电动汽车交流充电桩智能控制系统设计分析

　　刘现涛1　张思怡2

　　1.国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 210000；2.青岛滨海学院，山东 青岛 266000

　　摘要：近年来，我国新能源汽车产业得到蓬勃发展，电动汽车保有量逐年稳步增加，逐渐取代了传统燃油汽车。与此同时，我国在各地区建成大量的交流充电桩，作为电动汽车的主要充电设备，缓解电动汽车续航矛盾，实现绿色用电目标，加快智慧城市建设步伐，但在应用期间存在不易管理、维护困难等诸多问题。鉴于此，文章以智能控制系统作为切入点，详细阐述交流充电桩智能控制系统的设计要点，藉此推动电动汽车充电系统转型升级。

　　关键词：电动汽车；交流充电桩；智能控制系统；设计要点　　文献标识码：A　　中图分类号：TM910

　　文章编号：2096-4137（2023）17-16-03　　DOI ：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.17.02

　　1　电动汽车交流充电桩智能控制系统总体设计方案

　　（1）做好实地考察与市场信息收集等前期准备工作，通过实地考察报告确定充电桩智能控制系统的使用需求，根据市场调研报告了解同类型充电桩传统控制系统的局限性，在其基础上确定智能控制系统的功能方案。在正常情况下，充电桩智能控制系统应具备信息采集、控制引导、人机交互、环境监测、远程监控等多项使用功能。其中，信息采集功能通过布置电流互感器、电压互感器等装置实现，实时掌握充电桩运行工况。控制引导功能通过电平转变方式实现，电动汽车插入充电枪后确认连接、持续充电，拔出充电枪、到达预定充电时间或是检测到电池蓄满电后，自动断开连接，避免出现充电火灾事故。人机交互功能由触摸屏与语音控制设备实现，用户在触摸屏上设置充电参数、启动充电程序，或是下达语音指令进行充电。环境监测功能通过布置温度传感器、摄像头等装置来实现，持续感知交流充电桩所处环境条件，如果检测到异常情况，自动发送报警信号。远程控制功能通过布置控制器、无线通信模块实现，持续把充电桩运行数据、现场监测信号反馈至系统后台，管理人员可以远程下达控制指令。

　　（2）将充电桩智能控制系统结构拆解为充电控制、有源滤波两部分，各套子系统的功能定位存在明显差异。其中，充电控制子系统由微控制器、电能计量、电气防护、控制引导等诸多功能模块组成，负责维持充电桩正常运行，顺利完成充电桩监测、远程控制、自动充放电等操作任务。有源滤波子系统由跟踪控制、调制驱动、电压电流检测、指令电流计算等功能模块组成，负责在交流充电桩运行期间持续提供补偿，维持系统稳定运行工况，从根源上杜绝过电压、欠电压等故障问题出现。

　　2　电动汽车交流充电桩智能控制系统的设计要点

　　2.1　硬件设计

　　2.1.1　微控制器

　　微控制器是智能控制系统的核心元件，负责与其他功能模块保持交互状态，本地处理绝大多数操作任务，需要保持微控制器与触摸屏、通信模块、电能计量模块、控制引导模块等其他功能模块的相互连接状态。随后，根据交流充电桩系统结构与运行需求来做好微控制器选型工况，明确时钟频率、处理速度等关键参数的具体要求，并在微控制器上预留诸多外设接口，接口类型包括I/O 端口、SPI 接口、CAN 总线接口、SDIO 接口等。最后，根据控制需求，把微处理器内部驱动单元与闪存存储器等元件通过芯片引脚连接电能计量、触摸显示屏等功能模块，合理分配微处理器计算资源，避免因计算资源不足而出现程序卡顿、瘫痪运行、无法迅速下达控制指令等问题。

　　2.1.2　控制导引模块

　　控制引导模块负责持续检验交流充电桩和电动汽车连接状态是否正常，实时调节交流电输出电流值，以及调节车载充电机输出功率。在配备控制引导模块时，必须严格遵循《电动汽车传导充电连接装置 第一部分：通用要求》（GB /T 20234.1—2015）等规范文件的要求，确定额定电压、额定电流等电气参数的标准值，明确充电触头、电气接口等组成部分的功能特性。同时，为满足交流充电桩在不同情境下的使用需求，还应把控制引导模块的电路区分为多种状态，根据PWM 信号指令切换控制引导电路状态。例如，在充电桩与电动汽车未连接时，断开开关、无法充电；当充电桩和电动汽车相互连接时，检测电压值是否达标，确定电压值达标后闭合开关与进行充电，电压值不达标时则仍旧保持开关断开状态，无法充电。

　　2.1.3　开关控制模块

　　开关控制模块负责调整交流电接通与断开状态，可选择在智能控制系统中设置三级串联控制电路，模块结构由单片机、光耦合器、继电器与交流接触器组成。其中，单片机经由I/O 端口向光耦合器发送电平信号，经过电压放大等预处理后控制继电器状态，致使继电器吸合开关，最终通过控制交流接触器实现充电控制功能。同时，考虑到在交流接触器断开瞬间会出现内部线圈反电动势现象，应在交流接触器线圈输入端设置较大耐压值的电阻元件，或是加装灭弧罩，起到增加回流阻抗的作用。

　　2.1.4　网络通信模块

　　对于网络通信模块，根据通信数据量来选择通信形式，常用通信方式包括GPRS 网络通信和5G 移动通信。其中， GPRS 网络通信全称为通用分组无线业务，采取封包方式传输数据，以数据传输量作为费用计算依据，适用于结构简单、数据产生量较低的小型交流充电桩，具有通信成本低廉、访问时间短、稳定性强的优势。5G 移动通信全称为第五代移动通信技术，具备高速率、低时延、大连接的优势，传输速率保持在100Mbit/s 水准，而GPRS 通信网络的传输速率仅为 115kbp/s，适用于结构复杂、数据产生量较多的大型交流充电桩。

　　2.1.5　电能计量模块

　　电能计量模块由计量装置和负载、交流接入等通信接口组成，负责在交流充电桩使用期间持续测量充电回路的电压、电流等电气参数，再经由通信接口把实时测量数据反馈给系统后台。正常情况下，电能计量模块遵循Modbus 通信协议，布置配套5V 开关电源向模块持续供电。

　　2.1.6　电气防护模块

　　在交流充电桩使用期间，受到线路老化等因素影响，偶尔出现短路、超压等电气故障，存在安全隐患，严重时会引发电气火灾、充电火灾事故，并造成经济损失。因此，为保证电动汽车充电安全，需要在充电桩智能控制系统内设置电气防护模块，由电磁继电器、交流接触器、剩余电流保护器等装置组成，根据充电桩电气防护需求做好装置选型工作，确定电气防护定值，如剩余动作电流值、保护电压值等。同时，还应在充电接口等关键部位设置状态自检测机制，根据自检信号判断运行工况是否正常，出现异常状况后立即断开充电回路。

　　2.1.7　人机交互模块

　　在配备人机交互模块时，率先在交流充电桩上安装触摸式显示屏，通过通信线连接显示屏、充电桩本机与系统后台，用户通过点击显示屏下达充电操作指令与查询相关信息，需要根据实际情况确定显示区域面积、屏幕分辨率、接口方式、工作电压、色彩深度等指标要求，做好显示屏选型工作。随后，采取射频识别技术，通过扫描IC 卡检验用户身份、计算充电交易金额。

　　2.2　软件设计

　　2.2.1　上位监控平台

　　为确保管理员能够全面掌握交流电充电桩运行工况与实现远程控制目标，在搭建上位监控平台时，可使用Visual Studio 2013 等软件开发环境，选用C++ 等编程语言，开发具备较强兼容性的软件程序，把电能计量等使用功能在系统界面上以可视化图形、控件形式呈现。随后，通过通信模块保持上位监控平台与终端设施的通信连接，持续上传现场监测信号及运行数据，对数据信息进行预处理后存储到数据库内，从中提取有效信息，以图表形式展现交流充电桩运行工况，如充电状态、电动汽车充电时间、车载充电机工作电流等。最后，为预防安全事件出现，还应采取用户认证与智能报警措施。其中，用户认证是增设登录认证界面，管理员通过账户密码认证等方式确定用户真实身份后，方可访问平台主界面和授予操作权限。智能报警是在上位监控平台检测到电动汽车充电完毕后未断开开关等异常状况后，向管理员发送报警信号。

　　2.2.2　人机交互软件

　　人机交互软件程序由操作界面、RFID 模块软件两部分组成。

　　（1）对于操作界面，用户使用触摸屏访问界面，通过认证后即可使用相应功能模块，并通过图表形式展现交流充电桩实时状态及充电交易信息。在程序初始启动环节，用户点击按键与输入认证信息，也可通过IC 卡等方式进行认证，系统对认证信息进行判断，通过判断后，变量地址与参数，分类处理充电模式、信息系统查询、显示操作结果等案例。

　　（2）RFID 模块软件基于物联网技术实现，主要面向充电用户，提前向用户发放内嵌RFID 标签的充电卡，标签内存储预留账户余额、持卡人身份等信息。在电动汽车充电前，用户在触摸显示屏上扫描充电卡，验证用户身份与读取 RFID 标签信息，用户在界面上选择充电模式、设置充电参数，完成充电后用户再次刷卡付费，二次刷卡期间由上位监控平台更新充电卡内RFID 标签信息，刷卡完毕后结束充电，拔除充电枪。

　　2.2.3　功能模块程序

　　交流充电桩智能控制系统内各处功能模块的软件程序需求、设计方法均存在明显差异，只有明确模块功能定位、编制专项设计方案，方可确保智能控制系统功能效用得到充分发挥。例如，对于电能计量模块程序，推行MODBUS-RTU 通信协议，设置各处网络仪表通信地址，采取主从应答方式进行通信。随后，编译电能计量程序，对电流、电压、有功总电能等电气参数进行定义，标记数据类型、计算说明、寄存器地址等相关信息，控制系统向计量模块下达数据指令，实时获取电动汽车充电期间的各项电气参数信息。而对于充电接口状态检测模块，提前在控制引导电路内设置多处检测点，系统定期获取各处检测点位的电平信号，根据电平判断接口连接状态。而在电动汽车充电完毕后，待充电枪拔出接口后自动切断PWM 信号输出，将信息反馈给电能计量模块程序与上位监控平台。

　　2.3　系统功能测试

　　待交流充电桩智能控制系统搭建完毕后，为及早发现系统运行问题，避免后续使用期间出现程序并发无序运行、后台瘫痪、程序卡顿等故障问题，需要开展多项功能测试，包括控制导引信号误差标定、云端远程监控测试、充电急停功能测试、人机交互触摸屏测试、通信测试等。以控制导引信号误差标定测试为例，提前准备可调直流稳压电源，设定PWM 输出占空比、输出频率等参数，挑选多处具备代表性的采样点，接通电源来模拟电动汽车蓄电池在不同电量情况时的输出电压值，各处采样点需要连续完成不少于20 次的采样任务，根据采样电压均值确定测量结果。随后，绘制 PWM 信号峰值曲线，根据曲线波动程度判断控制导引信号误差是否超标，后续采取修改软件程序等措施修正峰值误差，重复开展测试，直至PWM 峰值检测结果相对误差未超过允许范围。

　　3　结语

　　综上所述，智能控制系统在交流充电桩投运使用期间发挥着重要作用，是丰富充电桩使用功能、保证充电桩平稳运行的关键。工作人员应提高对交流充电桩智能控制系统的重视程度，掌握硬件设备与软件程序设计方法，结合实际情况制定切实可行的智能控制系统设计方案，为我国新能源汽车产业健康发展保驾护航。

　　作者简介：刘现涛（1986-），男，山东郓城人，国电南瑞南京控制系统有限公司中级工程师，研究方向：电动汽车充换电、综合能源、智能电网。

　　参考文献

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　　（责任编辑：葛　佳）

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