电动汽车充电桩设计研究论文_刘杰

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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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