基于PLC的電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)研究

強(qiáng)文輝，張?jiān)妼?，彭軍?/p>

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林 132101)

1 研究背景

隨著現(xiàn)代社會(huì)科技的迅速發(fā)展，近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)逐漸步入了大眾的視野，由于其符合我國(guó)提倡的節(jié)能減排號(hào)召，已逐漸成為消費(fèi)者的主要選擇。電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展非常迅速，但是隨之而來(lái)的是電動(dòng)汽車(chē)充電問(wèn)題，不同品牌、不同信號(hào)的電動(dòng)汽車(chē)與充電樁的對(duì)接存在一定程度的不足，例如規(guī)模小、數(shù)量少等，一定程度上限制了我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的普及[1]。由于不同地區(qū)的設(shè)計(jì)方式、操作經(jīng)驗(yàn)等因素的不均衡，充電設(shè)施和充電接口很難迅速地進(jìn)行統(tǒng)一整合[2]。

到目前為止，存在的充電體系有國(guó)際電工委員會(huì)組織(IEC)、美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)、日本電動(dòng)汽車(chē)協(xié)會(huì)(JEVS)以及日本電動(dòng)汽車(chē)充電協(xié)會(huì)(CHAdeM0)。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司于2011年頒發(fā)了電動(dòng)汽車(chē)充電接口及運(yùn)行協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，代表我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)充電接口已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，正在趕超發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平。國(guó)際上現(xiàn)有的充電接口設(shè)計(jì)方案非常多，但是充電控制方面都統(tǒng)一采用PWM信號(hào)來(lái)進(jìn)行引導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明充電接口的標(biāo)準(zhǔn)已在逐漸的實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施也出臺(tái)了相應(yīng)的建設(shè)規(guī)范，但卻沒(méi)有對(duì)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部充電系統(tǒng)做出規(guī)定，該問(wèn)題亟待解決。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施

電動(dòng)汽車(chē)充電的設(shè)施主要由三個(gè)部分組成，分別是充電站、充電樁和換電站。充電站也可以理解為加油站，只不過(guò)加油站是用汽油為車(chē)提供可以續(xù)航的動(dòng)力，而充電站是用電力作為能源。充電站主要由配電室、中央監(jiān)控室、充電區(qū)、電池更換區(qū)、電池維護(hù)區(qū)組成[3]。充電樁目前主要有兩種充電樁，分別是直流充電樁和交流充電樁，兩種充電樁目前在整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)中都有著很大的作用。充電樁主要實(shí)現(xiàn)三種功能：一種功能是為電動(dòng)汽車(chē)等需要充電的設(shè)備充電；二是需要和上位機(jī)進(jìn)行通信，將電能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳給上位機(jī)；三是需要根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行電價(jià)的計(jì)算等功能。換電站在電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中也有著舉足輕重的作用，其作用是將即將耗盡的電池組在換電站進(jìn)行更換，然后將替換下來(lái)的電池組進(jìn)行特定充電和保養(yǎng)等過(guò)程的場(chǎng)所。充電站與換電站是不同的，充電站需要足夠場(chǎng)地為很多汽車(chē)進(jìn)行充電，而換電站要求的場(chǎng)所則較小一些，因?yàn)樾枰M(jìn)行充電需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而更換電池則不需要很長(zhǎng)的時(shí)間，所以充電站的場(chǎng)所需求也就要比換電站大。另外，我國(guó)電網(wǎng)具有峰谷差，換電站對(duì)電池進(jìn)行充電可以選擇在電壓負(fù)荷低的時(shí)間進(jìn)行充電，而充電站則是根據(jù)駕駛?cè)藛T需要隨時(shí)進(jìn)行充電，所以換電站比充電站相比可以有效地降低成本，并且還可以很大程度地緩解高峰時(shí)間的電網(wǎng)峰谷差。盡管換電站具有更高的可操作性等優(yōu)點(diǎn)，但是由于電動(dòng)汽車(chē)的電池組生產(chǎn)的廠(chǎng)商不同，所以型號(hào)、規(guī)格等都是大不相同的，因此目前我國(guó)還不能普及換電站的應(yīng)用[4]。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)充電方式

目前存在的電動(dòng)汽車(chē)的充電方式主要有四種，分別是慢充、快速充電、無(wú)線(xiàn)充電和快換。慢速充電又叫慢充，是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的一種充電方式，以較小的電流對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以減少充電的成本，但同時(shí)也有著相應(yīng)的缺點(diǎn)，便是無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的長(zhǎng)時(shí)間耗電需要和緊急使用?？焖俪潆娪挚梢苑Q(chēng)之為緊急充電，這種方式雖然可以保證快速充電以滿(mǎn)足駕駛者緊急情況的需求，但是也要求其具有更高的安全系數(shù)和更好的技術(shù)要求，并且會(huì)對(duì)電池的壽命有相應(yīng)的損耗。無(wú)線(xiàn)充電方式在近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是手機(jī)的無(wú)線(xiàn)充電，而電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電方式則需要比手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電更高的充電功率與充電電流，這種充電方式在國(guó)外的研究與實(shí)踐要早于我國(guó)?？鞊Q充電方式，這種方式是直接對(duì)電池進(jìn)行更換，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是快速便捷，但是由于電池形狀、型號(hào)等方面的不同，會(huì)對(duì)實(shí)際的充電過(guò)程要求也不同[5]。

2.3 PLC技術(shù)概述

PLC是基于電子計(jì)算機(jī)，使用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作的電控器，它起源于繼電器控制，但是又和繼電器不同，PLC主要依賴(lài)于內(nèi)部?jī)?chǔ)存的程序作為支撐。PLC技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用范圍非常廣泛，并且發(fā)展也非常迅速，可以通過(guò)PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明控制的自動(dòng)化，可以安裝監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的過(guò)程，因此目前在我國(guó)PLC技術(shù)的發(fā)展是非常重要的一種工作方式。因此，本文參考國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，以PLC為核心，利用人機(jī)交互、IC卡讀寫(xiě)、電氣防護(hù)等技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的充電系統(tǒng)。

3 電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 可編程邏輯控制器資源分配

可編程邏輯控制器簡(jiǎn)寫(xiě)為PLC，PLC通過(guò)儲(chǔ)存在其中的程序得以運(yùn)行PLC技術(shù)，成熟穩(wěn)定性高，和其他充電方式相比較，具有較強(qiáng)的抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)不斷地發(fā)展，PLC也擁有著不可忽視的地位，其在工業(yè)生產(chǎn)、生活中也博得了一席之地。PLC就是電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理各個(gè)模塊之間相互運(yùn)作的情況，在本文的研究中，選用的是FX2N-16MR來(lái)進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，F(xiàn)X2N系列是三菱PLCFX系列中信息反饋較為敏捷一款，使用此種PLC可以大大避免因?yàn)橄到y(tǒng)本身的原因造成的死機(jī)不工作等問(wèn)題。因此用PLC可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)在充電中的需求[6]。

圖1展示了PLC控制器中各個(gè)資源分配的情況，電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)之間的各個(gè)模塊是相互獨(dú)立的，而PLC的作用便是將電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)之間的各個(gè)相互獨(dú)立的模塊進(jìn)行連接與協(xié)調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)資源的合理配置，達(dá)到對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的作用。

3.2 輸入輸出口分配

輸入、輸出接口分配表如表1所示。

3.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊在電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中起到的作用是將使用者與充電設(shè)備進(jìn)行連接，其中需要運(yùn)用指示燈來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)指示燈讓使用者進(jìn)行充電的操作，而指示燈的作用是確定使用者的操作是否正確，是否可以進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的充電。

3.4 IC卡讀寫(xiě)模塊

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展與其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，目前我國(guó)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了將PLC與IC卡相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)通信進(jìn)入控制的過(guò)程，在這一過(guò)程中，可以有效地減少人工的數(shù)量與人工的工作量，并且可以有效將工作效率提高。在本文的電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中，使用IC卡讀寫(xiě)設(shè)備和PLC通訊相結(jié)合的方式，可以有效地加快電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中需要排隊(duì)等的人工操作存在的問(wèn)題。

IC 卡是一種符合ISO7816 標(biāo)準(zhǔn)的微電子芯片嵌入式基卡，是繼磁卡之后出現(xiàn)的一種新型信息工具。非接觸式IC卡，是目前在我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中應(yīng)用最為廣泛的一種IC卡，型號(hào)為Mifare one S50，這種卡的特性是工作溫度在-20 ℃～50 ℃； 通信速度每秒106 KBP； 最大傳輸電氣距離10 mm，與IC卡的型號(hào)有關(guān)；工作頻率13.56 MHZ ；數(shù)據(jù)保存期10 年。本文中選用的IC卡讀卡器型號(hào)為MCM200，該讀卡器對(duì)模塊進(jìn)行讀寫(xiě)器的感應(yīng)時(shí)距離小于25 mm。

3.5 功率計(jì)量模塊

在整個(gè)系統(tǒng)中，用戶(hù)的用電量需要通過(guò)電能表來(lái)完成計(jì)量，目前使用電能表一般為智能式電能表，又叫功率表?？梢詫?shí)現(xiàn)電能的實(shí)時(shí)測(cè)量，并可以把數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳送到上位機(jī)。本文選用的是三項(xiàng)兩用交流電能表。

3.6 IC打印模塊

打印模塊的作用是將使用者的充電信息以紙質(zhì)的形式呈現(xiàn)給使用者，本設(shè)計(jì)選擇的是由美國(guó)惠普公司生產(chǎn)的微型打印機(jī)。這種打印機(jī)利用的是熱感應(yīng)打印的方法，波特率：9600；幀信息：共10位，其中包含8位數(shù)據(jù)位。

3.7 電路接線(xiàn)

此部分是電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中重要的一部分內(nèi)容，電路接線(xiàn)的主要功能是：監(jiān)視線(xiàn)路完好性及實(shí)時(shí)性。當(dāng)充電線(xiàn)路出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)報(bào)警并打印輸出附帶時(shí)間的故障代碼來(lái)充當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)維修的依據(jù)，以保證不會(huì)發(fā)生意外，保證使用者、維修者及電動(dòng)汽車(chē)的安全。

3.8 電氣防護(hù)模塊

電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中，還需要在充電樁的電路中配備相應(yīng)的電氣防護(hù)的裝置，例如空氣開(kāi)關(guān)、斷路器等保護(hù)裝置。其主要作用是防止使用者在使用本系統(tǒng)時(shí)發(fā)生意外危險(xiǎn)，避免帶來(lái)不必要的人員受傷和經(jīng)濟(jì)損失。另外還需要靜電保護(hù)裝置，將整個(gè)充電系統(tǒng)與地面相連，以防止使用者因?yàn)殪o電而受到傷害。

4 電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)總流程

在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充電的過(guò)程中，用戶(hù)在操作系統(tǒng)軟件時(shí)需要進(jìn)行以下幾個(gè)步驟。具體的電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

由圖2可知，電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的流程：使用者通過(guò)IC卡激活充電系統(tǒng)，PLC接收到信息后進(jìn)行通電自檢，自檢完成后，使用者通過(guò)個(gè)人的充電需求來(lái)選擇充電模式，充電完成后PLC完成扣費(fèi)或者提示使用者需要充值，在電動(dòng)汽車(chē)充電的過(guò)程中，PLC仍然為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)各部分有條不紊地運(yùn)行。

在電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中，首先應(yīng)該做的是打開(kāi)充電樁的空氣開(kāi)關(guān)，在電動(dòng)汽車(chē)的充電系統(tǒng)接電后開(kāi)始上電自檢的過(guò)程，此時(shí)通過(guò)指示燈來(lái)引導(dǎo)使用者使用。當(dāng)使用者需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電時(shí)，要將充電卡在裝置上進(jìn)行刷卡的處理，當(dāng)IC卡刷卡成功后，PLC會(huì)引導(dǎo)使用者進(jìn)行充電模式的選取，使用者可根據(jù)自己使用情況來(lái)選取不同模式的充電需求，同時(shí)指示燈也會(huì)向使用者呈現(xiàn)向電動(dòng)汽車(chē)插入充電槍的提示。在用戶(hù)將充電槍插入電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，會(huì)顯示詳細(xì)的充電信息，并且用戶(hù)可以依據(jù)自己的需要選擇合適的充電方式。

4.2 組態(tài)王

利用組態(tài)王軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，本系統(tǒng)通過(guò)組態(tài)王作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，組態(tài)王可使電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)更加具體形象，使本系統(tǒng)省去人力物力的繁瑣能夠清晰地演示基于PLC的電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)的全部過(guò)程。

4.3 停車(chē)查詢(xún)系統(tǒng)

在系統(tǒng)中增加停車(chē)位查詢(xún)功能。當(dāng)車(chē)輛停在停車(chē)位時(shí)，無(wú)論是否充電，汽車(chē)將沖電樁IC卡遮擋，通過(guò)GPS系統(tǒng)上傳信息到衛(wèi)星系統(tǒng)。當(dāng)車(chē)主打開(kāi)App尋找停車(chē)位時(shí)，能夠看到1 000 m內(nèi)空余停車(chē)位，選擇最近車(chē)位進(jìn)行停車(chē)充電。達(dá)到吃飯、開(kāi)會(huì)、逛商場(chǎng)等活動(dòng)中快速查詢(xún)停車(chē)位，并在活動(dòng)期間實(shí)現(xiàn)短時(shí)充電效果。

5 結(jié) 論

利用PLC模塊，造價(jià)低廉，穩(wěn)定性高，且可操作性高，控制性能優(yōu)良，具有占用體積較小、充電信息反饋速度快、開(kāi)發(fā)周期短和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，采用了變PLC、上位機(jī)一起控制，因此該充電系統(tǒng)也具有良好的可靠性，可以靈活使用。充電系統(tǒng)所采用的FX2N-16MR系列PLC作為控制器，其程序簡(jiǎn)單易學(xué)可靠。增加停車(chē)位查詢(xún)系統(tǒng)，能夠解決車(chē)主查詢(xún)空車(chē)位需求，實(shí)現(xiàn)短時(shí)充電效果。由于各種條件的限制，以及我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)型號(hào)規(guī)格不統(tǒng)一，希望通過(guò)本設(shè)計(jì)應(yīng)用能夠解決電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部充電系統(tǒng)不統(tǒng)一問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)空車(chē)位查詢(xún)、碎片時(shí)間充電功能。