电动汽车交流充电桩系统设计.doc

电动汽车交流充电桩系统设计国 ，商 慧 杰 ，朱 春 波 ，逯 仁 贵魏（哈尔滨工业大 学 电气工程及自动化学院 ，黑 龙 江 哈 尔 滨）摘 要 ：简 要 介 绍 了 电 动 汽 车 交 流 充 电 桩 的 内 容 和 研 究 现 状 。 针 对 需 要 设 计 了 基 于 微 控 制 器 的 控 制系 统 解 决 方 案 ，并 详 细 介绍了控制系统的 软 硬 件 设 计 和 桩 体 的 电 气 部 分 设 计 。 该 系 统 提 供 包 括 人 机 交 互 、充 电 控 制 、电 能 计量 、 卡 付 费 、票 据 打 印 、运 行 状 态 监 测 、充 电 保 护 和 充 电 信 息 存 储 和 上 传 等 多 种 完 善 的 功 能 ，满 足 充 电 过 程 的 要 求 。关 键 词 ：电 动 汽 车 ；交 流 充 电 桩 ；车 载 充 电 机中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：文 章 编 号 ：（）， ， ， （，）： ， ， ：；或 墙 壁 ，安 装 于 公 共 建 筑 （办 公 楼 宇 、商 场 、公 共 停 车 场等）和 居 民 小 区 停 车 场 或 充 电 站 内 ，采用传导方式为具 有 车 载 充 电 机 的 电 动 汽 车 提 供人机交互操作界面及交 流 充 电 接 口 ，并 具 备 相 应 测 控 保 护 功 能 的 专 用 装 置。交流 充 电 桩 采 用 大 屏 幕 彩色触摸屏作 为 人机交 互 界 面 ，可 选 择 定 电 量 、定 时 间 、定 金 额、自 动 （充 满 为 止）四种模式充电，具 备 运 行 状 态 监 测、故 障 状 态 监 测、充 电 分时计量、历史 数 据 记 录 和 存 储 等 功 能。 充 电 桩 的 交 流工作 电 压 （），额 度 输 出 电 流 （）为 （七芯插座），普通 纯 电 动 轿 车 用 交 流 充 电 桩 充 满 电 大 约 需要，充 电 桩 更 适 用 于 慢 速 充 电。 交 流 充 电 桩 一般由桩体、电气 模 块、计 量 模 块、账 务 管 理 模 块 四 部 分 组成。根据安装 方 式 的 不 同，桩 体 可 分 为 落 地 式 和 壁 挂 式两种。落地式充电桩适合在各种停车场和路边停车位 进行地面安装；壁挂式充电桩适合在空间拥挤、周边有墙壁等固定建筑物上进行壁挂安装，如地下停车场或车库。引 言随 着 全 球 能 源 危 机 的 不 断 加 深 ，石油资源的日趋枯 竭 以 及 大 气 污 染 、全 球 气 温 上 升 的 危 害 加 剧 ，各 国 政 府 及 汽 车 企 业 普 遍 认 识 到 节 能 和减排是 未来汽车技术发 展 的 方 向 ，发展电 动 汽车将是 解决这 两个难题的最佳途 径。我 国 高 度 重 视 电 动 汽 车 的 发 展 ，国 家 相 继 出 台 了 一 系 列 标 准 来 扶 持 和 规范电动汽车的 发 展 。 但 要 实 现 电 动 汽 车 大 面 积 普 及 我 国 还 有 很 长 的 路 要 走 ，需 要 解 决 的 问 题 还 有 很 多 。 在 最 近 发 布 的节 能与新能源汽车产 业 规 划草 案中 指 出 将以 纯 电 动 汽车作为主要战略取 向 。 有 关 专 家 指 出 纯 电 动汽车的发展 存在三大瓶颈问 题 ：一 是 标 准 的 缺 失 ，二 是 配 套 政 策 的 不 完 善 ，三 是 基 础 设 施 的 规 划 和 建 设 的 有 序 推 进 。 本 文 所 研 究 的 电 动 汽 车 交 流 充 电 桩 作 为 充 电 基 础 设施的一 部分对于推进电 动 汽 车 的 普 及 具 有 重 要 的 意 义 。交 流 充 电 桩 系 统 工 作 原 理电 动 汽 车 交 流 充 电 桩 介 绍依据 电动汽车传导充电用连接装置：交流充电接口中相关规定的要求，采用控制导引电 路的方式来作为充电连接装置的连接状态及额定电流参交 流 充 电 桩 ，又 称 交 流 供 电 装 置 ，是 指 固 定 在 地 面收 稿 日 期 ：魏 国，等：电动汽车交流充电桩系统设计第 期控 制 器 。 互 联 型 系 列 使 用 高 性 能 的 位 的 内 核 ，工 作 频 率 为 。 该 器 件 包 含 个 位 的 、 个 通 用 位 定 时 器 和 个 定 时 器 ，还 包 含 标 准 和 先 进 的 通 信 接 口 ：多 达 个 ， 个 ， 个 ， 个 、一 个 和 个 ，该 器 件 同 时 提 供 了 以太 网 接 口 ，极 大的 方便了电路设计 。串 行 接 口 电 路系 统 共 使 用 了 四 个 串 行 接 口 分 别 与 触 摸 屏 、 热 敏 打 印 机 、读 卡 器 和 接 口 的 电 能 表 通 信 。 触 摸 屏 和 热 敏 打 印 机 为 电 平 ，经 过 电 平 转 换 与 通 信 。 触 摸 屏 与 的 通 信 协 议 采 用 通 信 协 议 ， 作 为 主 机 ， 触 摸屏 作 为 从 机 。 热 敏 打 印 机根据打印机模块提供的协议 进 行 通 信 。 读 卡 器 为 电 平 ，可 以 直 接 与 相 连 ，采 用 读卡 器模 块提供的协议进行通信 。 充 电 计 量 的电 能 表采用多功能单相表 ，电 表 选 用 等 级 的 电 能 表，电 流 规 格 为（）。 电表提供 接口，通过通信 协 议 与 通 信。 通 过 读 取 电 能表的电能值作为 充 电 桩 的 电 能 计 量 值，通 过 读 取 电 表 电 流和电压值来判断充电过程中是否出现过流和过压的情况，并加以处理。电能表接口的电路图如图所示。图 典 型 控 制 导 引 电 路 原 理 图供 电 设 备 插 头 与 插 座 连 接 后 ，供电控制装置通过 图 所 示 的 检 测 点 的电压值判断供电 插 头 与供 电 插 座 是 否 已 完 全 连 接 。 同 时电动汽车车 辆控制装置通过 测 量 检 测 点 与 间的电阻值判断车 辆 插 头与 车 辆 插 座 是 否 已 完 全 连 接 。 在完成插头与 插座连接状态检 测 后 ，操 作 人 员 对 供 电 设 备 完 成 充 电 启 动 设 置 ，则 开 关 从 连 接 状 态 切 换 至 连 接 状 态 ，供 电 控制装 置 发 出 信 号 。 供 电 控 制 装置通过测量检测 点 的 电 压 值 判 断 充 电连接装置是否 已 完全连接 。 车辆 控制 端检测无误后闭合 ，供电控制装置通 过 再 次测 量 检 测 点 的 电 压 值 判 断 车 辆 是 否 准 备 就 绪 ，如 满 足 要 求 则 通 过 闭 合 使 交 流 供 电 回 路 导 通 。交 流 充 电 桩 系 统 方 案系 统 由 触 摸 屏 、打 印 机 、 接 口 的 电 能表 、漏 电 保 护 断 路 器 、交 流 接 触 器 、读 卡 器 和 灯 等 基 本 部 分 组 成 。 触 摸 屏 可 以 提 供 友 好 的 人 机 操 作界 面 和 快 捷 简 单 的 操 作 方 式 ，满足客 户按照不同的方式 对 电 动 汽 车 进 行 充 电 的 要 求 ，可 以 显 示 当 前 充 电 状 态 、 充 电 电 量 和 充 电 费 用 ，友好的 用户界 面可以让客户进行 相 应 的 选 择 。 当 采 集 的 电压超过过压 保护定值或低于 欠 压 保 护 定 值 ，充 电 桩 停 止 充 电 。 漏 电保护断路器可保 证在充电 过程中 发生漏 电 等紧急故障 情况下停止充电 。 当 发 生 意 外 状 况 需 要 紧 急 停 止 充 电 时 ，可以通过急停按 钮 来 中 断 充 电 。 系 统 的 电 气 连 接 示 意 图 如 图 所 示 。图 接 口 原 理 图 总 线 接 口 电 路根 据电 动 汽 车 车 载 充 电 机 与 交 流 充 电 桩 通 讯 协 议征 求 意 见 稿中 的 相 关 说 明 ，该征求意见稿推荐车 载 充 电 机 与 交 流 充 电 桩 之 间 的 通 信 系 统 采 用 总 线 ，所 以 设 计 总 线 接 口 。 数 据 链 路 层 为 物 理 连 接之 间 提 供 可 靠 数 据 传 输 ，本系统车载充电 机 与 交 流充电 桩之 间 的 数据帧格式符合 总 线 版 本 的 规 定 ，使 用 扩 展 帧 的 位 标 识 符 。 具 体 每 个 位 分配 的 相 应 定 义 和 传 输 协 议 等 功 能 符 合 的 规 定 。图 交 流 充 电 桩 电 气 连 接 示 意 图控 制 系 统 单 元 电 路主 控 制 器 选 择主控 制 器 选 择 意 法 半 导 体 的 微现 代 电 子 技 术 年第 卷量 、金 额 充 电 ，也 可设置成直接充满为止 。 程 序 的 整 体流 程 图 如 图 所 示 。充 电 电 压 测 量 电 路电 压 测 量 首 先 需 要通过测量互 感 器将电压和电流 转 换 为 可 以 测 量 的 小 信 号 。 例 如 对 的 电 压 信 号 的 测 量 ，采 用 的 互 感 器 变 比 为 ，采 用 图 所 示 的 电 路 ，可 知 在 时 互 感 器 的 输 出 恰 好 为 。忽 略 大 电 阻 分 流 的 影 响 ，则 相 当 于 是 一 个 采 样 电阻 。 由 于 采 样 的 信 号 为 交 流 电 ，信 号 有 正 负 之 分 ，而转 换 器 的 输 入 范 围 为 ，所以不能直接将 采 样 电 压 输 入 到 转 换 器 中 。 在 运 放 的 正 输 入 端 接 入 一 个 正 的 参 考 电 压 ，再 选 择 合 适 的 放 大 倍 数 ，使 输 出 能 够 在 转 换 器 的 输 入 范 围 即 可 很 好 的解决 该 问 题 。 采 用 准 同 步 采 样 后，数 据 采 用 矩 形 自 卷 积 窗算 出 其 有 效 值。图 控 制 导 引 电 路 原 理 图控 制 导 引 电 路控 制 导 引 电 路 完 成 充 电 前 充 电 桩 与 电 动 汽 车 的 连 接 确 认 、供 电 功 率 及 充 电 连 接 装 置 载 流 能 力 的识别和充电过 程 的监 测 等 任务 。 通 过 检 测 点 不 同 的 电 压 值 来 判 断 所 处 状 态 ，其 电 路 原 理 图 如 图 所 示 。桩 体 电 气 部 分 设 计交 流 充 电 桩 的 电 气 部 分 主 要 完 成 充 电的 控 制 与 充电过程的保 护 等 功 能 。 具 有 漏 电 保 护 、短 路 保 护 、过 流 、过 压 、欠 压 保 护 等 保 护 功 能 。 除 短 路 和 漏 电 保 护 外 ，其 他 保 护 功 能 通 过 充 电 控 制 器 控 制 接 触 器 实 现 ，以 实 现 自 恢 复 ；短 路 和 漏 电 保 护 选 用 带 漏 电 保 护 的 微 型 断 路 器 实 现 。 此 外 系 统 还 具 有 防 雷 模 块 ，防 雷 模 块 标 称 放 电 电 流 不 小 于，保 护 电 压 水 平 小 于 等 于。 单 相 供 电 时 防 雷 模 块 的 接 线 方 式 选 用 接 线 方 式 。 充 电 桩 具 备 急 停 按 钮 ，以 便 在 紧急 情 况 时 能 够 强 行 终 止 充 电。图 程 序 流 程 图结 论本 文 分 析 了 交 流 充电桩控制系统的硬件设计与软 件 设 计 ，叙 述 了 充 电 桩 电 气 部 分 的 设 计 。 该 系 统 以 为 控 制 核 心 ，实 现 了 人 机 交 互 、充 电 控 制 、电 能 计 量 、 卡 付 费 、票 据 打 印 、运 行 状 态 监 测 、充 电 保 护 和充电信息存储 和 上传等多种完 善 的 功 能 。该 系 统 能 满 足 电 动 汽 车 一 般 的 慢 速 充 电 要 求 ，作 为 充 电 基 础 设 施 的 一 部 分 对 于 推 进 电动汽车的普及具有重要 图 充 电 电 压 测 量 原 理 图软 件 设 计充 电 桩 通 过 触 摸 屏 完 成 交 互 式 控 制 ，运 行 时 如 果 进行 刷 卡 操 作 则 触 发 中 断 进 行 读 卡 ，确 定卡的类型进行相 关 操 作 。 充 电 模 式 提 供 多 种 选 择 可 以 设 置 按 时 间 、电的 意 义 。（下 转 第 页）凌 利，等：公交车辆检测技术研究进展第 期佳 方 法 。 方 法也同 样 需 要 考虑设备的安装 、维 护的 成 本 。参 考 文 献表 各类检测器及应用环境 梁 乙 朝 交 通信号控制系统公交优先检测技术分析与应用 第 十 二 届 多国城市交通学术会议论文集 北 京 ：中 国 科学技术出版社 ，： 巩 振 宇 基 于 的 公 交 定位调度系统车载部分设计 成 都 ：电 子 科 技 大 学 ， 马 芳 智能公交系统中 信息质量问题解析研究 上 海 ：同 济 大 学 ， 蔡 振 辉 射频识别技术在公交战场车辆管理中 的 应 用 广 东 科 技 ，（）： ， 适 用环 境维 修难 度设 备技 术装 置检 测 区 域成 本环 形线 圈电 感变 化车 道 埋 设线 圈专 用车 道固 定 点高高视 频检 测计 算 机视 觉视 频 检 测 器和 补 光 灯混 合车 道区 域 面较 高较 高车 辆 和 路 口通 信 设 备混 合车 道经 纬 度区 域 面较 低较 低射 频识 别车 载 卡 及读 卡 器混 合车 道 技 术区 域 面较 低较 低 ，：，： 肖 静 文 ，余 志 ，聂 佩 林 ，等 基 于几何与颜色 特征的公交车辆 视 频 检 测 算 法 中 山 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版 ，（）： 巨 永 锋 ，朱 辉 ，潘 勇 基于计算机视觉的车流量检 测 算 法长 安 大 学 学 报 ，（）： 郁 梅 ，蒋 刚 毅 ，贺 赛 龙 基于路面标记的车辆检测 和 计 数仪 器 仪 表 学 报 ，（）： ， ， ，（）： ， ：，：视 频 检 测 是 智 能 交 通 系 统 中 不 可 缺 少 的 一 部 分 ，用视 频 设 备 的 输 出 作 为 公 交 车 辆 检 测 的 输 入 ，可 以 提 高 资 源 的 利 用 率 ，因 此 ，在 公 交车辆识别中 视频检测技术有 更 大 的 发 展 空 间 。结 语视 频 检 测 可 以 代 替人对道路检 测 系统中的视频图 像 画 面 进 行 综 合 分 析 ，不 仅 可 以 得 到 流 量 、占 有 率 等 常 规 的 道 路 交 通 服 务 信 息 ，还可 以对视 频图像中的所有车 辆 进 行 锁 定 、跟 踪 ，并描述其运行轨迹 ，同 时 ，对 道 路 上 发 生 的 交 通 事 件 还 有 识 别 功 能 。 随 着 计 算 机 视 觉 技 术 的 不 断 发 展 以 及 媒 体 处 理 、数 字信号 处理及图像识别领 域 的 软 硬 件 技 术 的 提 高 ，视频 检测器 运行的准确度和实 时 性 都 得 到 了 较 大 的 提 高 ，可 以 想 象 ，在 公 交 识 别 系 统 中 ，视 频 检 测 技 术 将 有 更 大 的 发 展 空 间 。檹檹檹檹檹檹檹