V2G直流充電樁的設(shè)計(jì)

邵 偉 偉

(安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

V2G直流充電樁的設(shè)計(jì)

邵 偉 偉

(安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

低碳、環(huán)保作為新時(shí)期的發(fā)展理念，將貫穿著資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)，其中低碳、環(huán)保、節(jié)能的電動(dòng)汽車(chē)將成為今后人們使用的主流交通工具。然而,電動(dòng)汽車(chē)在蓬勃發(fā)展的同時(shí)，與其配套的充電樁的建設(shè)卻明顯的落后許多，成為制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)重要因素，所以充電樁的建設(shè)，成為了一個(gè)急需解決的問(wèn)題?；诖朔N背景，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)汽車(chē)充電樁，使之在日常生活中為電動(dòng)汽車(chē)充電。

充電樁; V2G;硬件;軟件

在全球工業(yè)蒸蒸日上的同時(shí)，共同面臨的能源缺乏與環(huán)境惡化問(wèn)題卻愈演愈烈，今后將嚴(yán)重的威脅到人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，人們漸漸地意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性，各國(guó)政府都在積極地進(jìn)行節(jié)能減排。在此背景下，清潔無(wú)污染的電動(dòng)汽車(chē)，逐漸地進(jìn)入了人們的視野，在政府政策的支持和市場(chǎng)的導(dǎo)向下，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)發(fā)展的春天。

電動(dòng)汽車(chē)因其低碳、低噪、運(yùn)行成本低、易維修等特點(diǎn)[1]，受到了人們的喜愛(ài)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和政策的指引，人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的需求日益增長(zhǎng)，在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，卻因?yàn)槌潆姌稊?shù)量不足而影響到電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一般情況下，電動(dòng)汽車(chē)的活動(dòng)范圍取決于充電樁的位置與數(shù)量，只有擁有數(shù)量足夠多的充電樁才能保證人們的正常出行，所以對(duì)充電樁的研發(fā)就特別的重要。

1 充電樁的設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)階段我國(guó)充電樁通常采用的充電方案是慢速充電與快速充電[2]，慢速充電也就是常規(guī)充電，它采用小電流進(jìn)行充電，充電的成本低，小電流對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池組的損害比較小，但充電慢，耗時(shí)較長(zhǎng)；快速充電采用的是大電流進(jìn)行充電，充電時(shí)間較短，但大電流對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池組的損傷比較大。

在社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，人們的生活節(jié)奏將日益加快，時(shí)間就相對(duì)比較緊張，所以對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行快速充電，會(huì)受到越來(lái)越多的車(chē)主的青睞。本文設(shè)計(jì)的充電樁采用的是直流快速充電模式進(jìn)行充電，在設(shè)計(jì)充電樁的同時(shí)，又采用了現(xiàn)在主流的V2G技術(shù)理念，在給電動(dòng)汽車(chē)充電之余，將多余的電能，反饋給電網(wǎng)，從而在一定程度上也能緩解國(guó)內(nèi)用電的壓力，在服務(wù)車(chē)主的同時(shí)，又能給車(chē)主帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)利益，其具體原理如圖1所示。

本文采用MSP430單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。用戶(hù)在刷卡后，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行交互，選擇充電或向電網(wǎng)回饋電能；經(jīng)檢測(cè)裝置檢測(cè)設(shè)備正常后，主電路開(kāi)始工作；電動(dòng)汽車(chē)充電或向電網(wǎng)回饋電能所產(chǎn)生的費(fèi)用將由雙向智能電表進(jìn)行計(jì)費(fèi)；在檢測(cè)到電動(dòng)汽車(chē)充電或放電結(jié)束后，將主電路斷電，并將此次活動(dòng)所產(chǎn)生的費(fèi)用打印出來(lái)；為保障用戶(hù)的用電安全，充電樁也配備了保護(hù)裝置，當(dāng)過(guò)電壓或過(guò)電流時(shí)，保護(hù)裝置將充電樁斷電。

2 充電樁硬件的設(shè)計(jì)

2.1 V2G直流充電樁的功能

按照相關(guān)產(chǎn)品的要求，本文基于V2G技術(shù)設(shè)計(jì)了直流充電樁， 其主要功能有：

圖1 充電樁設(shè)計(jì)原理圖

(1)給電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行直流快速充電，并可以在車(chē)主不使用電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，將電能反饋給電網(wǎng)，給車(chē)主帶來(lái)一定的收入。

(2)采用雙向智能電表對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電或放電過(guò)程進(jìn)行計(jì)費(fèi)，并把計(jì)費(fèi)結(jié)果傳輸給單片機(jī)。

(3)使用發(fā)光二極管顯示工作狀態(tài)，綠光為充電狀態(tài)，藍(lán)光為放電狀態(tài)。

(4)提供人機(jī)交互功能，讓車(chē)主通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行操作選擇。

(5)通過(guò)IC卡進(jìn)行支付或收費(fèi)。

(6)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、漏電檢測(cè)功能，經(jīng)檢測(cè)后進(jìn)行斷電。

(7)使用微型打印機(jī)打印充電信息、放電信息與費(fèi)用信息。

2.2 硬件系統(tǒng)

由MSP430單片機(jī)、ZLG600A-DCP讀卡模塊、觸摸屏、保護(hù)裝置、檢測(cè)裝置、微型打印機(jī)、雙向智能電表和主電路模塊等構(gòu)成了硬件系統(tǒng)。其中由MSP430單片機(jī)作為充電樁硬件系統(tǒng)的控制中心，它控制完成充電樁的充電和放電全過(guò)程。MSP430單片機(jī)是低功耗的16位單片機(jī)，它的指令比較精簡(jiǎn)，運(yùn)行速度快，易于操作；它可以采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，而且它的價(jià)格低廉，可以降低充電樁成本。

讀卡器采用的是致遠(yuǎn)電子研發(fā)的ZLG600A-DCP讀卡模塊，該模塊采用RS-232通訊接口與MSP430單片機(jī)進(jìn)行通訊，通常只需要采用串口操作就可以對(duì)用戶(hù)的IC卡進(jìn)行讀卡操作，ZLG600A-DCP讀卡模塊的工作頻率為13.56 MHz，它支持接觸式和非接觸式多種IC卡，可以工作在各種惡劣的戶(hù)外環(huán)境，具有可靠性。

在充電樁對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電或電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)充電樁放電時(shí)由檢測(cè)裝置檢測(cè)充電或放電過(guò)程的電壓與電流，若檢測(cè)到電壓或電流存在異常情況，檢測(cè)裝置立刻向單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)保護(hù)裝置的指令，充電樁隨即中止充電或放電。檢測(cè)裝置與電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)(BMS)相連接進(jìn)行通訊，在電動(dòng)汽車(chē)充滿電的時(shí)候，檢測(cè)裝置通過(guò)單片機(jī)讓主電路模塊中止工作從而結(jié)束充電；在電動(dòng)汽車(chē)向電網(wǎng)放電反饋電能的時(shí)候，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)電池電量低于設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)裝置則向單片機(jī)發(fā)出停止放電的請(qǐng)求指令，單片機(jī)控制主電路模塊使之立即中止電池放電。

計(jì)費(fèi)模塊采用智能電表進(jìn)行雙向計(jì)費(fèi)。既能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電進(jìn)行計(jì)費(fèi)，又能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)放電進(jìn)行計(jì)費(fèi)。如果在給電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)用戶(hù)IC卡內(nèi)的余額不足，在余額使用完畢時(shí)向單片機(jī)發(fā)出指令，控制主電路模塊，讓主電路模塊立即關(guān)斷，結(jié)束充電，在停止充電的同時(shí)，單片機(jī)則立刻給蜂鳴器發(fā)出指令讓它工作，并在人機(jī)界面提醒用戶(hù)立即充值。

人機(jī)交互界面模塊采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)通訊。用戶(hù)可以查看IC卡的余額，在觸摸屏上選擇充電或放電，人機(jī)交互界面模塊通過(guò)與單片機(jī)通訊進(jìn)行具體的操作。保護(hù)裝置由限壓型電涌保護(hù)器、過(guò)電流繼電器與漏電保護(hù)器構(gòu)成，保證充電樁能安全的工作，除此之外，還給用戶(hù)在充電樁外殼提供一個(gè)手動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)以確保在任何情況下可以把充電樁緊急斷電。每一次在用戶(hù)消費(fèi)完成后，單片機(jī)則把消費(fèi)信息傳遞給微型打印機(jī)，由微型打印機(jī)將消費(fèi)信息給用戶(hù)打印出來(lái)。充電樁的外殼采用的是高強(qiáng)度塑料外殼，其具有絕緣、耐腐蝕、阻燃等優(yōu)點(diǎn)，在給用戶(hù)提供安全保障的同時(shí)，設(shè)計(jì)美觀的塑料外殼，也給用戶(hù)提供了不同于金屬外殼的審美體驗(yàn)。

3 主電路的設(shè)計(jì)

3.1 V2G技術(shù)

隨著水力發(fā)電、核能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源發(fā)電的比重逐漸增加，使用清潔能源電力作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)完全實(shí)現(xiàn)了低(零)排放，與只能消耗油氣的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)不同，電量充足的電動(dòng)汽車(chē)在不工作時(shí)卻可以向電網(wǎng)反向傳輸能量。本文采用了V2G技術(shù)，設(shè)計(jì)主電路的充電模塊。既能使用電網(wǎng)電能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電，又可以把電動(dòng)汽車(chē)電池存儲(chǔ)的電能在逆變后傳輸給電網(wǎng)。其中V2G技術(shù)指的是電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)之間進(jìn)行能量雙向流動(dòng)的技術(shù)[3]。V2G技術(shù)讓電動(dòng)汽車(chē)采用 “削峰填谷”的理念，在電網(wǎng)用電低峰期對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電；在電網(wǎng)用電高峰期讓電動(dòng)汽車(chē)放電，把電動(dòng)汽車(chē)存儲(chǔ)的電能回饋給電網(wǎng)[4]，從而達(dá)到電能的優(yōu)化配置。

在與電網(wǎng)相比，一輛電動(dòng)汽車(chē)放電的功率微乎其微，然而我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的總量卻在迅速的增長(zhǎng)，由電動(dòng)汽車(chē)向電網(wǎng)反饋電能的總量也在迅速的增長(zhǎng)?！笆濉币?guī)劃指出，2020年我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)總量將達(dá)到500萬(wàn)輛，假設(shè)一輛電動(dòng)汽車(chē)電池的容量為15 kW·h,500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)所存儲(chǔ)的電量將達(dá)到7500萬(wàn)kW·h，不管是電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電還是電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行放電，對(duì)電網(wǎng)還是有著一定的影響。

3.2 主電路的設(shè)計(jì)

主電路分為兩個(gè)部分，分別為整流器與雙向直流變換器，如圖2所示。

圖2 主電路設(shè)計(jì)圖

采用三相電壓型PWM整流器作為整流電路，除了便于濾波和經(jīng)過(guò)整流后的電壓Ud脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)外[5]，還具有大部分整流器所不具備的特點(diǎn)。它不僅能實(shí)現(xiàn)正方向三相交流電的整流，也能實(shí)現(xiàn)反方向直流電壓的逆變，而且它的穩(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)響應(yīng)也優(yōu)于大部分整流器。當(dāng)電路工作在整流狀態(tài)時(shí)，即充電樁對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電時(shí)，電流流過(guò)發(fā)光二極管VD9，此時(shí)VD9發(fā)出綠光，顯示為充電狀態(tài)。

當(dāng)三相電經(jīng)過(guò)整流器整流后，得到了直流電Ud。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路讓VT8一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)雙向直流變換器隨即成為了降壓電路(buck電路)；通過(guò)降壓電路對(duì)Ud進(jìn)行降壓處理后，隨即對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。在把電動(dòng)汽車(chē)電池的能量經(jīng)逆變回饋給電網(wǎng)時(shí)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路讓VT7一直關(guān)斷，在VT7關(guān)斷后，雙向直流變換器此時(shí)則變成為了升壓電路；通過(guò)控制升壓電路，把電動(dòng)汽車(chē)的電池電壓升到Ud。Ud再通過(guò) “整流器”(此時(shí)整流器則是三相電壓型逆變電路)進(jìn)行逆變，把電池里存儲(chǔ)的電能輸送給電網(wǎng)。當(dāng)電路工作在逆變狀態(tài)時(shí)，即電動(dòng)汽車(chē)對(duì)充電樁進(jìn)行放電時(shí)，電流流過(guò)發(fā)光二極管VD10，此時(shí)VD10發(fā)出藍(lán)光，顯示為放電狀態(tài)。

交流電通過(guò)整流器整流成直流電，直流電再通過(guò)降壓電路降壓使之為電動(dòng)汽車(chē)充電；電動(dòng)汽車(chē)在不使用時(shí)，以電動(dòng)汽車(chē)的電池作為電源，經(jīng)過(guò)升壓、逆變，變成交流電，回饋給電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了電能在電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)的雙向流動(dòng)。我國(guó)的電費(fèi)采用分時(shí)段計(jì)費(fèi)，在電網(wǎng)用電低峰期進(jìn)行充電，不但使電網(wǎng)的電能得到充分利用，而且還能給車(chē)主省下部分開(kāi)支；在電網(wǎng)用電高峰期進(jìn)行放電，不僅給電網(wǎng)提供部分電能，而且還能給車(chē)主提供一些收入，對(duì)電網(wǎng)和車(chē)主都是一個(gè)很好的選擇[6]。

4 軟件設(shè)計(jì)

圖3 充電樁軟件設(shè)計(jì)流程圖

充電樁的軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，其具體流程如圖3所示，其中電動(dòng)汽車(chē)電池的電能通過(guò)逆變電路向電網(wǎng)放電簡(jiǎn)稱(chēng)為放電。

電動(dòng)汽車(chē)充放電的過(guò)程如下：

(1)用戶(hù)在人機(jī)界面點(diǎn)擊充電選項(xiàng)，整流電路隨即工作。

(2)整流電路啟動(dòng)后，每隔100 ms就檢查卡內(nèi)是否有余額，如果有余額則繼續(xù)充電，若無(wú)余額則結(jié)束充電，并使用蜂鳴器進(jìn)行警報(bào)。

(3)用戶(hù)卡內(nèi)有余額繼續(xù)充電時(shí)，與電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)通訊，檢查是否充滿電，若檢測(cè)到電池充滿電，則充電結(jié)束；若未完成充電工作則繼續(xù)執(zhí)行第(2)步操作，直到完成充電工作時(shí)結(jié)束充電。

電動(dòng)汽車(chē)充放電的過(guò)程如下：

(1)用戶(hù)選擇選擇放電(即流程圖中不選擇充電)，則啟動(dòng)逆變電路。

(2)逆變電路啟動(dòng)后，則與電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)通訊，每隔100 ms檢查是否達(dá)到電動(dòng)汽車(chē)電池放電設(shè)定的最低值，如果達(dá)到最低值，則停止放電，如果沒(méi)有達(dá)到最低值，則繼續(xù)放電，直至達(dá)到最低值時(shí)停止放電。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文是基于V2G技術(shù)設(shè)計(jì)的充電樁，既能從電網(wǎng)獲得電能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電，又能把電動(dòng)汽車(chē)存儲(chǔ)的電能反饋給電網(wǎng)。通常用戶(hù)在電費(fèi)價(jià)格比較低的用電低峰期對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電，把電網(wǎng)富余的電能存儲(chǔ)到電動(dòng)汽車(chē)?yán)铮脩?hù)在電費(fèi)價(jià)格比較高的用電高峰期對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行放電反饋電能，不僅可以緩解電網(wǎng)用電的壓力，而且也可以給用戶(hù)帶來(lái)一定的收入。

在未來(lái)幾十年里，我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量將會(huì)迅速增長(zhǎng)，大量電動(dòng)汽車(chē)的充放電對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行將產(chǎn)生很大的影響，然而采用“削峰填谷”的理念對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充放電，既能把多余的電量吸收起來(lái)，又能在電網(wǎng)用電緊張時(shí)把電能回饋給電網(wǎng)，對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的電能配置將產(chǎn)生積極地影響。

在設(shè)計(jì)充電樁的過(guò)程中，需要對(duì)各模塊進(jìn)行電氣隔離以免因各模塊工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾而影響到設(shè)備的正常工作。

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Design of V2G DC Charging Pile

SHAO Weiwei

(Anhui University of Technology, Maanshan 243000, China)

Electric vehicles has advantage of Low-carbon, energy-saving and environmental protection which is promising to major transportation in the future, but with the vigorous development of electric vehicles, the growth of the charging pile construction is lagging behind, which has become an urgent problem to be solved. In this paper, based on the background, a V2G DC charging pile is designed for daily life.

charging pile; V2G; hardware; software

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.012

TM762

A

1674-5403(2017)04-0051-04

2017-09-13

邵偉偉(1992-),男，安徽太和人，在讀碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究.