给，其建设和发展很大程度上影响和制约 着电动汽车产业的发展。一个布局合理、经济便利、安全可靠的充电网络建设是电动汽 车市场化的重要前提。根据充电模式选择的不同，电动汽车充电设施主要可以分为充电 站、换电站和充电桩三类 1 0 - l l 】。 1 ) 充电站 充电站的建设形式类似于传统的加油站，一般位于城市街道或公路的两旁。一个完 整的充电站由配电系统、充电系统及监控系统等组成，实现为电动汽车充电，并在充电 过程中对充电设备及动力电池的状态进行监控的功能。充电站应能提供常规充电及快速 充电等不同服务形式，其主要定位是为电动汽车提供应急性电能补给。 目前，国内充电站建设的技术已基本成熟，并建成了多个公用充电站，起到了一定 的示范和广告效应。由于具备高功率的直流充电机，充电站充电速度较快，快充模式时 在最多可在两小时内即可完成电能补给；同时，作为专用公共场所，充电站内的充电设 备利用率相对较高。 尽管快速充电模式已极大地缩短了电动汽车充电所需时间，但充电速度依然有限， 因此充电站所需的工作区和等候区面积较大，占地面积超过一般加油站，在城市土地日 4 硕士学位论文 电动汽车交流充电控制技术研究 益紧缺的情况下，无形中增加了充电站建设成本；快速充电模式虽然减少了充电等待时 间，但对动力电池性能会造成较大的伤害，大大缩短电池的循环寿命；快充模式下，大 量无序的电能需求会给电网带来冲击，并造成公共电网电压波动；此外，充电机工作时 产生的大量谐波也会影响电网的电能质量。 图1 2 国家电网建设的示范性充电站 2 ) 换电站 换电站是指采用电池更换方式为电动汽车实现电能补给的场所。该模式下，用户从 电池租赁公司租用电池，由换电站为用户提供电池更换服务，将换下的电池进行集中充 电，并提供电池的维护保养服务。 图1 3 北京奥运会公交快速换电站 相比于充电站，换电站单次操作所需时间短，因此无需设置太多的停车位，占地面 积小；更换下的电池在电网负荷较低时进行集中有序充电，一方面可以平抑电网峰谷， 另一方面可以降低充电成本，提高电动车辆运营经济性；电池组的统一管理可方便日常 维护保养，提高电池的全寿命周期，进一步降低电池的使用成本；此外，动力电池可作 为一种智能充放电设备配合智能电网建设。 推广换电模式的前提是要求动力电池组的规格、充电接口和通信接口等实现标准 化，然而目前国内各大电动汽车生产企业各自为战，没有一个统一的标准；并且在当前 技术条件下，动力电池组的重量较大，需配备专业人员借助专门的机械来完成换电操作， l 绪论 硕士学位论文 专业化要求较高。 3 ) 充电桩 电动汽车交流充电桩是指固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车车 载充电机提供交流电源的供电装置。充电桩额定功率较小，具备人机交瓦界面和自助交 易功能，布设灵活，一般建设于公共停车场、道路两旁、住宅及工作区域。 充电桩的硬件和建设成本低，布设灵活，可实现充电网络对电动汽车活动范围的无 缝覆盖：输出功率小，对电网产生的冲击小，无需进行电网升级改造，同时有利于延长 电池的全寿命周期；使用方便，操作简单，用户可自助完成充电服务。充电桩的缺点也 显而易见，充电速度慢，通常单次充电操作需5 1 0 小时，不能满足电动汽车的应急性 充电需求。 图1 4 国家电网建设的路边停车位充电桩 三种不同类型的电动汽车充电基础设施建设模式有着各自的优势与不足，表1 2 从 充电时间、建设场合、建设成本及充电成本等角度对它们进行了比较。 表1 2 三种充电设施建设方案比较9 】 可以看出，这三种建设模式并不独立，而存在着既相互竞争又互为补充的关系。一 个功能完善、运行良好的充电网络建设，需要合理规划充电站、换电站与充电站的共同 建设，优化整合各类建设模式的长处，实现优势互补，从而为电动汽车用户提供高效、 便捷的充电服务。 6 硕士学位论文电动汽车交流充电控制技术研究 1 3 课题相关研究现状 交流充电桩为电动汽车提供了随时随地进行电能补给的解决方案，使用方便，同时 对电池寿命的损害较小，是电动汽车日常充电的最佳方式。相关的市场调查显示，高达 9 0 的消费者选择在停车场和家中进行充电，只剩下约1 0 的消费者会选择专门去充电 站，因此，在停车场和家庭中安装的充电桩等小型充电设备是市场发展的主流【l 2 1 。 由于产业发展和环保理念等因素，国外电动汽车的普及率相对较高，相关的充电设 施的开发和建设也较为领先，已经拥有一批较有影响力的电动汽车充电设备制造公司及 各自的交流充电桩产品。a e r ov i r o n m e n t 公司的产品( 图1 5a ) 可实现2 4 充电口充电， 用于s a ej 1 7 7 2 标准电动汽车( 电动车) 和可充电混合动力车( p h e v s ) ，通讯模块可 采用以太网、无线网络、z i g b e e 或蜂窝通信；s c h n e i d e r 公司产品( 图1 5b ) 分住宅( 壁 挂式) 、商业充电桩和快速充电桩三种，可实现1 2 充电口充电，通过l e d s 显示充电、 故障和功率等状态，采用r f i d 身份认证和g p r s 通讯；e n s t o 公司产品( 图1 5c ) 同时支持常规( 1 6 a ) 和快速( 3 2 a ) 充电，支付方式支持r f i d 卡和手机支付。 豳矿：；3 i 隋j i + 旧 毵u t ， 7 l 绪论 硕上学位论文 图i 6 部分国内交流充电桩产品 通过对所查资料的综合分析，围内外都对交流充电桩进行了相关的研究开发，一般 由充电模块、计量计费模块、数据采集及通讯模块组成，可实现电池状态信息显示、充 电过程远程监控以及计量计费功能，付费方式包括i c 卡、手机支付等，通讯方式采用 r s 4 8 5 和g p r s 等，其中部分国外产品可提供1 2 4 个充电接口。 1 4 本文主要研究内容及行文结构 本文针对电动汽车交流充电技术进行研究，在综合国内外现有技术的基础上，应用 嵌入式控制、人机交互、计量收费、数据通信等技术，研发出一种功能完善、操作简便、 运行可靠的新型交流充电桩。提出了完整的交流充电桩方案，并根据功能特点进行了模 块化设计，包括实时控制系统、网络化计量收费系统及安全防护系统等；并提出了交 流充电电源与嵌入式控制系统电源独立供电通过g p r s 无线通信接口向充电用广手机 发送充电状态信息等技术创新。 全文一共包括7 个章节，结构和内容编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，对电动汽车充电系统做了简要的介缁，综述 了课题相关研究的现状，并提出了主要研究内容。 第二章分析了交流充电桩的功能需求，据此提出了交流充电桩的主要技术指标， 并设计了完整的交流充电桩实现方案。 第三章以嵌入式处理器和实时操作系统为平台，设计了交流充电桩实时控制系统， 包括微处理器单元、人机交互单元、电能输出控制单元及控制系统电源。 第四章针对充电桩分散布设、集中管理的特点，设计了网络化交易及运行管理系 统，包括电能计量单元、交易结算单元及数据通信单元。 第五章从电气安全及工作可靠性等方面考虑，设计了充电桩的安全防护系统，包 括充电电缆控制导引电路、紧急停止装置、充电电源电气防护及静电防护设计。 第六章参照充电桩的设计技术指标，对完成的工程样机进行了型式试验。 第七章总结全文工作内容，并提出今后的工作展望。 _囊隅强冒曩懑“q曩0，一h l 一 一 硕士学位论文 电动汽车交流充电控制技术研究 2 充电桩总体方案设计 动力电池是电动汽车的关键构成之一，其充电方式和循环寿命对电动汽车的使用成 本起着决定性的影响。快速充电方式减少了电能补给时间，提高了电动汽车使用的便捷 性，但在当前电池技术条件下，对动力电池的伤害较大，会缩短电池的全寿命周期，增 加电动汽车的使用成本。因此，常规充电将是目前小型电动汽车的主要充电方式。电动 汽车车载充电机针对自身动力电池的种类和性能进行设计，可以最大程度地为电动汽车 提供最优充电策略。而电动汽车交流充电桩通过车载充电机，间接为电动汽车提供电能 补给，对延长动力电池的全寿命周期有着重要的意义。 2 1 应用对象分析 交流充电桩用于为自带车载充电机的电动汽车提供交流充电电能，其输出的交流电 能，由车载充电机进行电能变换为直流后，对电动汽车动力电池进行充电。 2 1 1 电动汽车动力电池 电动汽车动力电池是电动汽车的驱动能源，目前在电动汽车上应用的最为广泛的有 铅酸电池、镍氢电池及锂离子电池等，各类电池的性能比较如表2 1 。 表2 1 几类电动汽车动力电池的性能比裂1 刀 电动汽车动力电池由一定数量的单体电池进行串、并联组合而成。文献 1 8 】介绍了 一种电动汽车动力电池的实现方案，该动力电池一共由8 4 只单体锂离子电池组成，其 中每6 只单体锂离子蓄电池串联组成一只小组合电池模块，再将1 4 只电池模块串联连 接制成完整的动力电池。动力电池初始电压为3 5 0 v ，放电中止电压为2 6 9 3 v ，平均工 作电压为3 1 3 v 。 为了延长全寿命周期，电动汽车动力电池一般配有电池管理系统( b m s ) ，用于对 动力电池运行的在线监测与控制。b m s 采用分布式网络控制结构，在每个小组合电池 模块中设置电池监控模块，各个监控模块再通过通信总线与中央控制器相连形成完整的 系统。b m s 可将动力电池的实时运行信息通过c a n 总线接口发送至整车控制系统或车 载充电机。 9 2 充电桩总体方案设计 硕士学位论文 2 1 2 车载充电机 电动汽车车载充电机固定安装于车上，将输入的单相或三相交流电源经电能变换为 直流输出后对动力电池进行充电。充电过程中，车载充电机通过c a n 总线接口与b m s 进行实时通信，获取电池充电状态和充电需求，根据返回数据调整输出参数，同时将实 时的充电回路状态信息发送给b m s t l 9 1 。 车载充电机的基本参数包括端电压、充电电流和充电时间等2 0 1 ，其中输入侧的技术 指标要求如下： 1 1 输入电源：2 2 0 v 3 8 0 v a c ，频率为5 0 h z ； 2 1 具备与非车载充电设备配套的控制导引电路，作为充电电流容量及充电过程中 充电口连接状态的判断装置。 2 2 功能需求分析 电动汽车交流充电桩是一种固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车 车载充电机提供交流电源的供电装置。根据定义，充电桩的基本功能包括：提供可靠的 交流电源；提供自助式充电操作功能；正确计量充电消耗的电能，并向用户收取相应的 费用；无人值守的运行控制及远程监控功能等。 通过对充电桩各项功能需求的细化，提出如下设计技术指标： 1 ) 基本性能要求 人机交互界面应能对应显示操作提示、工作状态、充电电量及计费信息； 通过非接触射频卡进行用户身份识别和费用收取： 自动进行电气连接检测，确保连接正确后才启动充电； 可通过管理卡或数据通讯方式设置相关运行参数； 应具有交易及管理信息存储功能，并具有数据传输接口。 2 1 工作电源 额定工作电压：a c2 2 0 v 士1 5 ； 额定工作频率：5 0 h z = t ：l h z ； 额定输出功率：7 k w ( 单输出) 。 3 ) 计量计费精度 电能计量精度为2 级： 可按时段设置费率，计费精度为o 0 1 元。 4 1 环境条件 工作温度：- - 2 0 + 5 0 ： 相对湿度：5 - 9 5 。 1 0 硕士学位论文电动汽车交流充电控制技术研究 5 ) 电气防护 应具备漏电、过流、雷击保护装置； 应具备负载可分合电路，在充电状态下拔除插头，电路应即时动作，切断电 能输出。 6 ) 结构防护 充电桩壳体坚固，防护等级i p 5 4 ，结构上防止手触及带电部分； 充电桩金属外壳和零件采用双层防锈处理，非金属外壳具有防氧化保护膜或 进行防氧化处理； 充电桩内部印制电路板、接插件进行防潮湿、防霉变、防盐雾处理。 7 ) e m c 指标 在规定的电磁干扰环境下，充电桩应能正常提供充电功能，电能消耗计量、显示准 确，计费、收费准确。 2 3 总体方案设计 2 3 1 设计原则 1 ) 实用性原则 电动汽车交流充电桩作为一个民用型产品，其实用性是实现市场化的前提，因此也 是产品设计的首要考虑。充电桩的实用性主要从以下几方面体现： 多种充电模式可选，满足用户不同充电需求： 分时段计费，用户可根据电价峰谷合理安排充电时间； 模块化设计，装配、调试简单，易于维护、升级； 适应不同天候及工作条件，应用范围广。 2 ) 安全性原则 电动汽车交流充电桩一般应用于公共服务领域，安全性主要涉及： 具备电气保护装置，保障设备与操作人员人身安全； 防误操作设计，误操作不应引发安全事故； 针对设备公共场所布设特点，考虑防暴、防盗设计。 3 ) 智能化原则 电动汽车交流充电桩是直接面向用户的产品，且工作于无人值守环境，因此要求系 统具有自动化的操作流程，以及与用户互动的功能。智能化设计应考虑： 采用嵌入式控制技术，可使系统具有数据采集、处理、存储及逻辑判断功能； 系统自我管理设计，运行需要的人员干预尽可能少； 人机交互友好，操作简单，非专业人员也能方便使用。 2 充电桩总体方案设计硕士学位论文 4 ) 可靠性原则 可靠性主要要求电动汽车交流充电桩在规定天候或工作条件下能正常运行，平均无 故障时间长，具体包括以下几个方面： 电源系统的可靠性设计； 桩体结构坚固，环境适应性好： 电路的可靠性设计，电磁兼容性好； 软件的可靠性设计，运行稳定及实时性好； 系统的自检及故障诊断设计。 2 3 2 设计方案 根据充电桩的设计原则，提出了如图2 1 所示的设计方案。从结构上，充电桩大致 可以分为嵌入式实时控制系统、网络化交易管理系统以及安全防护系统三个部分。 电动氕丰父况允电氍 i ill l 网络化交易及运行管理系统li 嵌入式控制系统 ii 安全防护系统 i l j 【一 1 i 一 j l -j 【_l j l 一 j 【一 j ll 电 交 数控徽人能控紧电静 计易据 絮 处机输制急气电 量结通 理 交 出导停 防 防 苴 算 信统器 互 控引止护护 兀 监盖 电 筮苴 制 单 苴苴照 兀了l源兀兀单兀兀兀兀 兀 图2 1 交流充电桩系统结构 嵌入式实时控制系统用于充电桩运行控制，并提供管理及使用的人工操作界面。系 统以微处理器为核心，结合嵌入式实时操作系统搭建开发平台，通过外围功能设备接口 电路的设计和应用软件的开发实现充电桩的实时运行管理；人机交互单元采用合适的输 入输出设备提供充电桩工作信息的显示与用户控制参数的输入，实现充电桩的管理及自 助充电功能；电能输出控制单元采用负载分合器件，根据微处理器单元的指令信号进行 交流充电电源的通断控制。 网络化交易及运行管理系统实现充电交易的费用结算和账户管理功能，涉及充电电 能的计量、消费金额的结算以及交易数据的记录和传输等。电能计量单元选用电能表作 为主要计量装置，通过通信接口从电能表获取电能数据实现电能计量；交易结算单元应 用i c 卡技术设计结算方案，为用户提供便捷的支付手段：数据通信单元针对充电桩的 布设特点，提供合适的通信接口，实现远程在线监控管理和充电交易数据的传输功能。 安全防护系统主要保障操作人员及设备的电气安全，减少或避免外部干扰对控制系 统工作稳定性的影响。控制导引单元主要实现充电电缆连接状态的实时检测以及向车载 充电机提供表征当前最大输出电流值的信号；紧急停止单元利用急停控制设备，在充电 硕士学位论文电动汽车交流充电控制技术研究 桩运行出现意外时，可人工切断充电电能输出；电气防护单元包括充电电源输入侧的电 气保护以及控制系统电源的独立供电设计，保障输出电能质量及充电桩运行可靠性；静 电防护单元从桩体结构和控制系统硬件设计入手，消除使用过程中可能出现的静电放电 现象，维护系统的稳定运行。 设计方案完整地实现了充电桩的功能要求，并采用模块化设计思想，便于系统根据 需要进行扩展和升级。 2 4 本章小结 本章首先对交流充电桩的应用对象电动汽车车载充电机及动力电池进行了分 析，据此得出了交流充电桩的功能需求和具体的设计技术指标，并在此基础上设计了交 流充电桩的完整方案，建立了本文的研究框架。 1 3 3 嵌入式实时控制系统设计硕士学位论文 3 嵌入式实时控制系统设计 嵌入式实时控制系统用于充电桩运行控制，并通过人机交互界面向用户提供人工操 作接口。整个系统按不同的功能可被分成微处理器单元、人机交互单元、电能输出控制 单元、控制系统电源等四个部分，如图3 1 所示。其中，微处理器单元是系统的核心， 实现充电桩的运行控制；人机交互单元用于充电桩工作信息的显示和控制参数的输入； 电能输出控制单元实现交流充电电源的通断控制；控制系统电源为控制系统运行提供能 量。 人机交互单元 微处理器单元 电能输出控制 单元 图3 1 嵌入式实时控制系统原理框图 3 1 充电桩工作控制流程设计 针对充电桩的正常运行，设计了如图3 2 所示的工作控制流程。设备上电后，嵌入 式控制系统首先按照保存的各项参数进行初始化，然后针对各类功能部件进行自检，正 常启动后进入待机工作状态，等待用户使用。 用户使用时，首先刷卡进入系统，若操作合法，则显示器显示射频卡读写装置获取 的用户信息，包括用户账户、卡内余额等，并提示用户连接充电插头；用户正确连接充 电电缆后，可利用键盘选择合适的充电方式( 自动、定电量、定时间、定费用) 并设置 相应的充电参数；启动充电前，根据需要选择是否使用充电状态的短信通知服务，如需 要则输入短信接收号码；再次刷卡可启动充电过程，同时向用户卡内写入未付费标识， 用户将无法在未完成本次交易之前再次使用该卡。 充电过程中，嵌入式实时控制系统定时获取状态参数( 电量、时间、故障信息等) 并显示。当判断出车载充电机已结束充电或已完成用户设置的充电目标时，充电过程结 束，提示用户结账。用户再次刷卡可完成本次交易，并清除卡内未付费标识。此外，用 户也可在充电过程中的任意时刻刷卡结束充电并完成交易。 1 4 硕士学位论文 电动汽车交流充电控制技术研究 l 系统初始化 图3 2 充电桩工作控制流程图 3 2 嵌入式控制与人机交互技术 3 2 1 嵌入式控制技术 嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【2 l 】。嵌入式系统具有 以下几个主要特征： 针对性强，为特定应用量身设计，软硬件结合紧密； 实时性和可靠性要求高； 系统精简，资源相对有限。 嵌入式系统的体系结构如图3 3 所示，大致可划分为硬件和软件两部分。硬件部分 3 嵌入式实时控制系统设计硕士学位论文 包括嵌入式处理器和各种外围硬件电路，软件部分一般采用嵌入式实时操作系统 ( r t o s ) ，在此基础上根据应用场合开发各类应用软件，软件与硬件之间由中间层连接。 应用软件层 i 应用程序 i 系统 软件层 中间层 硬件层 圉国圆圉圜 图3 3 嵌入式系统体系结构 3 2 1 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是硬件层的核心。与通用处理器不同，它的芯片内部集成了许多原先 由板卡完成的任务，从而实现嵌入式系统的小型化，同时还具有很高的效率与可靠性。 目前市场上嵌入式处理器的种类较多，比较常用的有嵌入式微控制器( m c u ) 、嵌入式 微处理器( m p u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、嵌入式片上系统( s o c ) 等。嵌入式处理 器一般具有以下几个特点： 能实现多任务并且有较短的中断响应时间，支持实时多任务操作系统应用； 具有功能很强的存储区保护功能； 处理器结构可扩展； 低功耗，最低功耗可达m w 级甚至州级。 3 2 1 2 嵌入式软件 由于嵌入式系统的资源有限以及实时性应用要求，嵌入式软件的代码规模较小，且 一般固化存储于微处理器本身或系统存储芯片内，以提高软件的执行速率和可靠性。嵌 入式系统一个重要的特征是控制的实时性，从软件角度来实现系统任务的统筹规划和合 理调度是保证每个任务得到及时执行的关键。而实时性系统往往用在关键领域，软件问 题可能导致严重后果，因此对软件的可靠性要求非常高【2 2 1 。 随着技术的发展，嵌入式系统的功能日益复杂，规模也越来越大，同时系统的开发 难度也成倍地增加，传统的裸机程序在这样的使用场合下经常显得捉襟见肘。嵌入式操 作系统的出现，提高了系统的开发效率，降低了开发成本；任务进程化运行，抗干扰能 力强，提高了系统的可靠性；操作系统本身可根据需要剪裁，有利于系统的扩展与移植。 目前应用得比较广泛的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，p s o s ，q n x ，p a l m o s ，l i n u x 等。国内也出现了一些自主研发的嵌入式操作系统，如中科院的e e o s ，凯 思吴鹏的h o p e no s 等田】。 1 6 硕士学位论文电动汽车交流充电控制技术研究 3 2 2 人机交互技术 人际交互( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，简称h c i ) 是研究人与计算机之间通过相 互理解的交流与通信，在最大程度上为人们完成信息管理、服务和处理等功能的一门技 术科学2 4 1 。在人际交互技术的发展历程中，经历了从人逐渐适应计算机再到计算机不断 适应人的互动过程，主要可分为以下几个阶段： 1 ) 第一代人机交互技术 这一阶段主要是利用键盘和字符显示器实现文本和命令的交互，形式较为单调。 2 ) 第二代人机交互技术 在这一阶段出现了鼠标和窗口界面系统，图形和图像显示极大地丰富了交互的内 容，为人机交互技术带来了革命性的改变。 3 ) 第三代人机交互技术 随着多媒体硬件设备的出现，人机交互的信息交流范围扩大到声、像、图、文等多 媒体信息。利用人的多种感官和动作通道( 如语音、手写、姿势等) 与计算机环境进行 交互，使人机交互技术朝着自然、高效的方向发展。 现代嵌入式人机交互系统中，开始越来越多地倡导一种“用户自由”的设计理念，即 强调用户的直接操纵体验。一个优秀的人机交互界面需能向用户提供全面简洁的有效信 息、简单明了的操作方式，实现“傻瓜式 应用。 3 3 嵌入式实时控制系统硬件设计 嵌入式实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。微处理器单元电路为l p c i 7 6 8 提供必要的外围电路，电能输出控制 单元电路实现交流充电电源的通断控制，控制系统电源电路为控制系统提供工作电源。 3 3 1 微处理器单元电路设计 3 3 1 1 微处理器选用 根据实时控制系统的性能需求，选用了n x p 公司的3 2 位微处理器l p c i 7 6 8 作为 嵌入式控制系统的核心部件，该微处理器基于a r mc o r t e x m 3 内核，具有3 级流水线 和哈佛结构，特别适用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。 l p c i7 6 8 处理器与本设计相关的技术特性包括： 1 ) 最高工作频率达1 0 0 m h z ，可以满足实时性设计要求； 2 ) 内置了嵌套的向量中断控制器( n v i c ) ，并带有4 个外部中断输入和1 个不可 屏蔽中断( n m i ) 输入； 3 ) 5 1 2 k b 的片上f l a s h 程序存储器和6 4 k b 片内s r a m ，并包含一个支持8 个区 3 嵌入式实时控制系统设计硕士学位论文 的存储器保护单元( m p u ) ，可以满足嵌入式操作系统移植需求； 钔支持a r mc o r t e x m 3 系统节拍定时器，方便嵌入式操作系统开发； 5 ) 4 个低功率模式：睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电，当处于掉电模式时，可通 过中断将处理器从掉电模式中唤醒； 6 ) 丰富的串行接口，包括以太网、u s b 2 0 、4 个u a r t 、2 个通道c a n 控制器、 s p i 控制器、2 个s s p 控制器、3 个增强型的1 2 c 总线接口、1 2 s ( i n t e r - i cs o u n d ) 等， 可以满足本设计多种外围功能设备的管理需求。 3 2 1 2 微处理器系统资源分配 充电桩使用了多个独立的功能部件，如智能电表、射频卡读写装置等，因此需要对 嵌入式处理器的系统资源( 外设、管脚等) 进行合理的分配，实现对各个功能部件的管 理和控制，主要资源分配方案如表3 1 。 表3 1 嵌入式处理器资源分配方案 3 3 1 3 电路设计 微处理器单元的原理电路如图3 4 所示，主要包括嵌入式处理器、电源与系统时钟、 电源监视芯片、大容量f l a s h 存储芯片等。 硕士学位论文 电动汽车交流充电控制技术研究 图3 4 微处理器单元电路原理图 控制系统硬件电路的实物如图3 5 ，其中，微处理器单元被设计成一块独立的核心 板，与外围电路主板通过排针、排座连接。这种控制单元与外围电路的分离式设计，可 使设备易于检测和维护，便于系统的硬件升级。 图3 5 控制系统硬件实物 3 3 2 电能输出控制单元电路设计 充电桩选用交流接触器作为控制充电电能输出通断的主要设备，由于其电磁线圈的 工作电压较高( 2 2 0 v ) ，远远超出控制系统电源电压水平。因此，设计了三级串联控制 结构，利用小型继电器作为中继控制单元，实现板载控制电路、继电器、交流接触器的 联动控制( 图3 6 ) 。 1 9 3 嵌入式实时控制系统设i硕士学位论文 癸m h 鬻 交流接触 器 ( 2 2 0 v ) 图3 6 充电电源“三级串联”控制示意图 其