淺談電動汽車充電站的設(shè)計

薛金龍

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

本文的主要工作有：對充電系統(tǒng)充電方法進(jìn)行研究，闡述了含光伏電源條件下電動汽車充電站的設(shè)計方案；對充電機(jī)的整體方案進(jìn)行設(shè)計并對其諧波進(jìn)行分析，提出治理方案；對充電站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計，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PWM產(chǎn)生電路及CS5461A進(jìn)行電能計量單元的設(shè)計等。

關(guān)鍵詞：電動車；充電站；監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

汽車工業(yè)的發(fā)展為滿足人們生活流動性的需求做出了重大貢獻(xiàn)，同時也給社會帶來了全球變暖、大氣污染、石油資源枯竭等重大問題。

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

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

1 電動汽車充電站現(xiàn)狀

長春市目前有20輛純電動公交車上線運(yùn)營。此前，高寒低溫環(huán)境下電動車往往無法啟動的“高寒頑疾”一直困擾電動車在北方高寒地區(qū)上線運(yùn)營。此次開發(fā)設(shè)計的“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)，同時配有標(biāo)準(zhǔn)完備的充電收費(fèi)系統(tǒng)，能為來自不同運(yùn)營企業(yè)的電動車提供安全可靠的充電服務(wù)。

2 電動汽車充電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電動車充電系統(tǒng)的組成

一個完整的電動車充電系統(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)純電動車的動力蓄電池容量、充電時的電壓和電流設(shè)置、車輛數(shù)量等數(shù)據(jù)的不同，充電系統(tǒng)總?cè)萘靠赡苓_(dá)到MVA等級以上，此時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低壓動力電源，再分配給充電機(jī)及其他輔助設(shè)備，完成對純電動公交車的充電及其他輔助功能；

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

（4）諧波抑制與無功功率補(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，而且對供電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染，則需要為純電動公交充電系統(tǒng)配置相應(yīng)的諧波抑制與無功功率補(bǔ)償裝置；

（5）其他輔助設(shè)備：包括電動車充電系統(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。

一個完整的電動車充電系統(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)計方案

采用此方案時，PV陣列通過逆變器掛在0.4kV母線上。本設(shè)計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。這里儲能系統(tǒng)作為UPS電源，平時通過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，則由儲能系統(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)測控制系統(tǒng)設(shè)計

充電系統(tǒng)控制器是整個充電系統(tǒng)的核心，通過檢測充電電壓、電流，再借助相應(yīng)的控制策略得到相應(yīng)的控制信號，從而達(dá)到控制充電電壓或充電電流，使整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(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、開關(guān)狀態(tài)、保護(hù)狀態(tài)等采集與充電樁相連接的電動汽車的基本信息；控制充電樁交流輸出接口的開斷。

（2）對充電機(jī)的監(jiān)控

充電機(jī)作為被監(jiān)控對象，上送給監(jiān)控系統(tǒng)主要包含兩類數(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

實現(xiàn)對電動汽車充電站配電設(shè)備的監(jiān)控，方便統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享?？蓪崿F(xiàn)對整站的總功率、總電流、總電量、功率因數(shù)、主變狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、無功補(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

控制器整體結(jié)構(gòu)：

充電機(jī)控制器由檢測電路、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。

檢測電路包括輸入電壓檢測回路，輸出電壓檢測回路，輸出電流檢測回路?？刂葡到y(tǒng)通過檢測電路采集電壓電流信號，經(jīng)過整理后的電壓電流信號分為三路：一路送到比較器產(chǎn)生多路保護(hù)信號，具體有：輸入電壓過壓信號，輸入電壓欠壓信號，輸出電壓過壓信號；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)動芯片M57962產(chǎn)生的過流保護(hù)，風(fēng)扇故障保護(hù)，散熱片過溫保護(hù)等。保護(hù)電路的核心是一片CPLD。多路故障保護(hù)信號輸入CPLD經(jīng)過一定的邏輯處理，再輸出故障信號給單片機(jī)和SG3525，封鎖脈沖信號并進(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)對輸出短路，電網(wǎng)電壓波動等現(xiàn)場可能出現(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。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。控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒壓限流，恒流限壓，恒流定時等多種運(yùn)行模式，以滿足電池維護(hù)的要求。

在多重計算周期方式下，一個A/D轉(zhuǎn)換周期為MCLK/（K1024），一個計算周期為MCLK/（K1024N），其中MCLK為輸入時鐘頻率，K為分頻系數(shù)，N為計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，計算周期為IHz。故此時，計算得到的功率值即為1s內(nèi)的電能值。

多重計算周期方式下對CS5461A操作的軟件流程圖如圖4所示。

如圖所示：通過中斷，讀CS5461A的狀態(tài)寄存器，獲得CS546lA的測量結(jié)果，包括、、P（該結(jié)果為24位相對于滿量程的百分比的二進(jìn)制數(shù)），并且產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志位；當(dāng)主函數(shù)主循環(huán)中檢測到該標(biāo)志時，再根據(jù)讀取的二進(jìn)制結(jié)果計算得到實際值的結(jié)果，進(jìn)而計算得到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)算時間，若將其放在中斷中完成，會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)行的時間盡可能的短暫，通過設(shè)置標(biāo)志位的方法就可以達(dá)到該目的。在本設(shè)計的軟件設(shè)計中，將計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)計方案以及充電系統(tǒng)的基本組成，介紹了電動汽車的能源供給方式，對充電站充電系統(tǒng)的充電方法進(jìn)行了研究。

對充電站的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能及結(jié)構(gòu)的設(shè)計，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，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，以CS546lA進(jìn)行電能計量的設(shè)計，包括硬件與軟件的設(shè)計。