合肥科大智能機(jī)器人技術(shù)有限公司南京分公司 戴成濤 科大智能電氣技術(shù)有限公司 李龍龍 田星星

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，越來越多的人在購車時更傾向于選擇電動汽車，而隨著電動汽車使用量的逐年增加，大量汽車在不加引導(dǎo)情況下進(jìn)行充電，再加之充電時間及空間不確定性因素的影響，必然會使電力系統(tǒng)負(fù)荷加大，進(jìn)一步加大電網(wǎng)優(yōu)化控制難度，使得電能質(zhì)量深受影響，為此注重電動汽車交流充電樁及智能充電控制策略研究意義重大?，F(xiàn)階段電動汽車充電樁主要有直流及交流兩種。

直流充電樁主要是通過電力電子技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，在對交流電進(jìn)行變壓、整流、逆變及濾波處理后，直接轉(zhuǎn)換為直流電直接為車載電池充電[1]。這一充電過程雖耗時較短，但會在充電過程中出現(xiàn)電池組間出現(xiàn)不平衡壓差，使得電池活性受影響，進(jìn)而使得電池使用壽命受到威脅；交流充電樁是一種慢性充電樁，充電完成一般需要6～8小時，但此充電過程較為溫和，會在充電結(jié)束期對電池組進(jìn)行均衡處理，確保每塊電池都能處于滿電狀態(tài)；由于此充電樁用時較長，可選擇在用電谷時充電，可實現(xiàn)充電成本的節(jié)約。

1 電動汽車交流充電樁功能需求分析

為使汽車充電樁贏得客戶青睞，各充電樁制造商在產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)對現(xiàn)階段已投入運營的充電樁及用戶對充電樁功能需求進(jìn)行調(diào)研，設(shè)計出一款滿足安全性強(qiáng)、操作簡便、計費合理的充電樁。

充電安全，運行可靠。作為現(xiàn)階段奠定汽車主要充電設(shè)備——交流充電樁最基礎(chǔ)的功能應(yīng)該是能為汽車車載電池充電器提供安全、可靠的電能，因此在進(jìn)行交流充電樁設(shè)計時，首先要考慮充電設(shè)備及操作人員的安全問題，通過智能系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)對突發(fā)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷及處理目的。另外汽車充電樁都是無人值守，要保證連續(xù)充電6～8小時的運行可靠性；操作簡便。為保證車主能順利完成登錄、充電參數(shù)設(shè)置，充電樁必須要具備友好、可靠、便捷的人機(jī)交互功能，同時還能對用戶歷史消費記錄進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，以方便其隨時進(jìn)行查詢；無損充電。該功能是用戶對充電樁功能的最重要需求，要求其能在充電過程中有著高質(zhì)量的電能輸出，以免對汽車及車載電池產(chǎn)生損傷。

充電計費合理、準(zhǔn)確。為提升充電樁運行經(jīng)濟(jì)性，制造商在產(chǎn)品設(shè)計中要對其計費規(guī)則進(jìn)行合理設(shè)計，確保充電過程計費合理、準(zhǔn)確，并能讓用戶實時看到充電動態(tài)計費數(shù)據(jù)及電池充電狀態(tài)。具體而言可通過如下途徑實現(xiàn)：通過對與專用充電卡配套的讀卡模塊進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)刷卡充電；利用專用管理卡配合樁體密碼設(shè)計，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面對充電參數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置；通過定時軟件設(shè)計恒定充電時間；通過電能計量參數(shù)及內(nèi)部計費規(guī)則，對用時實時充電費用進(jìn)行準(zhǔn)確計算[2]。

2 電動汽車交流充電樁系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合電動汽車交流充電樁總體設(shè)計方案，其硬件設(shè)計需滿足以下五點要求：

充電樁系統(tǒng)電源必須安全可靠。系統(tǒng)電源包括輸入、輸出回路及主控板及外圍設(shè)備，設(shè)計過程中要求這些區(qū)域必須安全可靠，滿足系統(tǒng)運行穩(wěn)定性需求；通訊接口電路穩(wěn)定可靠。在進(jìn)行通信接口電路設(shè)計時，要根據(jù)外圍設(shè)備接口工作原理進(jìn)行串行設(shè)計，同時保證主控板與外圍設(shè)備間數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定可靠性。

準(zhǔn)確判斷充電接口狀態(tài)。充電裝置能否安全啟動完全取決于充電樁接口與車輛連接口連接可靠性。為此，在充電樁硬件系統(tǒng)設(shè)計中要能對充電樁與車輛連接狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷；準(zhǔn)確控制充電輸出回路。繼電器通斷由驅(qū)動輸出電路進(jìn)行控制，輸出回路由繼電器交流接觸器進(jìn)行控制；所選用的CPU 處理器及外圍設(shè)備需具備操作簡便、功能強(qiáng)大等特征，同時還應(yīng)具備方便整個硬件系統(tǒng)安裝、調(diào)試及維護(hù)特征。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 軟件系統(tǒng)流程

汽車充電樁軟件系統(tǒng)主要由讀卡、充電、結(jié)算及相關(guān)子系統(tǒng)構(gòu)成。充電操作時先由觸摸屏完成人機(jī)交互操作，程序執(zhí)行時先行讀卡，當(dāng)卡內(nèi)顯示電量充足時即提示按確定按鈕進(jìn)入模式選擇界面，用戶將汽車與充電樁連接好、點擊確認(rèn)進(jìn)行充電；當(dāng)充電結(jié)束時再次點擊確定并將卡放到讀寫器上，系統(tǒng)便會讀取卡內(nèi)信息進(jìn)行消費扣除并打印消費小票。2.2.2 觸摸屏與PLC 通信及界面設(shè)計

界面設(shè)計。編程軟件采用三菱公司推出的GT Designer3，該軟件能夠與三菱FX 和A 系列PLC、歐姆龍C 系列PLC 等可編程控制器通信連接；用戶通過觸摸屏界面實現(xiàn)與充電樁的人機(jī)交互并能及時掌握充電樁狀態(tài)。界面設(shè)計主要包括兩個方面：界面按鈕等各種功能組態(tài)設(shè)計；與PLC、打印機(jī)通信參數(shù)設(shè)置。

觸摸屏與PLC 通信。事先用編程軟件GT Designer3設(shè)計好觸摸屏界面并存儲于觸摸屏存儲器中，觸摸屏與PLC 利用RS-232進(jìn)行連接，為保障系統(tǒng)運行可靠性二者通信參數(shù)須保持高度一致[3]。PLC利用自帶的串口與觸摸屏連接，只需在軟件GT Designer3中對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置即可。待觸摸屏參數(shù)設(shè)定完成后，在PLC 中輸入如圖1所示梯形圖便可完成兩者間的通信。在PLC 中使用MOV指令執(zhí)行畫面切換，當(dāng)T2接通時MOV 指令將K1傳送給D0便顯示出第一個界面；當(dāng)T1常開觸點閉合時K2傳送給D0，觸摸屏便顯示第二個界面并下載至PLC 上。

圖1 觸摸屏通信梯形圖

2.2.3 智能IC 卡與PLC 通信程序設(shè)計

當(dāng)用戶操作IC 卡時，PLC 先進(jìn)行讀卡器卡號識別并讀取卡中數(shù)據(jù)，同時按照通信協(xié)議發(fā)送命令。圖2中RS 為串行通信指令，主要用作數(shù)據(jù)地址設(shè)置，并在寄存器完成數(shù)據(jù)交換后，使PLC 與讀寫器之間數(shù)據(jù)的實時傳送與接收。每次充電時PLC 就將接收到的數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，同時根據(jù)對比結(jié)果驅(qū)動充電樁工作[4]。

圖2 讀卡部分梯形圖

2.2.4 打印機(jī)與PLC 通信設(shè)置

打印機(jī)與觸摸屏一個端口直連，并通過另一個端口連到PLC 上，打印的數(shù)據(jù)存儲于D8120寄存器中，打印機(jī)控制板串口DIP 開關(guān)用以完成串口參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)通信連接，將其參數(shù)設(shè)置為波特率19600比特，數(shù)據(jù)位8位，校驗位設(shè)為偶校驗，握手方式為軟件握手，即XON/XOFF，對應(yīng)的DIP 開關(guān)參數(shù)設(shè)置為SW1～SW5 OFF，SW6 0N。在PLC 中對寄存器D8120通信格式進(jìn)行設(shè)置，并通過RS 指令實現(xiàn)打印功能。

3 基于改進(jìn)遺傳算法的有序充電控制策略

為實現(xiàn)電動汽車交流充電樁充電穩(wěn)定性，文章采用改進(jìn)遺傳算法對汽車充電初始時刻的優(yōu)化求解。當(dāng)電動汽車接入電網(wǎng)后，系統(tǒng)會根據(jù)電網(wǎng)的峰谷時段及電價信息，在遵循降低充電成本電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差基礎(chǔ)上對充電開始時刻進(jìn)行優(yōu)化求解[5]。充電樁系統(tǒng)根據(jù)已獲得的車輛開始充電時刻、即當(dāng)其與STM32內(nèi)部RCT 時鐘提供的系統(tǒng)時間一致時啟動充電，實現(xiàn)汽車充電的智能有序控制。對有序充電控制中的負(fù)荷統(tǒng)計采用時段劃分方式。

首先，初始化配電網(wǎng)的分時電價和原始電力負(fù)荷信息；獲取電動汽車相關(guān)參數(shù)，包括汽車接入電網(wǎng)時間Tstart、用戶電量需求SOCend及時間要求T1和汽車電池當(dāng)前剩余電量SOCstart等；初始化參數(shù)設(shè)置，種群規(guī)模設(shè)為20、進(jìn)化代數(shù)設(shè)為10000、變異概率設(shè)定為1%；根據(jù)所設(shè)定的充電時間段需求生成充電開始時間和充電時長的初始化種群，采用“格雷碼”法進(jìn)行基因編碼，編碼位數(shù)為8位[6]；將多目標(biāo)函數(shù)式倒數(shù)作為選擇算子，計算當(dāng)前種群各個體適應(yīng)度值fi=1/Fi，可知個體適應(yīng)度值越大、用戶充電費用就越低，電網(wǎng)峰谷差和最大峰值就越小。

對充電迭代次數(shù)是否滿足要求進(jìn)行判斷，若不滿足，則選擇最優(yōu)個體進(jìn)行解碼輸出；遺傳的父輩個體選擇采輪盤賭算法，種群中各個體被選中概率，可知個體適應(yīng)度值越大，其被選中的幾率也就越大；父輩個體選擇采用參數(shù)遺傳和大變異操作。參數(shù)遺傳大變異算法能有效避免遺傳算法過早收斂到局部最優(yōu)值，采用一個遠(yuǎn)大于變異概率設(shè)定值的概率對某代集中在一起的種群進(jìn)行變異操作，其具體過程如下：對當(dāng)前種群的集中程度進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足αfmax＜favg時需進(jìn)行大變異操作，其中fmax和favg 分別表示當(dāng)前種群最大適應(yīng)度值和平均適應(yīng)度值，0.5＜α ＜1為密集因子，其值越接近0.5則大變異操作越頻繁，本文選取0.8；采用一個比變異概率設(shè)定值大5倍以上的概率進(jìn)行變異操作，即將集中起來的種群“打散”。經(jīng)過大變異操作種群，就可有效避免傳統(tǒng)遺傳算法出現(xiàn)的早熟情況[7]。

當(dāng)遺傳算法迭代完成后，充電樁系統(tǒng)將獲取最優(yōu)充電開始時刻。與內(nèi)部系統(tǒng)時間對比，當(dāng)時間一致后充電樁將自動開啟充電，實現(xiàn)充電智能控制。