電動汽車有序充電智能管控裝置設計

摘" 要：新能源汽車的充電基礎設施是新能源汽車產業的重要組成部分，是新能源汽車最重要的配套基礎設施。針對現有充電樁無法進行遠程管理控制和數據采集的問題，基于現有充電樁和國家標準設計一款電動汽車有序充電智能管控裝置。該裝置主要由數據轉換單元（Data Transfer Unit，DTU）和充電管理控制器組成。DTU與每臺充電中的充電管理控制器及小區基礎負荷總電度量表進行通信，同時通過以太網接口與服務器進行通信，實現數據的遠程傳輸與中轉。同時解決充電樁與服務器之間的連接問題。充電管理控制器作為核心部件，具備控制充電樁的通斷和采集充電狀態信息的功能。通過接收來自服務器的指令，可以實現對充電樁的遠程控制。同時充電管理控制器還可以實時采集充電樁的充電狀態信息，并將這些信息傳輸給服務器，以便用戶和管理員進行查看和監控。

關鍵詞：充電樁；充電控制；數據轉換單元（DTU）；遠程控制；電動汽車

中圖分類號：U491.8" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0051-04

Abstract： The charging infrastructure of new energy vehicles is an important part of the new energy vehicle industry and the most important supporting infrastructure of new energy vehicles. In order to solve the problem that the existing charging piles can not carry out remote management control and data acquisition， we have designed an intelligent control device for orderly charging of electric vehicles based on the existing charging piles and national standards. The device is mainly composed of a data transfer unit （DTU） and a charge management controller. DTU communicates with each charge management controller and the total watt-hour meter of the basic load of the community， and communicates with the server through the Ethernet interface to realize remote data transmission and transfer. At the same time， the connection problem between the charging pile and the server is solved. As the core component， the charge management controller has the function of controlling the on-off of the charging pile and collecting the charging status information. By receiving instructions from the server， it can realize the remote control of the charging pile. At the same time， the charging management controller can also collect the charging status information of the charging pile in real time， and transmit these information to the server for users and administrators to view and monitor.

Keywords： charging pile; charging control; data transfer unit （DTU）; remote control; electric vehicle

進入21世紀以來，汽車與能源、交通、信息通信等領域有關技術加速融合，電動化、網聯化、智能化成為汽車產業的發展潮流和趨勢。新能源汽車的充電基礎設施是新能源汽車產業的重要組成部分，是新能源汽車最重要的配套基礎設施。此背景下，服務于新能源電動汽車的充電式立體車庫應運而生[1]，建設高效、安全、智慧的新能源汽車充電式智能立體車庫已成為科技發展趨勢與迫切需求。針對新能源汽車充電式智能立體車庫建設及使用過程中出現的問題，本文提出一種電動汽車有序智能管控裝置，通過智能管控實現電動汽車有序智能充電。

1" 交流充電樁工作原理

1.1" 充電樁插座接口及充電流程

本文立體車庫充電樁采用愛普Poros 32交流充電樁，產品由智能控制板、智能電度量表、充電槍線、聯網模塊、執行構件及戶外箱體等組成。如圖1所示，充電樁插座采用標準七芯通用插座。其端子編號功能定義如下所示：CP為充電樁連接確認；CC為車輛控制裝置連接確認；N為交流電源-零線；PE為保護接地，使電動汽車車身通過交流充電樁可靠接地；L為交流電源-相線（A/B/C）；NC1為預留；NC2為預留。

充電樁充電簡要流程如下：①確認充電樁已經供電；②插好充電槍，掃碼，開始充電；③通過小程序停止充電，拔下充電槍并收好。

1.2" 交流充電樁工作原理

交流充電樁接口電路圖如圖2所示。交流充電樁在插槍操作之后，充電系統需要首先判斷充電插頭與車輛的充電插座之間是否連接完好；其次需要檢測充電樁能提供的最大充電電流及充電電纜的額定電流，然后與車載充電機的額定輸入電流比較，確定車載充電機當前允許的最大充電電流。

1.2.1" 確認車輛連接

在充電槍插入汽車充電插座之后，充電系統會自動檢測充電插頭與車輛的充電插座之間是否連接完好，原理如下。

1）在充電槍沒有插入車輛時，在車輛一側，慢充口CC處的電壓為12 V，此時CP處沒有電壓。在充電樁一側，S1開關接通至12 V，槍口CP處電壓為12 V，CC處電壓為0 V。

2）將充電槍插入車輛充電口后，S3閉合，車輛一側CC處的12 V電壓經過RC和S3開關入地，這時檢測點3的電壓便不再是12 V，此時車輛控制裝置可以通過檢測點3的電壓變化檢測到充電槍是否已經插入到插口上。如果充電槍沒有插到位，則S3開關（位于充電槍上）斷開，檢測點3的12 V電壓不發生變化。

3）充電槍插入車輛充電口以后，充電樁一側的12 V電壓通過S1、R1，依次到達檢測點1和檢測點2，然后通過R3接地構成回路，此時檢測點1及檢測點2處的電壓便不再是12 V，由于R1=1 000 Ω，R3=3 000 Ω的分壓，檢測點1和檢測點2電壓為9 V。

4）當充電樁一側的充電控制裝置檢測到檢測點1的電壓為9 V以后，S1開關從12 V切換到PWM信號處，此時檢測點1和檢測點2會出現一個從9 V變化到-12 V的占空比信號。車輛一側確認充電槍連接好以后，將S2開關閉合，回路電壓從9V PWM變成6V PWM。此6V PWM電壓信號為車輛充電控制裝置向充電樁控制裝置提供的反饋信號。

5）充電樁一側供電控制裝置檢測到CP信號穩定在6 V以后，供電設備的K1和K2繼電器閉合，交流電通過車輛充電口輸入到充電機進行充電。

1.2.2" 最大充電電流確定

在插槍連接確認完成以后，車輛測充電控制裝置還需要確定最大充電電流，步驟如下。

1）車載充電裝置通過檢測點2的PWM波的占空比，來判斷充電樁所能提供的最大供電電流，占空比越大，所能提供的供電電流越大，占空比一般小于100%。

2）車載充電裝置通過CC來測量RC的大小，從而判斷充電電纜的額定容量。例如：RC=1.5 kΩ，表示充電電纜的額定容量10 A；RC=100 Ω，表示充電電纜的額定容量63 A。

3）車載充電裝置對充電樁能提供的最大充電電流、車載充電機的額定輸入電流及電纜的額定容量進行比較，將這三者之間的最小值設為車載充電機當前允許的最大充電電流。

2" 充電管理控制器設計

2.1" 充電管理控制器功能設計

按照新的國家標準[2]，充電樁控制板一般不對第三方提供額外的控制功能，從而保護電動汽車的充電質量和充電安全。為解決這一問題，本文設計了一個充電管理控制器。充電管理控制器安裝在充電盒與充電槍之間[3]，該充電管理控制器能夠測量記錄充電樁的充電起始時間、實時充電電流、實時充電電壓、充電完成時間、充電總電量和充電樁的實時充電狀態等數據，具有RS-485接口，通過數據轉換單元（DTU）與服務器連接，將測量數據發送給服務器，服務器通過對各種參數的優化計算，合理分配各充電樁的充電時間，將控制命令發送給各充電樁的充電管理控制器[4]。充電管理控制器接收到計算機發送的充電命令，控制電車正常充電或以最小電流充電（6 A）。

2.2" 充電管理控制器硬件設計

充電管理控制器由嵌入式控制器、時鐘芯片、RS-485通信接口、電能計量模塊和控制繼電器等部分組成。控制器結構圖和實物圖如圖3所示。

電能計量模塊采用SUI-101A 高精度多功能交流變送器，可實時測量交流電流、電壓、累計電量等參數。K3、K4繼電器在控制器沒有通電工作時，繼電器處于斷開狀態，不影響充電樁正常工作。

2.3" 充電管理控制器軟件設計

充電管理控制器與數據轉換單元（DTU）之間采用MODBUS協議進行數據通信。采用主從方式，數據轉換單元（DTU）為通信主站，充電管理控制器為從站，從站地址從1到255。主站輪詢從站獲取從站數據或下發控制命令[5]。

充電樁控制邏輯如下所示：①控制器設有8位地址編碼器，對應1～255范圍的地址可以設定?？刂破魍ㄟ^DI口讀取本機地址編碼器的地址數據，保存在對應寄存器中。②循環讀取電量模塊數據，存入對應寄存器。③控制器設有2位相線編碼器，控制器從相線編碼器讀取相線數據，存入對應寄存器。④根據入口充電電壓變化，確定充電起始和完成時刻，從時鐘芯片讀取時間，存入充電起始時間寄存器。⑤通過控制器中的出口側電壓檢測電路，檢測充電樁實時充電狀態，存入對應寄存器。⑥采用MODBUS協議，接收到DTU發送的讀寄存器命令（03H功能碼），將充電樁數據傳送至DTU。⑦接收DTU控制指令。收到DTU 寫000DH寄存器命令，首先將控制字存儲在000DH寄存單元，然后控制充電繼電器K3、K4閉合或斷開。

3" DTU設計

3.1" DTU的功能設計

DTU負責服務器和充電控制器進行數據交互，傳遞控制命令、收集充電數據，并獲取區域基礎負荷數據。DTU通過RS-485接口讀取每臺充電樁的充電起始時間、充電電流、充電電壓、充電樁相線和充電總電量等實時充電狀態數據，以及小區基礎負荷總電能表中的基礎負荷實時總電流、基礎負荷三相實時電流、實時電壓等數據，并通過以太網接口發送給服務器。

3.2" DTU硬件設計

DTU設置了com1到com11及comz共12個RS-485通信端口，其中com1通信端口與1#充電樁控制器連接，com2通信端口與2#充電樁控制器連接，以此類推，comz通信端口與小區基礎負荷總電能表連接[6]。每個com口有4根線，2根電源線（GND/24 V），2根信號線（A/B），信號線傳輸數據，電源線給充電樁控制器（或電能表）供電。DTU實物圖如圖4所示。

DTU采集充電起始時間、實時充電電流、實時充電電壓等充電樁實時充電狀態等數據通過RS-485接口從現場控制器讀取。小區三相基礎負荷電流、電壓數據通過從安裝在小區供電系統入口處的基礎負荷總電能表讀取。

3.3" DTU軟件設計

DTU讀取每臺電樁中充電管理控制器中數據，存儲在對應寄存器中。DTU既需要與充電樁控制器通信，也要與上位計算機通信。DTU軟件整體設計如下。

DTU與充電樁控制器通信，采用MODBUS協議，從1#到11#充電樁控制器，每60 s輪詢一次，讀取各充電樁充電數據與工作狀態，將數據存入對應寄存器。

上位機每15 min與DTU通信一次，讀取各充電樁數據，然后進行優化計算，確定每臺充電樁下一步的工作狀態（充電或停充），并將控制指令下發DTU。

DTU收到上位機控制指令，首先將控制指令存入對應的寄存單元，然后下發至各充電樁控制器。

各充電樁控制器收到DTU寫000DH寄存器命令，首先將控制字存儲在000DH寄存單元，然后控制充電繼電器K3、K4閉合或斷開。

DTU向各控制器發送數據或命令，若收不到應答信號，則判為通信不暢，對應寄存器置0，若通信正常，對應寄存器置1。

4" 電動汽車有序充電智能管控裝置實物連接

第2、3節完成了對充電管理控制器和DTU的設計，充電管理控制器接收到計算機發送的充電命令，控制電車充電。DTU設備作為數據傳輸的核心組件，實現數據的實時采集、傳輸、處理。本節將介紹電動汽車有序充電智能管控裝置整體連接結構，具體結構連接如圖5所示。DTU通過網線接入內網交換機或者與電腦直接連接；DTU通過4芯航空接頭與三相電量采集模塊相連，獲取小區基礎負荷；DTU通過4芯航空接頭與充電管理控制器相連，為充電管理控制器提供12 V電源并與其通過RS-485進行通信；DTU通過電源線與220 V電源連接，進行供電。充電管理控制器除了與DTU通過4芯電纜相連外，還通過電纜與充電槍和充電樁相連。

5" 結束語

針對現有充電樁無法遠程管理控制和數據采集的問題，本文設計了一款電動汽車有序充電智能管控裝置，重點研發了充電管理控制器和DTU。充電管理控制器通過接收來自服務器的指令，可以實現對充電樁的遠程控制。同時充電管理控制器還可以實時采集充電樁的充電狀態信息，并將這些信息傳輸給服務器，以便用戶和管理員進行查看和監控。DTU通過RS-485接口與每臺充電中的充電控制器及基礎負荷總電度量表進行通信，同時通過以太網接口與服務器進行通信，從而實現了數據的遠程傳輸與中轉。有序充電智能管控裝置實現了對充電樁的遠程管理和監控，提高了充電樁的使用效率和安全性。同時，該裝置還可以實時采集充電狀態信息，為用戶的充電行為提供參考和指導。

參考文獻：

[1] 陶磊，武建濤，王力，等.垂直循環式立體車庫控制系統的設計[J].起重運輸機械，2020（17）：55-58.

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[4] 錢建華.新能源汽車充電樁控制系統設計研究[J].裝備制造技術，2022（6）：114-116，134.

[5] 溫正陽.基于SoC FPGA的充電控制系統的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2019.

[6] 陳國平，簡獻忠，肖兒良，等.1.5Bit數模轉換單元電路設計[J].微計算機信息，2010，26（35）：184-185，188.