（电力系统及其自动化专业论文）充电站电能监测系统的研究.pdf

j 塞窑亟太生殛盈奎 a b s t r a c t ：n 地e v i n d u s t r yb e e o l l t l c sp o p u l a rb e c a u s eo f i t sd e a na n dr e p r o d u e i b l e f u e l s oi ti sv e r yn 黜s 盯yt ob u i l dt h ec e n t r a l i z i n g , r e l i a b l ea n dh i g h - e f f i c i e n t c h a r g e - s t a t i o nf o rt h ee v s i no r d e rt oe x t e n dt h ee v i n d u s t r y t h i st h e s i s , b a s e d0 1 1 t h em o n i t o ra n dd e t e c t i o ns y s t e mo ft h ec h a r g e - s t a t i o nf o r 2 0 0 8o l y m p i cg a m e s ，d i s c u s s e st h es t r u e t u r eo ft h ec h a r g e - s t a t i o n , t h e na n a l y s e st h e c l 勰e rm o n i t o r i n gs y s t e mf u i 秭o i i sa r i di t sk e yt e c h n o l o g i e s , 觚de x p l a i n st h e s t r u c t u r eo ft h er s 4 8 5a n dc a nb u s , t h ea p p l i c a t i o n l a y e rp r o t o c o l f o r e o m m u n i e a t i o m n 把p r o t o e o ib a s e d 0 1 1 1t h i s s y s t e m h a sg o o dr e l i a b i l i t ya n d s i m p l i f i c a t i o n n l i st h e s i sa l s oa n a l y s e st h es o i la n dh l l r d w a l 怕d e s i g no ft h ec h a r g e r c o n t r o ls y s t e m , a n a l y s e st h ec u r r e n ts h a r i n go ft h ep a r a l l e lc o n t r o lo fc h a r g e , a n d b r i n g sf o r w a r dam e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo ft l a ep r e c i s i o no fe h a r 龄s y s t e mw h e n t h eb a t t e r yi sb e i n gc h a r g e d t h i st h e s i sa l s oa n a l y s e sa n di n t r o d u c e st l a cd c 出n m c t e ff o rt h ee l l e l g ym e t e r i n g o f t h ec h a i 翟e 低l 酣o f e vs h o u l dk n o wt h od e t a i l so f c o s ta n de f f i e i e ya e q , l y , a n d t h e 伽豇窨yf o rb a t t e r yc h a r g i n gi sav e r yi m p o r t a n tf a c ti ni t 1 1 l i 8t h e s i sl m a l y s e sn 地 s o t t w a r en n dt h eh a l d w a l ed e s i g no ft h i si x ：a m m e t e l , a n a l y s e sl h ef l 缸l o , t h e c i r c u i t - o u t s i d ea n dt h ep r i n c i p l eo fw o r k i n go fc s 5 4 6 l j li ti l l t m l l i n a t e st h ed a t af l o w ；, t h e ea n dt h ed e s i g no ft h ed c d cf l y - b a c kp o w c i s u p p l yi nt h i sa m m e t e r , 觚d a n a l y s e st h ed e s i g no ft h ea d j u s t i n gc i r c u i t , a n dt h ep r e c i s i o no ft h i sd ea l a l m c t e r s y s t e m i th a sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mi sa b l et om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sw i t hg o o d r e l i a b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o no f c h a r g i n ga n de n e r g ym e t e r i n gb yp r a c t i c e k e y w o r d s = c h a r g e - s t a t i o nm o n i t o rs y s t e m ；c o n t r o lb l o c ko fc h a r g e r , p r e c i s i o no f e l a a r g i n g ；d ca m m e t e r ；, f l y - b a c kp o w e r c l a s s r q o ：t p 2 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 丧 导师签名： 孙平弋 签字日期：2 彳年f 湖2 f 日签字日期：7 年z ，月白日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师张维戈教授的悉心指导下完成的，张维戈教授、 姜久春教授、李景颞老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响。在此衷心感谢三年来张维戈老师、姜久春老师、李景新老师对我的关心和 指导。 张维戈教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向张维戈老师表示衷心的谢意。 姜久春教授和李景新老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇、文峰、吴智强、温家鹏，胡荣强、 郑义、张锐等同学对我论文中研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本人在研究生的学习阶段，在实验室参与了多项电源及检测类项目的研究， 对目前电动车充电站里电气设备的应用及发展情况有所了解。结合目前电动车充 电站的设计思路，以及在实验室项目开发中的经验，提出了针对2 0 0 8 年奥运会的 电动车充电站监控及检测系统。该系统的研究得到了导师和实验室的支持，在实 验室老师和同学的关心帮助下，解决了实践过程中的一些具体问题。实践的结果 验证了方案的可行性由于学识水平、实践经验以及时间等的限制，在很多方面 做得还不够完善，需要做进一步的研究 1 1 课题背剥1 1 1 3 1 第l 章绪论 面临能源和环境的巨大压力，人们在不断地寻求清洁的代用燃料，以改善日 益恶化的交通捧放现状，电动汽车逐渐成为各国政府和汽车制造商关注的焦点， 人们不遗余力地开展电动汽车的研究，试图使其成为新世纪汽车的发展主流。当 代融合多种高新技术而兴起的蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车及燃料电泡汽 车正在引发世界汽车工业的一场革命，展现了汽车工业的光明未来。所以，美、 日以及一些欧盟国家相继推出专项研究计划，以期推动电动汽车的发展。对以蓄 电池作为能源系统的电动汽车来讲，蓄电池充电机是不可缺少的子系统之一，它 的功能是将电网的电能，转化为电动汽车车载蓄电池的电能电动汽车实现商品 化所面临的挑战之一，就是如何使它的用户在蓄电池电能用完之后，能够快速和 方便地再充电针对我国的国情，要缓解城市交通的压力，同时又要保护环境。 降低城市大气和噪音污染，必然要大力的发展电动公交系统，研制大功率的电动 汽车用非车载智能充电机就成为必然的需求目前新建充电站普遍实行无人值班 或少人值守，这就要求充电机的可靠性及自动化程度更高，功能更加完善，能够 具有较高的免维护性。这样，使得分布式、模块化、智能化成为充电站的发展方 向，而高性能的充电电源和高自动化程度的充电机监控系统是其中的关键技术。 因此，对电动汽车专用充电机的监控技术进行研究，开发出电动汽车专用数字化 充电设备，对我国的电动汽车的发展和普及，将具有十分重要的理论意义和工程 应用价值 1 2 国内外现状 近年来国外的充电系统及充电站多个方向上都取得了长足的进展。一方面是 采用先进的技术( 如计算机技术、控制技术、人工智能技术等) 使得充电产品从单一 型充电机向多功能、安全型、智能型充电系列产品转化：另一方面充电机的发展也 促进了对快速充电理论、电池模型等理论问题的深入研究。智能充电系统大都具 有以下功能：具有电流、电压、时间和电量等参数监测、计量和显示；具有人机 交互功能。可以按照用户的要求提供多种充电策略，按照电池的类型和状态自动 选择优化的充电曲线；具有系统故障报警和保护功能。 在英国，伦敦西敏寺会大街上推出了免费电动车充电站。 在浙江，杭州市电力局已建设完成了浙江电网第一个电动汽车充电站，位于 天目山路庆丰变电站。目前，该充电站已经积累了一定的建设与运行管理的经验， 为电动车充电站在浙江电网的逐步推广打下了初步基础。 在上海，比亚迪建造的电动汽车充电站已开始运行，4 台充电柜采用数字显示 和触摸屏智能控制充电，充电柜还拥有充电刷卡、收费打印等功能，此举为其电 动汽车产业化和充电站的商业化运作作铺垫 在湖北武汉，1 1 8 辆电动车( 2 0 辆混合动力公交车、3 辆混合动力轿车、9 5 辆电动小巴) 组成了武汉市“一环、二区、多点”的示范运营格局利用场站资 源，建立了混合动力公交车的维修保养阵地，并在武汉市区内建立了9 个纯电动 车辆的充电站。 在北京，北京交通大学研发了单体3 0 k w 大功率充电机，输出电压3 0 0 v - 5 0 0 v 可调，具有多种充电模式，可三台并联使用，并在北京西黄庄公交总站建立了电 动汽车充电站，具有较成熟的监控技术；清华大学研制了电动汽车自动充电系统。 国内许多大学和研究机构也针对电动汽车的充电技术进行了大量的研究工作 1 3 研究内容 本课题的研究目标是针对2 0 0 8 年奥运会的运营需求，开发出适用于该充电站 的电动汽车专用充电机控制器，实现电动汽车智能充电机的全数字化高精度充电， 并能够通过c a n 总线、4 8 5 总线接口与电动汽车的车载电池管理系统及直流电度表 系统进行数据通讯，并与充电站的监控巡捡中心完成良好的实时数据交换，使得 电动汽车充电站向多功能、安全、智能化方向发展。 本课题的主要研究内容如下； 1 充电机控制器的数字化控制，包括多台充电机的并联均流控制，实现人机 交互界面，充电参数设置，实时状态显示及故障报警等功能。以及充电机 监控c a n 网络的控制运用、充电精度的提高。 2 智能电能表的整体设计，对电能表a d 芯片的计量原理的分析，以及对电 能表内部d c - d c 反激电源的分析，对电能表充电耩度的分析。 1 4 本章小结 本章首先介绍了研究背景和意义，结合对电动汽车专用充电技术和设备的国 内外研究现状进行了综述，最后介绍了课题的来源和研究工作的内容。 2 左虫堑监控丕统 第2 章充电站监控系统 2 1电动汽车充电站监控网络2 3 1 图2 - i 为电动汽车充电站整个监控网络结构图。按功能分为四个子网络：计算 机监控网络，电池管理网络，电池管理移动转储接口网络，烟雾报警监控网络。 o oo o 图2 - 1 充电站监控网络结构图 f i g u r e 2 - 1m o n i t o c i n gn e t w o r ki h a r to f c h a x g o - s t a t i o n 2 1 1计算机监控网络 如图2 2 所示，每台充电监控计算机监控6 个充电单元，可监控9 辆车的电 池充电情况，整个监控平台，共需4 个监控计算机。四个监控计算机通过局域网 和数据记录和统计服务器相连，用于记录和统计所有充电机和电池的数据。 充电监控系统的主要功能有： 3 ( i ) 监控所有充电机的运行数据、故障报警信号。 ( 2 ) 监控所有充电电池组的单体电池电压、温度、充电容量等数据。 ( 3 ) 提供充电机远程控制功能：设置运行参数、开关机、修改电池管理系统 参数、编号等。 ( 4 ) 提供所有充电机紧急停机功能。 图2 - 2 计算机监控网络结构图 f i g u r e 2 - 2m o n i t o r i n gn e t w a r kc h a r to f c o m p u t e r 2 i 2电池管理网络 由充电机和正在接受充电的车辆中的电池管理系统组成点对点的连接。主要 功能有接收充电期间电池组主要数据；接收车载电池管理系统的充电参数，包括 总电压、允许最高总电压、单体最高电压、单体允许最高电压等。 2 1 3电池管理移动转储接口 由移动存储设备、车载电池管理系统、监控p c 机组成。主要功能：将车载电 池管理系统中的长期记录数据保存到移动存储设备；将移动存储设备中的电池数 4 据转储到监控p c 机的数据库中。 2 1 4烟雾报警监控网络 如图2 - 3 所示。烟雾报警器工作电源为直流2 4 v ，通过内部的烟雾传感器检 测烟雾浓度，输出形式为继电器触点。当烟雾浓度未达到限量时，报警器内部电 路控制继电器输出为开路：当烟雾浓度超过限量时，报警器内部电路控制继电器 输出为短路 当有烟雾报警信号后，通过烟雾报警转接卡检测信号，通过c a n 网络向监控 计算机提供报警信号，由计算机显示和定位报警故障发生点，并提供声光告警信 号 u p s ( 提供 画畔 计算机电源) 与充电机监 控共用 图2 - 3 烟雾报警监控网络 f i g m 2 - 3m o n i t o r i n gn e t w o r ko f s m o ga l a r m 2 2充电基本单元及网络 充电基本单元作为监控网络的核心部分，如图2 _ 4 所示： 每个充电单元由1 2 台充电机、1 2 个电池组及电池管理系统、烟雾传感器、2 4 v 直流电源、电池存储架( 和快速更换系统匹配) 等组成。 ( 1 ) 每个充电机对应一个电池组。 ( 2 ) 充电机和电池组电池管理系统之间采用隔离c a n 接口。 j k 塞窑通太堂亟堂僮途塞 ( 3 ) 每个电池存储架安装一个烟雾报警器。 ( 4 ) 电池管理系统和烟雾报警器采用2 4 v 直流电源供电。 ( 5 ) 每个单元采用一个烟雾报警监控转接卡，采集1 2 个烟雾报警器的输出信 号并向监控系统提供一路ca n 网络接口。 ( 6 ) 每个单元的充电机的监控ca n 接口并联在一起，向监控系统提供一路 c a n 监控接口。 图2 - 4 充电基本单元 f i g u m 2 - 4b a b i c = n i to f t h ec h a n g 8 c t 充电机网络结构图如图2 - 5 所示，由充电机主机，充电机控制器，监控p c 三 个主要设备组成。其中充电机控制器通过集线器、c a n ，和监控p c 进行数据传输。 6 2 2 1充电机主机 监控p c 机 图2 - 5 充电机监控网络结构图 f i g u 越- 5 m o u i t o t i a g n e t w o r k d u c t o f d u a , g e 充电机是电动汽车充电站对电池组进行能量补充的主体。充电机以隔离型桥 式d c 托c 交换器为主体结构，由驱动板和充电机控制器对主机进行控制 2 2 2充电机控制器 充电机控制器是整个充电站系统的关键部分，担任整个充电站网络监控系统 的中枢环节，是实现充电站高自动化，模块化，智能化的关键。 其主要功能包括： 负责对充电机进行控制，实时监控充电机状态，包括电流，电压、时间和电 量等参数监测、计量和显示；同时具有人机交互功能，可以按照用户的要求提供 多种充电策略，并且在多台充电机并联运行时能够提供均流策略。 与充电站巡检中心的监控p c 进行数据交换，保证每台充电机的状态都在监控 中心的监控下。 充电及网络监控器还必须能与车载电池管理系统进行通讯，获取车上电池组 的基本信息，并能根据电池组的数据完成自动选择充电模式及充电参数。 具有系统故障报警和保护功能。 2 2 3监控p c 机 巡检中心的监控p c 通过充电机控制器实现对充电机的远程控制和实时监控， 记录充电机运行和故障情况。管理人员可以通过监控p c 对充电机的运行参数进行 查看和修改，启动和停止充电机充电过程，并在充电机运行过程中，实时监控充 电过程并记录。通过充电机控制器和车载电池管理系统，监控p c 还可以申请读取 电动汽车上电池组的信息，记录各电池组的数据，为将来进行数据分析及电池维 护提供依据。 2 3监控网络数据通讯的设计 2 3 ，i充电机数据通讯接口设计2 1 4 刀 主从充电机控制器之间通过隔离的r s 4 8 5 总线来进行数据交换r s 4 8 5 采用 平衡发送和差分接收方式来实现通信：在发送端t x d 将串行口的1 1 亿电平信号转 换成差分信号气b 两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成t r l 电平信号。 两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力， 接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以 1 0 kb 茚速率传输数据时传输距离可达1 2m ，而1 0 0 k b p s 时传输距离可达1 2 km 如果降低波特率，传输距离还可进一步提高另外r s 4 8 5 实现了多点互联，最多 可达2 5 6 台驱动器和2 5 6 台接收器，非常便于多器件的连接。由于充电机可能多 台并联运形，所以充电机间组成的多机串彳亍通信系统中，采用主从式结构：充电 机从机不主动发送命令或数据，一切都由充电机主机控制器控制。采用r s 4 8 5 构 成的多机通讯原理框图如下图2 - 6 所示： 左皇堑监控丞统 轶以 u 【4 钙 图2 6r s 4 8 5 多机通讯原理图 f i g u r e 2 - 6m u l t i - m a c h i n eh 嘲r s 4 8 5c o m m u a i c a t i o n 击a 卿 1 通讯协议 r s 4 8 5 总线只制定了物理层电气标准，对上层通信协议没有规定。这给设计 者提供了很大的灵活性一套完整的通信协议既要求结构简单，功能完备，又要 求具有可扩充性与兼容性，并且尽量标准化本系统的协议就是从这几个方面考 虑的 充电机主机与从机协议为主从结构的半双工通信方式主杌控制器为主站， 从机控制器为从站每个从站均有各自的地址编码当处于轮询状态时，主机依 据从机地址，定时囱从机发送呼口q 指令。此时，每台从机都中断接受并判断，地 址不相符的从机中断返回，执行其他任务；反之则把本机地址及其状态作为应答 信号发送给主机。主机接收到虚答信号后，可以作迸一步的处理。通讯链路的建 立与解除均由主机发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、 数据长度、数据域、帧信息c r c 校验码及帧结束符等7 个部分组成。 起始位8位数据地址数据停止位 图2 - 7 字节传输序列 f i g u r e 2 - 7a y t e 糖q l w n t r a n s m i s s i o n 9 韭塞銮煎太堂亟堂僮j 垒室 每字节含8 位2 进制码，传输时加上一个起始位( o ) 。一个地址数据识别 位和一个停止位( 1 ) ，共1 1 位其传输序列如图2 - 4 d o 是字节的最低有效位， d 7 是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。地址数据识别位为l 时代表本 字节为地址信息，为0 时代表本字节为数据信息。 帧是传送信息的基本单元。帧格式如表2 - i 所示。帧起始符6 8 h ，标识一帧信 息的开始，地址域由2 个字节构成，每字节2 位b c d 码。每个从站地址由设备类 型号( a 0 ) 和设备号组成( a i ) 。低地址位在先，高地址位在后。当a 1 地址为9 9 h 时，为同类从站广播地址。当a 0 、a i 为9 9 9 9 h 时为所有从站广播地址。 表2 - 1 网络监控器与充电机遥讯帧格式 地址，数据 说明代码 c a d ) 帧起始符 6 8 ha a 0a 地址域 a la 帧起始位 6 8 hd 控制码 cd 数据长度域 ld 数据域d 觚ad 校验码 c sd 结束符 1 6 hd 控制码的格式如图2 - 5 其中d 7 等于l 时表示此帧是由主站发出的命令帧， d 7 = 0 时为由从站发出的应答帧。d 6 d 0 表示请求及应答功能码。 i 。7 d 6d 5d 4d 3d 2 d ld 0 i ll 传送方向功能码 图2 吨控制码格式 f i 醴- 8f o r m a to f c m n t r o ic o d e 数据长度为数据域的字节数，当l 等于0 时表示无数据域。数据域d a t a 包 括数据标识和数据、密码等，其结构随控制码的功能而改变。校验码c s 为从帧起 始符开始到校验码之前的所有字节的8 位循环冗余检验结果( c r c ) 结束符标识一 1 0 帧信息的结束，其值为1 6 h 2 硬件结构 充电机控制器通讯接口采用隔离的r s 4 8 5 接口，其硬件接口电路如图2 - 9 所 示。选用高速光耦，作为隔离器件以满足通讯速度要求 图2 _ 9 隔离r s 4 8 5 通讯接口电路 f i g t r r e 2 - 9c o m m t m i e a t i o ni n t e r f a c ec h 咄o f i m l a t i o nr s 4 8 5 2 3 2监控p c 数据通讯接口设详5 1 1 刀 充电机主机控制器与监控p c 之间通过隔离的c a n 总线传输数据 c a n 网络可以无破坏性地给予优先权的仲裁，各个节点之间依据优先权进行 总线访问在保证灵活性的同时，错误检测和出错信令方面都有独特的要求，使 全系统的数据相兼容即使在发送期间丢失仲裁或因遭遇破坏，数据帧都可自动重 新发送甚至在严重出错的情况下，系统可以很容易的区分暂时错误和永久性故障 节点以及故障节点的自动脱离。c a n 系统内任意两个节点之间的传输距离与其位 速率有关，其最大速率可达到1 m b p s ，最远距离可达1 0 k m 。c a n 的总线数值为两 种互补的逻辑值：“隐性”( “d o m a i n n a n t ”) 和“显性”( “r e c e s s i v e ”) 。在 “隐性”状态下c a n h 和c a n l 都被固定在平均电压电平，v d i f f 近似为0 。而 “显性”状态以大于最小阈值的差分电压表示。但需要注意的是当“隐性位”和 “显性位”同时发送时，最后的值将为“显性”，这也是故障界定和错误检测的根 本基础。 由于c a n 协议有a 和b 两种版本，所以也就有相应的两种帧格式，一种含 j e 塞窑煎太堂亟堂僮论裒 有1 1 位标识符，称为标准帧；而另一种含有2 9 位标识符则称为扩展帧。监控器 与p c 采用的是2 9 位扩展帧格式，报文分为数据帧过载帧( d a t af r a m e ) 、远程帧 ( r e m o t ef r a m e ) 、错误帧( e r r o rf r a m e ) 和过载帧( o v e r l o a df r i m l e ) 图2 ，7 中 为数据帧结构。 图2 - 1 0 扩展报文的数据帧结构 f i g u r e 2 一1 0s 缸u c 嘶o f t h ee x p a n dm e s s a g e 丘m o 1 数据帧格式 充电机监控网络数据帧采用含2 9 位标识符的扩展帧。帧中各字节含义如表2 - 2 所示。其中：( 1 ) i d 2 8 、2 7 、2 6 表示帧中数据的优先级；( 2 ) i d 2 5 、2 4 、2 3 、2 2 、 2 l 、2 0 、1 9 、1 8 表示源站点地址；( 3 ) d 1 7 、1 6 、1 5 、1 4 、1 3 为数据帧功能标识： ( 4 ) i d l 2 、i i 、1 0 表示同组数据帧总数。c a n 总线定义数据域一次最大传输8 个字节的数据量，因此，当同一组数据的数量大于8 字节时，必须拆分成不同的 帧，同组数据帧总数用来标识同一组数据的数据帧总数；( 5 ) i d 9 、8 、7 表示同组 数据帧序号，用来标识同一组数据的不同帧序号；( 6 ) r t r 为l 时，表示发送的 为远程帧，0 时发送的为数据帧；( 7 ) 数据域d a t a l - d a t a $ 代表传输的数据。 表2 - 2 网络监控器与监控p c 通讯帧格式 t a b l e 2 - 2f o r m a to f c o m m u n i c a t i o n sf l - a n l eb e t w e e nn e t w o r km o n i t o ra n dp c 说明代码 d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld 0 i d 2 8) 2 7) 2 6m 2 5卫d 2 4i d 2 3玎) 2 2i d 2 1 r o 优先级源站点地址( 0 - 1 2 7 ) i d 2 0i d l 9m 1 8s r ri d ei d l 7r d l 6d 1 5 i d r l 源站点地址( 0 - 1 2 7 )1l数据帧功能标识 标识符i d l 4 i d l 3d 1 2i d l li d l o i d 9i d 8i d 7 i d r 2 数据帧功能同组数据帧序 标识 同组数据帧总数 号 i d 6i d 5比1 4i d 3i d 2m li d or t r i b 目标站点地址( o - 1 2 7 1 数据域 d 钢r a l数据域第一字节 d a i a 2数据域第二字节 d a ：r a 3 数据域第三字节 1 2 d a n 4数据域第四字节 d p t a 5 数据域第五字节 d 蛆a 6 数据域第六字节 d & 数据域第七字节 d a t a 8 数据域第八字节 2 硬件结构 网络监控器与监控p c 通讯接口采用隔离的c a n 接口，其硬件接口电路如图 2 “所示选用高速光耦做为隔离器件以满足通讯速度要求。 图2 - 1 1 隔离c a n 通讯接口电路 f i 9 2 - l lc o m m u a i c a t i o a i n t e r f a c e c h c u i t o f i s o l a 6 0 a c a n 2 3 3车载电池管理系统通讯接口设计 充电机控制器与车载电池管理系统采用的是隔离的c a n 总线来交换数据。物 理层与链路层采用c a n 协议中2 9 位扩展帧格式，这和车辆控制系统与车载电池 管理系统之间高速c a n 网络是兼容的，这样，车载电池管理系统中只需改变应用 层中的协议就可以分别实现与车辆控制系统和网络监控器之闻的通信，两无需再 设计一个通讯接口。 车载电池管理和对应的充电机组成点对点的网络，其帧格式与表2 2 格式一 致，这里不再重复说明。 j 塞窑煎太堂硒堂焦监奎 2 4 本章小结 本章详细介绍了充电站网络结构的组成，重点阐述了充电机控制器设计要求， 在此基础上结合r s 4 8 5 总线和c a n 总线的原理及特点，说明及设计了充电机控制 器的网络接口和通讯协议，并给出其主要硬件电路。 1 4 充电i l 控制墨啦遘让 第3 章充电机控制器的设计 3 1充电机控制器应用简介 前章已经对电动汽车充电站充电机控制器的原理及系统作了介绍。从中可以 看出该系统既要控制充电机的运行，实时监控充电机的运行状况，实现智能化充 电管理；当充电机并联时还需提供均流策略，又要提供人性化的复杂的入机接口 和界面供操作员使用，还要将充电机状态通过c a n 通讯的方式上传至监控p c 机 上；此外，还要于车载电池管理系统进行数据交换，对输出电量的管理操作。并 且，随着分布式系统的发展，对大规模的数据通讯及局域网的应用越来越广泛和 需要，使得充电机控制器作为充电站监控网络里的一个节点，设计茏为重要 3 2 控制器整体结构 充电机控制器由检测电路、保护电路、脉冲产生电路和单片机系统组成，系 统框图如图3 1 所示。 1 5 图3 1 充电机控制电路框图 f i g u r e 3 - 1c o n t r o lc k i tc h a r to f d m r g e r 检测电路包括输入电压检测回路，输出电压检测回路，输出电流检测回路 控制系统通过检测电路采集电压电流信号，经过整理后的电压电流信号分为三路： 一路送到比较器产生多路保护信号，具体有：输入电压过压信号，输入电压欠压 信号，输出电压过压信号；另一路送到p i 调节器，作为调节器的反馈量；还有一 路送到单片机进行控制和显示此外控制系统还有一些保护电路如：i g b t 驱动芯 片m 5 7 9 6 2 产生的过流保护，风扇故障保护，散热片过温保护等。保护电路的核心 是一片c p l d 。多路故障保护信号输入c p l d 经过一定的逻辑处理，再输出故障信 号给单片机和s g 3 5 2 5 ，封锁脉冲信号并进行相应的故障显示这些保护电路提供 了比较全面的保护功能，以应对输出短路，电网电压波动等现场可能出现的状况， 保护充电机安全工作。充电机控制系统采用s g 3 5 2 5 作为主控芯片，产生脉冲信号 调节器采用模拟电路搭建的p i 调节器，硬件调节速度快精度高，工作可靠。控制系 统可以实现恒压限流。恒流限压，恒流定时等多种运行模式，以满足电池维护的 要求。控制器工作图如图3 - 2 所示 1 6 充电扭控制器曲设让 图3 - 2 控制器工作图 f i 孵3 2w o r k i n gp i = n l 砖o f 腑。iu n i t 3 3 充电机控制器的硬件设计及软件结构 3 3 1单片机口1 1 单片机( c p u ) 选用m o t o r o l a 推出的h c s1 2 系列1 6 位m c u ：m c 9 s 1 2 d t l 2 8 ， 内部除中央处理单元c p u1 2 外，支持背景调试模式和大容量存储器扩展，内部不 仅集成f l a s h ，e e p r o m 及r a m 存储器，而且还集成c a n 、b d l c 、s c i 、s p i 、 h s i o 等多种接口，功能丰富，速度高、功耗低、性价比高、系统设计简单f l a s h 存储器具有快速编程能力、灵活的保护与安全机制，而且擦除和写入无需外部加 高电压因此选用作为控制器的核心芯片 3 3 2p w m 芯片s g 3 5 2 5 2 0 目前，在开关电源的设计过程中，常常使用各种嗍的i c 控制电路是开关 1 7 电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路的整体性能，在此控制器中采用 的是以s g 3 5 2 5 芯片为核心的控制电路。s g 3 5 2 5 是一种定频p 删芯片，采用1 6 引 脚标准d i p 封装。其各引脚功能如图3 - 3 所示，内部框图如图3 - 4 所示 反相辅入 瞄堪虢入 阔步瑞 笨茜器输如 c t 职 煦电端 蛾岩动瑞 话d v b 瞥譬 a b 瞥c 地 a 警譬 雠怖控朝 抖懂 图3 3 s g 3 5 2 5 引脚图 f i g u - e 3 - 3p i nc h a r to f s g 3 5 2 5 其中，脚1 6 为$ g 3 5 2 5 的基准电压源输出，精度可以达到( 5 1 + 1 ) v ，采 用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5 、脚6 、脚7 内有一个双门限比较器， 内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成s g 3 5 2 5 的振荡器。振荡 器还设有外同步输入端( 脚3 ) 。脚l 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入 端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为7 0 d b 左右 误差放大器的输入信号是电压反馈信号，是由输出电压经分压电路获取，与普 通误差放大器的接法不同的是该电压反馈为射极跟随器形式，反馈信号比较精确， 因而可以精确地控制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。s g 3 5 2 5 芯片振荡频 率的设定范围为1 0 0 5 0 0 k h z ，芯片的脚5 和脚7 间串联一个电阻就可以在较大范 围内调节死区时同。 5 ( ；3 5 2 5 的振荡频率可表示为；z = l c r ( o 7 墨+ 3 吃) 】。式中：c r 、墨分别 是与脚5 、脚6 相连的振荡器的电容和电阻；毋是与脚7 相连的放电端电阻值。 管脚8 接一个电容的作用是用来软启动，减少功率开关管的开机冲击。l l 和1 4 脚 输出采用图腾柱输出，本电路采用外加驱动隔离电路，增强了驱动能力和电源的 可靠性。 根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般 要添加适当的反馈补偿网络。 1 8 b n 图3 - 4s g 3 5 2 5 内部结构图 f i g r e 3 4f r a m ec h 融o f s g 3 5 2 5 s g 3 5 2 5 的主要功能如下 内置了5 i v 精密基准电源，微调至1 o 在误差放大器共模输入电压范围 内，无须外接分压电阻s g 3 5 2 5 还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可 以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性在g 引脚和放电端脚 ( 引脚7 ) 之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于s g 3 5 2 5 内部 集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容 s g 3 5 2 5 的软启动接入端( 引脚8 ) 上通常接一个软启动电容。上电过程中，由 于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的p w n i 比较器反向输 入端处于低电平，p w m 比较器输出高电平此时，p w m 锁存器的输出也为高电 平，该高电平通过两个或t i n t 加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电 容充电至其上的电压使引脚8 处于高电平时，s g 3 5 2 5 才开始工作。由于实际中， 基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，丽输出电压的采样电压则加在 误差放大器的反相输入端上。当输出电压茵输入电压的升高或负载的变化而升高 时，误差放大器的输出将减小，这将导致p w m 比较器输出为正的时间变长，p w m 锁存器输出高电平的时闻也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而 使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当s h u t d o w n ( 2 j 脚i o ) 上的信 号为高电平时，p w m 锁存器将立即动作，禁止s g 3 5 2 5 的输出，同时，软启动电 1 9 容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束， 才重新进入软启动过程。注意，s h u t d o w n 引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接 地，以防止外部干扰信号耦合而影响s g 3 5 2 5 的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在 s g 3 5 2 5 的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。 此外，s g 3 5 2 5 还具有以下功能，即无论因为什么原因造成p w m 脉冲中止， 输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，p w m 锁存器才被复位。 和该芯片系列以往型号相比，s g 3 5 2 5 主要增加了以下功能特点： 1 ) 设有欠压锁定电路。电路主要作用是当i c 输入电压 p 型堕移 i i ui 删l i 堑雠口 i i i i l g 嚣讯舔谍护 i i 驱 鲤塑宅 动 敷 壁墼穹 i 塑塑墨防 l i l g l r a t t o r ! l t 塑壁笔与c p l d 内部逻辑7 ：期刚搬 n 糕魔：黼 聃 量蝴： 箍嘴2 e 璐 黼 ：m o _ 聃。c ：删 “ 馁 瓠欠压 自l 哪 i 护 姒过压 il r m u 比 l 较 - 峭燔 t t t 艄 u 电 路 型幽七 i m s 珏d 图3 _ 5c p l d 保护逻辑框图 f i g u r e 3 - 5l o g i cl x x r ( x 2 t i o l lc h a r to f c p l d 从图3 - 5 中可知，从模拟信号检测电路及i g b t 驱动中返回的检测信号作为 c p l d 的输入，这些信号有电压过压、欠压，电流过流、欠流，电流正反向过流以 及i g b t 过流、i g b t 驱动板故障、风扇、温度继电器、接触器状态等。c p l d 通 过v h d l 编程来对这些输入的开关信号进行逻辑判断，完成对应的操作，同时反 馈信号给m c u 系统。 为了在故障时能快速保护，c p l d 能够迅速控制p w m 的调制信号。当任何一 种故障出现时，将故障信号经c p l d 相与后，再由s h u t d o w n 脚输出，故障时 由c p l d 的s h u t d o w n 脚在第一时间给s g 3 5 2 5 信号，封锁p w m 脉冲，同时 给出信号通知m c u 系统。 在c p l d 的配置中，除了s h u t d o w n 脚，c p l d 其他的输入输出口都作为 m c u 的扩展v o 接口，通过地址、数据线，m c u 可读取c p l d 输入口的状态， 也可以控制输出口的状态。因此m c u 在故障外中断后，可以读出c p l d 输入口的 状态作为故障代码，输出口可以作为继电器输出控制和l e d 指示控制。 3 3 4充电机控制器的软件结构 充电机控制器的软件结构为巡检式设计当系统上电后，检测工作模式( 如单 机运行、并联主机或并联从机) ，删从e e 里读取通用数据( 如上次运行设定的限 制电压电流、停止电压电流等参数) 及校准数据( a d 通道的零点、增益及d a 通道的 零点、增益) 若系统设定要求通过电池管理控制充电，则应检测和电池管理通讯 是否正常，如无电池管理则显示故障在经过r 棚、控制板、串口及c a n 模块初始 化以后。进入主循环并且按照充电机设置参数运行 主循环里包括时间计算、运行数据刷新，输入数据处理、主从通讯、输出控 制、模式转换、故障判断及显示等模块函数时间计算的原理是通过定时器中断， 对所需的时间段给相应的标志位，通过对不同时间标志位的判断来执行相应的操 作；输入数据处理主要针对的是面板按键、监控上位机所发出的运行命令变更、 数据显示、数据读取等命令的处理；在运行过程中，主机不断与电表、电池管理、 从机( 并联模式下) 、上位机进行实时数据通讯；当运行到设定的模式转换条件时 ( 包括规定阶段运行时间、停止电压、停止电流等) ，将相应的模式转换标志位置 位后，进入下一个模式或者停机；在整个充电运行的过程中，程序不断对各种故 障标志位进行检测，一旦检测到某种故障产生，则显示故障类型；若故障为严重 故障，则禁止p w m 脉冲输出。 运行设定样例如下：通过面板设定，总阶段数为2 ，第一阶段为恒流限压，给 定参数为：恒流6 0 a ，限制参数为：限压4 5 0 v ，停止参数为：停止电压4 4 0 v ：第 二阶段为恒压限流，给定参数为：恒压4 4 0 v ，限制参数为：限流6 0 a ，停止参数 为：停止电流5 a 。则当充电开始后，充电机工作在第一阶段，电流恒定在6 0 a ， 电压增长，但不能超过4 5 0 v 一旦超过4 5 0 v ，就控制输出使电压低于4 5 0 v ；当 电压超过4 4 0 v 后，第一阶段完成，进入第二阶段；第二阶段电压恒定在4 - 4 0 v ， 电流逐渐减小，若电流大于6 0 a ，则控制输出使电流小于6 0 a ；当电流小于5 a 后， 第二阶段结束，充电停止。 充电机控制器软件流程图如3 6 所示： 图3 _ 6 充电机控制