直流充放電機控制系統設計

張亞萍，吳 冬，王 兵，孫 木，田振清

（天津平高智能電氣有限公司，天津 300300）

隨著能源的日益匱乏，新能源汽車的應用也越來越廣泛。隨著新能源汽車的不斷發展，越來越多的新能源汽車充電接口實現了能量的雙向流動，無疑會給電網帶來一定的沖擊，這使得對新能源汽車充放電的研究成為了未來的發展趨勢。為了將新能源汽車充放電時對電網產生的沖擊降到最低，在保持電網的穩定性和安全性并合理利用資源的同時，提高新能源汽車的充放電效率，有必要研制一種用于非車載直流充放電機的充放電控制系統。目前國內新能源汽車充電樁的發展已日漸成熟，但是現有充電樁的功能仍是以充電為主，涉及放電的產品并不多見，而越來越多的新能源汽車已經具備可以實現電能雙向流動的接口，但放電功能基本上處于閑置狀態，并不能合理有效利用資源，違背了該功能設計的初衷[1]。

針對上述問題，本文設計了一種直流充放電機控制系統，詳細闡述了該系統的硬件實現方法，通過對充放電特性的探討，提出了充放電控制策略。

1 系統總體方案設計

直流充放電機控制系統主要由主控電路、電源及其轉換電路、檢測電路、控制電路、通信電路組成。其中，檢測電路包括對于電子鎖反饋信號、直流接觸器反饋信號、熔斷器狀態信號、CC1信號、溫度信號、急停開關信號、低壓輔助電源狀態信號等進行檢測的部分；控制電路包括低壓輔助電源控制部分、充電槍電子鎖控制部分、放電接觸器控制部分、充電接觸器控制部分；通信電路包括網絡通信、顯示屏通信、刷卡通信、電表通信、電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS）通信等部分。

系統總體方案設計見圖1。

圖1 系統總體方案設計

主控電路實時儲存、分析檢測到的信號，并將部分內容顯示到顯示屏上，根據檢測到的信號以及通信的內容實時控制接觸器等的狀態。顯示屏設計了人機交互界面，工作人員和用戶可以通過操作顯示屏完成參數設置并實現充放電的目的。主控電路的電源為整個控制系統提供電能。

2 系統硬件設計

2.1 主控電路設計

采用ST半導體公司的STM32F103ZET6作為主微控制單元（Micro-Controller Unit，MCU），該芯片使用ARM公司的Cortex-M3內核，具有抗干擾性能好、工作頻率高、功耗低、外設豐富、存儲空間大、價格低等優點。根據主MCU特點，設計了包括電源、時鐘、存儲器在內的主控電路。

主控電路的電源設計見圖2。

圖2 電源設計

1）電源設計。控制板電源采用12 V輸入，選擇TI公司的TPS54331作為主轉換電源，將12 V轉換為5 V。該芯片支持3.5～28 V的輸入電壓，可提供最大3 A的輸出電流，開關頻率被內部設置為570 kHz的額定頻率，具有Eco-mode節能模式，靜態關閉電流1 μA，并且具備過壓保護和過熱保護等功能。

使用LDO芯片AMS1117-3.3，將5 V轉換為3.3 V，用于MCU、靜態隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM）、FLASH等芯片的供電。使用MORNSUN公司電源模塊B0505S-1W2、B1205S-1W2、IB1212LS-1W作為隔離電源，為通信接口和CC信號檢測部分電路供電。

2）時鐘設計。使用EPSON公司生產的RX8025T-UB作為時鐘芯片，配置電池以保證掉電情況下時鐘保持。該芯片是雙向二線制同步串行總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）接口，內置溫度補償晶振。

3）存儲器設計。系統實時監測運行狀態，對部分運行參數進行記錄并存入外部FLASH中。如果系統運行實際情況與運行參數沖突，系統識別異常并啟動相應反應機制。FLASH芯片采用三星的K9F1G08UOC，該芯片有1 GB的存儲空間，至少可存儲10 000條的事件記錄。使用外置SRAM（EM641FV8FS-55LF/70LF）作為二級緩存，它具有512 KB的容量，用于處理系統運行過程中的臨時數據。

2.2 檢測電路設計

檢測電路使用光耦隔離，光耦副邊直接接入單片機的輸入/輸出（I/O）口。檢測電路設計原理見圖3。

圖3 檢測電路設計

2.3 控制電路設計

根據需求的功率不同，使用NPN三極管或不同型號的繼電器。控制電路設計原理見圖4。

圖4 控制電路設計

2.4 通信電路設計

主控電路通過串口與顯示屏、刷卡、電表通信。使用EXAR公司的SP3232EEN作為RS-232通信接口收發器，并配置隔離芯片ADUM1201與單片機進行隔離。對內部調試接口可不使用隔離芯片。

主控電路通過控制器域網（Controller Area Network，CAN）總線通信接口與BMS通信。使用TI公司的SN65HVD1050作為CAN總線通信接口收發器，并使用隔離芯片ADUM1201與單片機進行隔離。可通過短路卡選擇匹配電阻，匹配電阻為120Ω。

主控電路通過以太網與手機、云平臺等設備通信，使用DAVICOM公司的DM900CIEP作為以太網控制器，并配置網絡變壓器。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件框架

系統軟件采用模塊化、分層分級的思想，整體框架分為驅動層、數據層、應用層。其中，驅動層進行單片機的初始化操作，根據設計原理圖配置I/O和相關通信接口，完成通信接口的正常收發數據，分配和管理存儲空間，完成遠程升級，配置操作系統和處理文件操作；數據層處理各個通信接口（包括CAN總線、RS-485、RS-232、以太網等）、模擬/數字（A/D）采集、絕緣檢測數據的數據接收和存儲；應用層完成充電、故障管理、人機交互、參數配置等功能。

3.2 充放電控制策略

1）充放電特性。由于新能源汽車電池電量在一定范圍內才能正常進行充放電，即：電池荷電狀態低于20%時容易導致過放電而損壞電池[2]，因此在該階段最好不要放電；電池荷電狀態高于80%時容易導致過充電而損壞電池，因此在該階段最好不要充電。

2）充放電控制策略。考慮到越來越多的用戶選擇新能源汽車，由于不同的用戶對充電時間、放電需求、續航里程的要求差異很大[3]，導致充電負荷、放電負荷對電網帶來一定的沖擊，影響電網運行的安全性、可靠性，因此用戶需求也必須考慮到充放電控制策略中來。利用充放電特性[4]，再結合用戶的充放電實際使用需求，本文設計的控制系統采用電池荷電狀態和用戶需求相結合的分層控制策略，來提高充放電的效率及安全性、可靠性。

整個控制系統包括無用戶（不插充電槍）和有用戶（插充電槍）兩種情況。當無用戶時，控制系統進入日常的通信、自檢狀態，控制系統將內部運行狀況實時上傳至手機客戶端或云平臺，供運維檢修人員日常巡視與點檢。當有用戶時，分為用戶選擇充電模式、用戶選擇放電模式、用戶無任何選擇3種情況。

假如用戶選擇充電模式，控制系統根據汽車BMS上傳的電池荷電狀態信息決定是否切換充電模式：若電池荷電狀態大于80%，則通知用戶，讓其選擇是否繼續充電；若電池荷電狀態小于80%，則控制充電直流接觸器閉合切換至充電模式，對用戶新能源汽車進行充電。

假如用戶選擇放電模式，控制系統根據汽車BMS上傳的電池荷電狀態信息決定是否切換放電模式：若電池荷電狀態小于20%，則通知用戶，讓其選擇是否繼續放電；若電池荷電狀態大于20%，則控制放電直流接觸器閉合切換至放電模式，讓用戶新能源汽車進行放電。

假如用戶無任何選擇，且保持連接充電槍狀態持續3 h以上（默認用戶接受自動調配），則控制系統根據用戶新能源汽車的電池荷電狀態以及自身所能分配的負荷自動選擇進入充電模式或者放電模式[5]。

4 結論

本文設計了基于單片機的直流充放電機控制系統，提出了電池荷電狀態和用戶需求相結合的分層充放電控制策略，并在示范園區內進行了測試，測試結果表明該控制系統提高了充放電的效率及安全性、可靠性。整體系統集成度高、功能強大，采用模塊化思想設計，具有較強的可拓展性，方便開發者進一步豐富產品的功能。