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摘要：新能源汽车作为一种绿色交通工具，有着广阔的前景。充电装置则是电动汽车运行的必要基础设施。目前各小区的充电桩和部分充电站等普遍实行无人值班少人值守，各站之间缺乏必要的信息交流。随着电动汽车的大量普及，高效节能、信息互联的智能化充电系统显得尤为必要。采集电动汽车动力电池数据、保证充电过程的安全性，实时计量用电量和充电的过程管理。在对充电装置现状分析的基础上，提出了基于通信的网络化设计。对充电管理系统、电量计量系统、电费交易结算系统等进行设计，实现充电机、电池管理系统和用户，甚至城市枢纽之间能够通信，实时监测相关的参数。
关键词：电动汽车；充电桩；设计研究
1方案总体分析设计
该系统主要功能包括客户IC卡信息采集、电能计量计费、系统数据的存储与传送。系统主要有充电管理单元系统、电量计量系统、电费交易结算系统构成。如图1所示。充电桩通过通讯接口获取电量数据和电能费用，在触摸屏界面显示给用户；把用户的操作信息通过通讯系统传递给后台。后台充电网络管理中心，对所有充电设备（直流充电桩、交流充电桩、充电机等）统一管理调度。同时，对充电设备实现远程在线监控。
图1充电桩功能图
2系统的网络设计
充电桩上级监控模块采用ARM920T作为内核，提高了系统的运行效率。实现与多个各级智能设备的连接和数据存取。在内部集成8路开关量输入单元和5路开关量输出单元，以实现人机对话，连接触摸屏LCD模块和输出告警继电器。如图2直流充电系统网络结构所示，在电动汽车充电系统中，高速CAN网络与电动汽车BMS通信，用于判断电动汽车动力电池类型；获得动力电池系统参数，充电前和充电过程中动力电池的电压、电流、温度等状态数据，完成充电机的充电控制；通过RS485网络与智能电能表通信，获取电能计量信息，完成充电计费与充电过程的联动控制，与高频充电模块通信，获取充电模块状态和运行信息，完成充电模块状态监测与充电过程的联动控制，与智能变送器通信，获取充电机的输出电压和电流信息，完成充电输出数据监测与充电过程的联动控制。通过高速CAN网络将电能计量、充电机工作信息传送给用户终端（UT），获取并执行UT上送的控制命令；通过RS232网络，实现直流充电桩微处理器和读卡器、显示终端联动。通过高速CAN网络或工业以太网与充电站后台监控系统交换数据，上传充电机和动力电池的工作状态和运行信息，获取并执行后台下发的启动或停止充电控制命令。
2.1.1充电管理方案
充电管理是监控模块的核心功能，采用二级监控模式，对电池组的端电压、充放电电流、电池环境温度及其它参数作实时在线监测。可准确地根据电池的充电情况计算充电容量，还能按用户事先设置的条件自动转入各个充电阶段进行充电，并通过控制充电电压和电流来完成电池的正常充电过程，实现全智能化。用户终端（UT）和电池管理通过两路总线接口和微处理器连接，通过MAX3050ASA的发送数据输入微处理器LPC2387进行处理[3]。控制流程如图3所示。
图2充电系统网络结构
图3充电管理方案框图
2.1.2充电管理流程设计
充电方式分为“恒流限压充电”、“恒压限流充电”两种。系统的工作流程如图4所示。充电机在充电过程根据监测的电池电压或电流，自动选择相应的充电方式，按设定的电流和电压对电池充电，并与各阶段预设的电压、电流、保护时间和保护电压相比较，再继续充电，至到充电完成。当充电系统出现异常时，为了保证电池不被损坏，充电机会立即停机或不能启动。这些异常情况包括充电模块保护或故障告警、充电机电池连接状态不正常、充电机电池开关状态不正常、电池管理系统（BMS）告警，及充电模块通信中断、直流电压表或电流表通信中断、BMS通信中断。
图4充电管理工作流程
2.2电能计量单元的设计
2.2.1电能计量方案
蓄电池充电属非线性负荷，充电过程中会产生大量谐波。另外，采用直流快速充电时，会形大电流，目前有相关的直流电能表使用，但是价格昂贵。本系统采用交流智能电能表在充电机模块输入端计量，即在后台计量。充电桩控制器提供RS485通讯接口。使用LPC2387微处理器的UART接口，经过MAX485CSA芯片处理形成RS485电平信号。控制流程如图5所示。智能电表通过其接口电路实现计量信息和微处理器的传递。
2.2.2计量单元通讯流程设计
系统加电启动后，进入流程。首先初始化智能电表，并把该表的地址信息等数据置位。充电过程中，分别设定485芯片的端口状态，自动循环实现发送和接收电量数据信息的传递。当一个流程接受所有数据分送后台监控系统和充电桩前台显示界面，该次通讯结束，自动进入下次循环。其工作流程如图6所示。
图6计量单元工作流程
2.3交易结算系统单元的设计
2.3.1交易结算方案
M1卡由刷卡装置读写芯片数据，并通过RS232串行接口电路传送至微处理器。该接口使用LPC2387自带的UART串行接口，通过SP202EEN芯片转换，最终产生RS232信号电平。经充电桩后台通讯系统，把芯片数据传送给监控系统；该系统处理完信息后，按照上述流程，把信息传递到刷卡端，并且可以在触摸屏上显示IC卡信息。系统方案如图7所示。
图7交易结算方案框图
2.3.2交易结算程序流程
系统流程如图8所示，系统上电启动后，首先将M1卡靠近刷卡区。完成智能卡识别、客户信息读取和卡内余额读取等。如果一切正常，则进入充电模式选择设定阶段，有多种充电模式可供选择。设置完成，进入充电电阶段，否则返回到开始。充电完成，提示客户刷卡结算。整个操作信息由充电桩转发后台监控系统。整个流程结束。
图8交易结算系统流程图
3结语
对电动车充电控制监测系统进行了方案设计。基于模块化的思想，设计了充电管理系统、电量计量系统、电费交易结算系统等三个模块。并对上位机系统进行规划，测试。结果表明该系统能够直观的了解系统的充电运行状态。对充电系统的建设有一定的指导作用。
参考文献：
[1]窦汝鹏，王白侠，李川.电动汽车充电协议测试系统的设计与问题分析[J].汽车电器，2017（12）：5-8.
[2]王振华，王全海，宋海飞，宋一丁.电动汽车充电桩主动充电控制策略[J].测控技术，2017，36（12）：90-92.
[3]王海群，彭川.电动汽车充电桩控制系统的设计[J].微型机与应用，2017，36（23）：107-111.
[4]刘建，徐晴，孙应军，周超，田正其，周濛.用于电动汽车直流充电桩的能效计量方案研究[J].电测与仪表，2017，54（23）：47-53.
论文作者:刘杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/27
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