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摘要：推动电动汽车交流电充电桩的发展具有重要的现实意义，基于交流充电桩功能的分析，文章从硬件、软件两大方面对电动汽车交流充电桩系统的设计进行了研究，并对完成后的充电桩系统设计做了性能检测。
关键词：能源；节能减排；电动汽车；充电桩；系统设计；性能检测
随着我国国民经济的持续发展，石油资源需求日益增加，造成能源供需及环境污染矛盾越来越严重，节能减排也逐渐成为各国政府越来越重视的技术难题。电动汽车具有零排放、节能等优点，因此，电动汽车产业无疑是未来汽车产业发展的方向。然而，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，但目前国内充电站和电池交换站等新能源汽车基础配套设施建进程缓慢，覆盖面不广造成电动汽车推广缓慢。为达到稳定地为电动车充电和节能减排的目的，文章设计了一款基于PLC的电动汽车交流充电桩控制系统，内容包括交流充电桩硬件设计以及交流充电桩软件设计。在充电桩系统设计完成后对其进行了现场测试，测试结果表明该系统能够取得较好效益，并为电动汽车用户，提供较为便利的使用和操作，以及美观的造型，以期该设计能为实现电动汽车产业化和市场化贡献一份力量。
1 交流充电桩功能分析
当前，国内交流充电桩生产商还没有完全统一的生产标准，本文根据国家标准和相关企业标准，列出交流充电桩的功能要求，主要包括人机交互、刷卡付费、计量、通讯、保护控制和自检等。
1）人机交互功能。交流充电桩应显示其相关运行状态，充电模式、计费信息及充电电量等，可手动设置充电参数，手动控制充电桩功能，显示画面应清晰、完整、易操作。
2）刷卡付费功能。交流充电桩应配备读卡装置，使其能与交流充电桩的交流电能表进行通讯，实现充电桩的充电计费。
3）计量功能。交流充电桩应具备计量输出电能量的功能，并计算充电电量，显示充电时间、充电电量及电费等信息，还应具备通讯功能。
4）通讯功能。交流充电桩应具备与外部通信的相关接口，以实现与上级监控管理系统的通讯。
5）保护控制功能。交流充电桩应配置急停开关，当发生紧急状况时，能够在充电过程中及时切断输出电源。交流充电桩应具备负载、过压、欠压、过热、漏电保护功能，确保充电桩充电过程中安全可靠稳定运行。
6）自检功能。交流充电桩应具备自检及故障报警功能，当充电桩发生故障时，可以通过指示灯的状态与人交互。此外，交流充电桩长期位于室外，需具备长期经受恶劣环境和较强电磁干扰的特点。因此，在元件选型时，应该选择具有工业级标准的电力电子器件以及带屏蔽功能的通信线。在交流充电桩的内部，结构布置应合理，便于安装施工，配件易拆卸，方便调试维修。
2 交流充电桩硬件设计
交流充电桩的硬件系统主要由PLC控制器、触摸屏、IC卡读卡器、交流电表、通信模块、微型打印机、电源模块、PWM模块、充电接口等组成，其硬件系统框图如图1所示。
1）PLC控制器选用ABB公司的AC500－eCo系列PLC，完成充电过程的启动、运行、实时监控及关闭功能。AC500－eCo是一款高性能、紧凑型PLC，在CPU模块上，集成了12路数字I/O且可添加7个不同种类的I/O扩展模块，具备COM1和COM2 2个串行通讯接口、1个以太网口，128ＫB程序内存。采用AC500PLC编程软件（control builder plus，CBP）完成硬件组态，采用CoDeSys软件进行编程，该编程软件支持6种编程语言，即指令表（IL）、梯形图（LD）、结构文本（ST）、功能块（FBD）、顺序功能图（SFC4.4208）和连续功能图（CFC）。
2）触摸屏。型号为TH765－N的触摸屏，显示屏幕为7英寸，6万色真彩，支持BMP、JPEG格式图片，集成2个串行通讯接口和1个USB－B接口（实现数据的快速传输和备份）。触摸屏的界面组态使用TouchWin编程工具，采用可视化编程能对系统进行全面监控，完成人机交互、充电管理、数据统计等功能。
3）IC卡读卡器。型号为ST－RF04的IC卡读卡器与PLC控制器之间采用串行通讯方式，在进行刷卡操作时，PLC控制器调用IC卡的读、写程序。IC卡系统加密方便可靠，能够确保信息安全，支持串口通讯，可完成IC卡付费和身份识别。
4）交流电表。型号为B23－312－400单/三相两用交流电能表，具备1个RS485串行通讯接口，通过输入电压和电流计量电能，通过485通讯将耗能数据传送给PLC控制器，从而实现计费。
5）通信模块。PLC控制器的CPU模块具备1个以太网接口，可配置TCP/IP、UDP或者Modbus onTCP/IP通讯协议方式与外部网络进行通信。
6）微型打印机。型号为WH－C2的微型热敏打印机，采用RS485通讯串口打印票据，通过串行协议给打印机提供控制命令和打印数据。微型打印机的主要作用是为客户打印本次充电信息，包括充电模式、所用时间、充电电量、花费金额等。
7）电源模块。其采用直流24V的开关电源，为PLC控制器、触摸屏、控制电路及其它器件提供工作所需电源。
8）PWM模块。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）模块把PLC输出的24V的PWM信号转换成＋12～－12V的PWM信号。PLC主控模块通过调整PWM输出的占空比，可调节交流充电桩的电价信息，通过与充电接口连接的各模拟端口的电压值来判断每个充电接口与车辆的连接情况。
9）充电接口。采用7针充电插头，其中有3针连接220V交流电源线，1针为控制确认插头与PWM模块的PWM信号输出端口连接，1针为连接确认插头与PLC主控模块的模拟量输入端连接，其余2针留作备用。
PLC控制器通过控制中间继电器、交流接触器等实现充电开始和结束的控制。通过充电接口连接和控制确认线的电压值，判断充电接口与车辆充电机的连接状态。通过串行通信总线与触摸屏、微型打印机、IC卡读卡器及交流电能表进行通讯获取数据，根据所获信息发出指令，控制整个系统有效运行。此外，交流充电桩设有多个指示灯，指示灯与PLC控制器连接，通过当前指示灯的状态判断交流充电桩当前的工作状态。
3 交流充电桩软件设计
交流充电桩软件部分的设计是其控制系统的灵魂所在，其主要实现人机交互、电能计量、计费控制，通讯、保护控制、自检等功能，控制系统主程序流程图如图2所示。
当交流充电桩上电时，控制系统初始化以及自检无误后，触摸屏显示提示用户刷卡界面。当用户需要充电时，通过刷有效IC卡进入充电桩界面，显示当前IC卡卡号、余额、可充电量等信息，若卡内余额为零，界面会提示用户充值，充电桩再次自检返回到刷卡界面。将电动汽车与充电桩的充电接口相连接，如果电动汽车与充电插口连接不正常则报警并提示请正常连接，连接无误后，用户方可进入充电模式界面。
本文所设计的交流充电桩有时间模式、金额模式、电量模式和满充模式4种，选择一种充电模式并输入对应信息后，选择开始充电，若控制系统无报警产生，则进入充电状态，充电指示灯亮。在充电过程中，通过触摸屏可以看到当前的IC卡余额、已充电量和充电时间等。如果用户在充电过程中强行结束充电，界面进入刷卡结算界面。充电完成后，充电桩提示充电完成并提示用户刷卡结算，当用户刷卡结算，并确认充电信息后提示是否打印票据，本次充电完成。
在软件设计中，根据充电桩的硬件部分功能模块，将软件程序分为PLC控制器主程序、读IC卡程序、读电能表程序及触摸屏组态程序等模块，各个模块之间相互独立，互不影响。主程序能够有效地协调各个模块之间的工作，完成整个充电桩的充电过程。
PLC控制器主程序包括硬件组态和CodeSys源代码编程2部分。触摸屏的界面组态需要组态各个窗体、控制窗体间的切换以及配置与PLC控制器串行通讯接口、微型打印机串行通讯接口的站点号和对象类型等相关信息。PLC控制器通过调用IC卡的读程序来获取卡内信息，调用写程序把卡号、充值金额以及从电表获取信息等写入卡内。读电能表程序完成PLC与交流电表的通讯，采用Modbus RTU通讯协议，其中PLC作主站，交流电表作从站，设置相应参数并通过调用COM_MOD_MAST功能块编制主站控制程序，通过读取电表内部相应寄存器来获取电压、电流等电能信息。
4 性能测试
充电桩系统设计完成后，对其进行现场测试，测试结果表明，充电桩有效实现了人机交互、刷卡付费、计量、通讯、保护控制、自检等功能。系统触摸屏界面清晰、操作反应灵敏。用户可以根据需要自行选择充电模式，充电时间可根据选择的充电模式自动调整，当用户刷有效IC卡成功后，系统进入主界面。进入充电桩充电界面时，触摸屏能够实时显示充电电压、充电电流、已充电量、已充时间等信息。因此，该控制系统很好地实现了交流充电桩的充电功能。
5 结束语
总之，在石油资源短缺与全球气候变暖的背景下，低碳环保的电动汽车会经成为汽车行业未来主要发展趋势，推动电动汽车交流电充电桩的发展具有重要的现实意义。综上所述，文章设计了一种基于PLC控制器的电动汽车交流充电桩控制系统，经性能检测，该系统能够有效实现人机交互、刷卡付费、计量、通讯、保护控制、自检等功能，并且能够提供更便利的使用和操作，以及美观的造型。由此可见，本系统设计有效实现了对电动汽车的充电功能，达到了预期的效果，可为后续电动汽车充电桩的设计与研制提供有益的参考借鉴。
参考文献：
[1]刘玉梅.基于PLC技术的电动汽车交流充电系统的研究与实现[D].山东农业大学.2014
[2]马河祥.电动汽车交流充电控制技术研究[D].南京理工大学.2012
论文作者:牛雅兵
论文发表刊物:《基层建设》2016年1期
论文发表时间:2016/5/20
标签：功能论文; 电动汽车论文; 通讯论文; 触摸屏论文; 控制器论文; 接口论文; 模块论文; 《基层建设》2016年1期论文;