薛金龍

摘 要：電動(dòng)汽車(chē)充電站是電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化后不可缺少的電動(dòng)汽車(chē)能源服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。它不僅要為電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)充能量，同時(shí)也是電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的接口，因此，電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵所在。

本文的主要工作有：對(duì)充電系統(tǒng)充電方法進(jìn)行研究，闡述了含光伏電源條件下電動(dòng)汽車(chē)充電站的設(shè)計(jì)方案；對(duì)充電機(jī)的整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其諧波進(jìn)行分析，提出治理方案；對(duì)充電站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，以CAN總線進(jìn)行設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊連接，以太網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)與PC機(jī)的連接，SG3525A設(shè)計(jì)PWM產(chǎn)生電路及CS5461A進(jìn)行電能計(jì)量單元的設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車(chē)；充電站；監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展為滿(mǎn)足人們生活流動(dòng)性的需求做出了重大貢獻(xiàn)，同時(shí)也給社會(huì)帶來(lái)了全球變暖、大氣污染、石油資源枯竭等重大問(wèn)題。

面對(duì)燃油汽車(chē)尾氣排放造成的污染及其對(duì)石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性，成為現(xiàn)今國(guó)際汽車(chē)發(fā)展的潮流和“熱點(diǎn)”之一。目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的政府和幾乎所有著名汽車(chē)廠商及科研機(jī)構(gòu)都在致力于電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用，多種電動(dòng)汽車(chē)樣車(chē)頻頻涌現(xiàn)，有些己達(dá)到較高的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

而充電站對(duì)確保電動(dòng)汽車(chē)在大范圍內(nèi)靈活運(yùn)行是十分必要的，電動(dòng)汽車(chē)充電站不僅要為電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)充能量，同時(shí)也是電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的接口，因此，電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵所在。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電站現(xiàn)狀

長(zhǎng)春市目前有20輛純電動(dòng)公交車(chē)上線運(yùn)營(yíng)。此前，高寒低溫環(huán)境下電動(dòng)車(chē)往往無(wú)法啟動(dòng)的“高寒頑疾”一直困擾電動(dòng)車(chē)在北方高寒地區(qū)上線運(yùn)營(yíng)。此次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的“廠區(qū)封閉、室內(nèi)供暖”充電新模式，不但具有安全可靠的供電系統(tǒng)、先進(jìn)便捷的充電系統(tǒng)，同時(shí)配有標(biāo)準(zhǔn)完備的充電收費(fèi)系統(tǒng)，能為來(lái)自不同運(yùn)營(yíng)企業(yè)的電動(dòng)車(chē)提供安全可靠的充電服務(wù)。

2 電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)的組成

一個(gè)完整的電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)，主要由以下幾部分組成：

（1）高壓供電線路和高壓供電設(shè)備等：根據(jù)純電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力蓄電池容量、充電時(shí)的電壓和電流設(shè)置、車(chē)輛數(shù)量等數(shù)據(jù)的不同，充電系統(tǒng)總?cè)萘靠赡苓_(dá)到MVA等級(jí)以上，此時(shí)需要采用高壓供電方式為充電系統(tǒng)供電；

（2）低壓配電線路和低壓配電設(shè)備等：高壓供電轉(zhuǎn)換為380V低壓動(dòng)力電源，再分配給充電機(jī)及其他輔助設(shè)備，完成對(duì)純電動(dòng)公交車(chē)的充電及其他輔助功能；

（3）大功率充電機(jī)：電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)的核心設(shè)備，將交流電源轉(zhuǎn)換為能夠滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)充電要求的直流電源，并按照一定的充電控制方法完成對(duì)電動(dòng)車(chē)的充電操作；

（4）諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償裝置：采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)的大功率充電機(jī)是高度非線性的用電設(shè)備，可能功率因數(shù)較低，而且對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染，則需要為純電動(dòng)公交充電系統(tǒng)配置相應(yīng)的諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償裝置；

（5）其他輔助設(shè)備：包括電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)等輔助設(shè)備，可以為充電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供各種輔助功能。

一個(gè)完整的電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1中所示。

2.2 光伏電源并網(wǎng)的充電站設(shè)計(jì)方案

采用此方案時(shí)，PV陣列通過(guò)逆變器掛在0.4kV母線上。本設(shè)計(jì)方案的充電站基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

可以看到，充電站提供給EV的能量來(lái)自于0.4kV母線。白天PV陣列的能量流向母線：夜晚或者陰雨天氣則主要靠電網(wǎng)維持母線電壓。這里儲(chǔ)能系統(tǒng)作為UPS電源，平時(shí)通過(guò)PV陣列補(bǔ)充能量，當(dāng)PV陣列因夜晚或陰雨天氣不能提供能量或提供的能量不足，且電網(wǎng)又因改障停電時(shí)，則由儲(chǔ)能系統(tǒng)維持0.4kV母線電壓。顯然，只要維持住0.4kV母線電壓，就能保證充電站的穩(wěn)定。

2.3 充電站監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)控制器是整個(gè)充電系統(tǒng)的核心，通過(guò)檢測(cè)充電電壓、電流，再借助相應(yīng)的控制策略得到相應(yīng)的控制信號(hào)，從而達(dá)到控制充電電壓或充電電流，使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)。

充電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備的功能：

（1）充電監(jiān)控功能

監(jiān)視充電樁的交流輸出接口的狀態(tài)，如電流、電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、保護(hù)狀態(tài)等采集與充電樁相連接的電動(dòng)汽車(chē)的基本信息；控制充電樁交流輸出接口的開(kāi)斷。

（2）對(duì)充電機(jī)的監(jiān)控

充電機(jī)作為被監(jiān)控對(duì)象，上送給監(jiān)控系統(tǒng)主要包含兩類(lèi)數(shù)據(jù)：

①充電機(jī)狀態(tài)信息：輸入輸出電壓、電流、電量，功率因數(shù)，充電時(shí)間，當(dāng)前充電模式，充電機(jī)故障狀態(tài)等；

②電池狀態(tài)信息：電池包基本信息，電池單體電壓、溫度，電池故障狀態(tài)、電池管理系統(tǒng)設(shè)置信息等。

（3）配電監(jiān)控功能

實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站配電設(shè)備的監(jiān)控，方便統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)整站的總功率、總電流、總電量、功率因數(shù)、主變狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理設(shè)備的監(jiān)視和控制。

3 充電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

控制器整體結(jié)構(gòu)：

充電機(jī)控制器由檢測(cè)電路、保護(hù)電路、脈沖產(chǎn)生電路和單片機(jī)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

檢測(cè)電路包括輸入電壓檢測(cè)回路，輸出電壓檢測(cè)回路，輸出電流檢測(cè)回路。控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)電路采集電壓電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)整理后的電壓電流信號(hào)分為三路：一路送到比較器產(chǎn)生多路保護(hù)信號(hào)，具體有：輸入電壓過(guò)壓信號(hào)，輸入電壓欠壓信號(hào)，輸出電壓過(guò)壓信號(hào)；另一路送到PI調(diào)節(jié)器，作為調(diào)節(jié)器的反饋量；還有一路送到單片機(jī)進(jìn)行控制和顯示。此外控制系統(tǒng)還有一些保護(hù)電路如：IGBT驅(qū)動(dòng)芯片M57962產(chǎn)生的過(guò)流保護(hù)，風(fēng)扇故障保護(hù)，散熱片過(guò)溫保護(hù)等。保護(hù)電路的核心是一片CPLD。多路故障保護(hù)信號(hào)輸入CPLD經(jīng)過(guò)一定的邏輯處理，再輸出故障信號(hào)給單片機(jī)和SG3525，封鎖脈沖信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的故障顯示。這些保護(hù)電路提供了比較全面的保護(hù)功能，以應(yīng)對(duì)輸出短路，電網(wǎng)電壓波動(dòng)等現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的狀況，保護(hù)充電機(jī)安全工作。充電機(jī)控制系統(tǒng)采用SG3525作為主控芯片，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。調(diào)節(jié)器采用模擬電路搭建的PI調(diào)節(jié)器，硬件調(diào)節(jié)速度快精度高，工作可靠?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒壓限流，恒流限壓，恒流定時(shí)等多種運(yùn)行模式，以滿(mǎn)足電池維護(hù)的要求。

在多重計(jì)算周期方式下，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期為MCLK/（K1024），一個(gè)計(jì)算周期為MCLK/（K1024N），其中MCLK為輸入時(shí)鐘頻率，K為分頻系數(shù)，N為計(jì)算周期積寄存器的值。在默認(rèn)條件下（MCLK=4.096MHz，K=1，N=4000），AD換周期為4000Hz，計(jì)算周期為IHz。故此時(shí)，計(jì)算得到的功率值即為1s內(nèi)的電能值。

多重計(jì)算周期方式下對(duì)CS5461A操作的軟件流程圖如圖4所示。

如圖所示：通過(guò)中斷，讀CS5461A的狀態(tài)寄存器，獲得CS546lA的測(cè)量結(jié)果，包括、、P（該結(jié)果為24位相對(duì)于滿(mǎn)量程的百分比的二進(jìn)制數(shù)），并且產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志位；當(dāng)主函數(shù)主循環(huán)中檢測(cè)到該標(biāo)志時(shí)，再根據(jù)讀取的二進(jìn)制結(jié)果計(jì)算得到實(shí)際值的結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算得到E、U、I的結(jié)果，并且進(jìn)行諸如更新數(shù)碼管顯示、產(chǎn)生數(shù)據(jù)記錄等操作。這樣的分配是考慮到，后面的操作要花費(fèi)MCU大量的運(yùn)算時(shí)間，若將其放在中斷中完成，會(huì)阻塞其它更加緊迫的中斷任務(wù)的執(zhí)行，因此要求中斷執(zhí)行的時(shí)間盡可能的短暫，通過(guò)設(shè)置標(biāo)志位的方法就可以達(dá)到該目的。在本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)中，將計(jì)算量大的工作盡可能多的放在主函數(shù)中完成，提高中斷的切換效率。

4 總 結(jié)

本文做的主要工作如下：

根據(jù)充電站建設(shè)需要考慮的影響因素和需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，闡述了光伏并網(wǎng)充電站的設(shè)計(jì)方案以及充電系統(tǒng)的基本組成，介紹了電動(dòng)汽車(chē)的能源供給方式，對(duì)充電站充電系統(tǒng)的充電方法進(jìn)行了研究。

對(duì)充電站的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的RS-485通訊方式相比，本文采用了效率更高、安全性更強(qiáng)的CAN總線方式進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備間的接口設(shè)計(jì)，以太網(wǎng)的方式建立監(jiān)控系統(tǒng)與PC機(jī)間的連接，以SG3525A進(jìn)行PWM產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)，以CS546lA進(jìn)行電能計(jì)量的設(shè)計(jì)，包括硬件與軟件的設(shè)計(jì)。