王 旭，齊向東

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原030024)

0 引 言

常規(guī)石化燃料的使用在對(duì)大氣造成了很大程度的污染的同時(shí)，其作為一種不可再生能源，儲(chǔ)量也越來(lái)越少。目前，很多國(guó)家和科研機(jī)構(gòu)正在積極致力于電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與生產(chǎn)，我國(guó)在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)起步早、發(fā)展快，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為節(jié)能減排與改善地球環(huán)境的必然趨勢(shì)［1］。

電動(dòng)汽車(chē)憑借其零污染、零噪音、駕駛簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)一度成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但是電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力弱以及充電不方便等缺點(diǎn)也成為限制大范圍使用的障礙。目前，電動(dòng)汽車(chē)采用蓄能電池作為動(dòng)力來(lái)源，當(dāng)電壓較低時(shí)，就必須進(jìn)行電能補(bǔ)給，否則性能會(huì)受到很大影響。目前，國(guó)內(nèi)有很多充電模式，例如:電池組快速更換、快速充電以及常規(guī)充電等，但是動(dòng)力電池體積大、重量大、更換不方便［2］。電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁不僅能夠解決電動(dòng)汽車(chē)隨時(shí)隨地充電的問(wèn)題，還能夠?qū)?dòng)力電池進(jìn)行維護(hù)，具有人性化的人機(jī)交互界面和完善的通訊能力，確保了用戶(hù)操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了智能化。

本研究將電力電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、REIP無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)等應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究中。

1 電動(dòng)汽車(chē)(EV)的充電方法和建設(shè)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

目前，電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電的方法主要有:

(1)交流充電。由電網(wǎng)提供220 V或者380 V交流電源，經(jīng)過(guò)車(chē)載充電裝置的濾波、整流和保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的充電過(guò)程。這種充電方法充電時(shí)間較長(zhǎng)，充電功率較小，適合小型純電動(dòng)車(chē)以及混合動(dòng)力運(yùn)行的汽車(chē)。

(2)直流充電。這種充電方式是由地面提供直流電源，直接為車(chē)上的蓄電池進(jìn)行充電，省去了車(chē)載充電裝置，有利于車(chē)身自重的減輕。地面充電機(jī)一般功率較大，能實(shí)現(xiàn)快速充電。適合電動(dòng)公交車(chē)等大型電動(dòng)汽車(chē)。

(3)更換電池組。這種充電方法為每一輛電動(dòng)汽車(chē)準(zhǔn)備了兩組蓄電池，一組為電動(dòng)汽車(chē)提供電源的同時(shí)，另一組處于地面充電狀態(tài)，當(dāng)車(chē)載電池組電量不足的時(shí)候，可以及時(shí)地拆下并更換已經(jīng)充足電量的電池組。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)最短時(shí)間的充電過(guò)程。但是需要建設(shè)大量的電池更換站，需要大量人員進(jìn)行維護(hù)。投資成本大，智能化程度低，不予采用［3］。

(4)非接觸式充電。這種充電方式需要在路面上嵌入電氣元件，并且能夠和車(chē)輛進(jìn)行隨時(shí)接觸，這樣在車(chē)輛行駛的過(guò)程中才能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)充電，不用受到充電地點(diǎn)的限制。這種充電方式目前還沒(méi)有引起人們足夠的注意和興趣，不予采用。

對(duì)建設(shè)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性分析如下:

隨著社會(huì)科技力量的不斷強(qiáng)大，電動(dòng)車(chē)以其零排放和噪音小的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸地被人們所認(rèn)可。建設(shè)龐大的充電系統(tǒng)也是不可或缺的一部分，就如同現(xiàn)在的汽車(chē)加油站一樣，遍地可見(jiàn)。同時(shí)，現(xiàn)在的電動(dòng)車(chē)輛電池大部分采用能效比較高、體積較小的鋰離子蓄電池作為能源電池。鋰離子電池對(duì)充放電的要求較高，如果沒(méi)有相應(yīng)的監(jiān)控方式，就會(huì)對(duì)電池造成不可修復(fù)的損害，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及到人們的人身安全。

2 電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

2.1 充電樁建設(shè)的兩種可行模式

(1)建設(shè)交流充電樁。在小區(qū)停車(chē)場(chǎng)建設(shè)交流充電樁，采用220 V或者390 V交流電壓，這兩種電壓等級(jí)容易獲得。經(jīng)過(guò)地面充電樁，可以為家用電動(dòng)汽車(chē)或者環(huán)衛(wèi)清潔車(chē)等小型電動(dòng)汽車(chē)充電，這種交流充電樁的最大優(yōu)勢(shì)就是可以利用車(chē)輛夜間閑置的時(shí)間進(jìn)行充電。

(2)建設(shè)直流充電樁。在電動(dòng)公交車(chē)站或者大型電動(dòng)汽車(chē)的場(chǎng)合建設(shè)直流充電樁，可以快速地完成車(chē)輛充電過(guò)程。這種充電樁的功率較大，對(duì)電網(wǎng)會(huì)進(jìn)行一定的沖擊，所以在建設(shè)的時(shí)候需要考慮對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)措施。

本研究只要考慮交流220 V、380 V充電樁的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括:

(1)具備IC卡識(shí)別功能，通過(guò)手持IC卡進(jìn)行充電樁的激活和計(jì)費(fèi)功能。

(2)具備對(duì)充電樁交流電源的電壓和電流的檢測(cè)和保護(hù)功能。

(2)具備對(duì)電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電階段進(jìn)行監(jiān)控的功能。

(4)具備通信功能，能夠和上級(jí)管理層進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。

(5)具備電池智能維護(hù)的功能，能夠在充電過(guò)程中，對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)，適度維護(hù)電池。

3 充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件框架組成

充電池監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中，AC交流電源輸入為直接接入的380 V電網(wǎng)電源，經(jīng)過(guò)中央處理單元的濾波、整流、穩(wěn)壓等一系列操作變成可供電動(dòng)汽車(chē)充電的可用直流電源。IC卡識(shí)別模塊用來(lái)用戶(hù)激活充電樁的方式，通過(guò)讀卡器識(shí)別IC卡上的用戶(hù)信息，可用來(lái)顯示余額，以及個(gè)人信息［4］。狀態(tài)顯示用來(lái)顯示當(dāng)前的充電模式、充電電流/電壓以及電池的充電狀態(tài)等信息。

圖1 充電樁監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

硬件系統(tǒng)主要包括中央主控板、IC讀卡器、檢測(cè)芯片、以及顯示電表和顯示屏、鍵盤(pán)、通信模塊等設(shè)備。

主控板是硬件系統(tǒng)的核心組成部分，完成充電過(guò)程的啟動(dòng)、運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及關(guān)閉，并可通過(guò)多種通訊方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)，主控板的主要功能特點(diǎn)包括:具備7個(gè)串口，下位機(jī)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)采集辦卡通過(guò)通用串行總線(xiàn)和上位機(jī)CPU模塊進(jìn)行通信，同時(shí)上位機(jī)需具備顯示功能。具備一個(gè)以太網(wǎng)口，動(dòng)態(tài)的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路口，具備工業(yè)級(jí)的溫度范圍等［5］。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，保證充電過(guò)程的安全可靠，本研究設(shè)計(jì)了監(jiān)控保護(hù)單元，該單元對(duì)充電樁的進(jìn)線(xiàn)輸入電壓、充電輸出電壓/電流、充電接口連接狀態(tài)、車(chē)載電池管理系統(tǒng)狀態(tài)、車(chē)載電池狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)切斷電源輸出，保護(hù)電動(dòng)汽車(chē)電池及充電樁本身的安全。

在電動(dòng)車(chē)充電樁建設(shè)的過(guò)程中，充電樁外體材料應(yīng)選擇鍍鋅鋼板，并具備一定的防潮防水性能，保證了在陰濕天氣情況下能正常運(yùn)行［6］。在元件選型時(shí)，應(yīng)該選擇具有工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的電力電子器件，保證充電樁在惡劣環(huán)境下能正常運(yùn)行。另外，為防止電磁干擾，應(yīng)選用帶屏蔽功能的通信線(xiàn)，以及在外體上鏈接一根接地線(xiàn)，起到共模抑制的作用。

3.2 充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

軟件系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。當(dāng)用戶(hù)需要充電時(shí)，將電動(dòng)汽車(chē)的充電插口與充電樁的充電手柄相連接，然后通過(guò)IC卡讀卡器激活充電樁;如果充電手柄與充電插口連接不正常則提示報(bào)警。用戶(hù)身份識(shí)別完成后，用戶(hù)可選擇充電模式和充電時(shí)間，同時(shí)充電樁檢測(cè)電池狀態(tài)，如果電池當(dāng)前狀態(tài)不允許用戶(hù)選擇當(dāng)前充電模式的話(huà)，則提示報(bào)警，由充電樁給出合理的充電模式的選擇建議。當(dāng)充電模式選擇正確后，則可以研究正常充電過(guò)程，在充電過(guò)程中，顯示屏?xí)@示當(dāng)前用戶(hù)的信息、卡余額、充電時(shí)間以及估計(jì)剩余時(shí)間等等有效信息［7］。充電結(jié)束后，充電樁給出提示，卡計(jì)費(fèi)停止，打印票據(jù)，用戶(hù)離開(kāi)，充電樁自動(dòng)進(jìn)行鎖定狀態(tài)，等待下一用戶(hù)激活。

圖2 軟件系統(tǒng)程序流程圖

主程序在編寫(xiě)時(shí)，采用了模塊化的原則，這樣能夠保證充電樁高效的運(yùn)行，筆者按照充電樁的幾大功能，將程序分為幾個(gè)大的模塊:中央控制模塊、IC卡識(shí)別模塊、通訊模塊、顯示模塊、打印機(jī)模塊、檢測(cè)模塊等6大模塊［8］。當(dāng)充電樁被激活時(shí)，主程序能夠有效地協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作從而完成從身份識(shí)別到充電結(jié)束的一整套流程，多線(xiàn)程處理可以保證各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，互不影響。

4 智能充電樁的性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁完全能夠滿(mǎn)足快速充電的要求，并且具備電池的維護(hù)和保養(yǎng)功能，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫(huà)面能夠?qū)崟r(shí)顯示電池電壓、電池電流、充電電壓、充電電流、卡內(nèi)余額等各項(xiàng)信息，用戶(hù)可以很方便地進(jìn)行充電操作，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁運(yùn)行狀況良好。系統(tǒng)整體測(cè)試截圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體測(cè)試截圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模擬充電實(shí)驗(yàn)，筆者得出以下結(jié)論，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的運(yùn)行狀況良好，充電模式可以根據(jù)需要進(jìn)行修改，充電時(shí)間可根據(jù)充電模式的選擇自動(dòng)調(diào)整，最快充電時(shí)間在60 min左右，用戶(hù)信息可以顯示當(dāng)前卡內(nèi)余額、歷史充電記錄，方便用戶(hù)查詢(xún)。當(dāng)電池電壓達(dá)到額定電壓的90%的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低充電電流，對(duì)電池做出維護(hù)。凸顯的一個(gè)問(wèn)題就是，系統(tǒng)發(fā)熱量較高，需配備散熱設(shè)備進(jìn)行散熱，以保證電子器件的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（References）:

［1］王 濤，張東華，賀智軼，等.電動(dòng)汽車(chē)充電樁的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.湖北電力，2011，35(1):11-12.

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［8］LU Yan-xia，JIANG Jiu-chun.Harmonic study of electric vehicle chargers［C］//Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and systems.［S.L.］:ICEMS，2005:2404-2407.