關(guān)于電動汽車充電樁的設(shè)計與研究

王夢楠WANG Meng-nan；沈旺旺SHEN Wang-wang；倪源NI Yuan

（中建科工集團(tuán)有限公司，深圳 518000）

0 引言

在低碳經(jīng)濟(jì)時代背景下，為緩解能源短缺矛盾，更好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境，國家逐年加大對新能源汽車的扶持力度，電動汽車得到消費者的一致青睞，市場占有率大幅增加，這也是汽車行業(yè)的必然發(fā)展趨勢。而充電樁作為電動汽車使用環(huán)節(jié)的能量補給裝置，充電樁使用性能與設(shè)計水準(zhǔn)，直接影響到電動汽車使用壽命，其重要性不言而喻。

1 電動汽車充電樁系統(tǒng)的設(shè)計方法

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

充電樁系統(tǒng)由若干部分組成，以使用功能為依據(jù)，可以將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拆分為核心控制模塊、充電模塊、通信與顯示操作模塊、保護(hù)模塊、采樣變送模塊五部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電動汽車充電樁

其中，核心控制模塊由控制板、控制芯片加以組成，負(fù)責(zé)控制各功能模塊的協(xié)調(diào)配合狀態(tài)，實現(xiàn)人機交互信息傳遞、輸入信息整理、運算分析、向終端充電樁設(shè)備反饋控制指令、HMI 與充電樁數(shù)據(jù)溝通等使用功能，以及在無人工干預(yù)條件下完成一些簡單性操作任務(wù)。充電模塊由高頻變壓器、整流濾波等部分組成，在接收核心模塊下達(dá)控制指令后，按指令調(diào)整用戶輸入數(shù)據(jù)信號，控制充電樁為所連接電動汽車充電，根據(jù)指令內(nèi)容來控制充電方式及充電時間。通信與顯示操作模塊由CAN 總線接口、顯示屏和按鈕等部分組成，在界面向用戶顯示賬戶余額、本次充電金額、預(yù)計充電時間、電流值等信息，用戶在界面功能欄輸入信息，通過本模塊將信息發(fā)送至核心控制模塊，再將核心模塊所反饋信息顯示在屏幕上。保護(hù)模塊由過壓保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)及過流保護(hù)等多項安全防護(hù)措施及裝置組成，有著故障自診斷及控制的使用功能，在充電樁使用期間出現(xiàn)異常運行情況時，自動執(zhí)行對應(yīng)保護(hù)動作。而采樣變送模塊由多種傳感器組成，在充電樁使用期間，持續(xù)采集溫度、電流值、電壓等要素的現(xiàn)場監(jiān)測信號，再將信號進(jìn)行匯總整理后發(fā)送至核心控制模塊，用于判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)。

1.2 硬件設(shè)計

充電樁系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由核心控制模塊、通信模塊、保護(hù)模塊、充電模塊、采樣變送模塊五部分組成，設(shè)計方法如下：第一，核心控制模塊?？紤]到此模塊是系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換、目標(biāo)值與設(shè)定值比較分析、邏輯運算、決策制定等復(fù)雜任務(wù)，要求模塊具備強大的數(shù)據(jù)處理與邏輯運算能力，可選擇STM32F103ZTE6型號芯片與ARM32 位Cortex-M3 CPU，這類芯片內(nèi)核有著體積小、具備多種功耗模式、調(diào)試能力強、編程簡單、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢。同時，對芯片與傳感器設(shè)計對應(yīng)電壓等級的電源電路，如使用3.3V 電源電路向芯片供電，使用5V電源電路向傳感器供電。第二，通信模塊。選用RS232 串口，通過串口保持上位機和ARM 控制器的穩(wěn)定通訊狀態(tài)，在系統(tǒng)運行期間提供遠(yuǎn)程調(diào)控參數(shù)等服務(wù)，并通過串口連接打印機、刷卡機等配套設(shè)備。同時，設(shè)計CAN 通信電路，安裝氧化硅材質(zhì)的CAN 轉(zhuǎn)換器，或是在主控芯片自帶bx CAN 控制模塊的情況下安裝一臺CAN 通信信號收發(fā)器來替代CAN 通信電路。第三，保護(hù)模塊。對安全保護(hù)裝置的選型設(shè)計，需要視充電樁系統(tǒng)保護(hù)功能而定，如在具備短路保護(hù)及輸出端過流保護(hù)功能時配置熔斷器設(shè)備，在系統(tǒng)具備交流輸入端浪涌保護(hù)功能時配置AM40C 等型號的防雷器設(shè)備，在系統(tǒng)具備過電壓與欠電壓保護(hù)功能時配置雙門限比較器設(shè)備，在系統(tǒng)具備過溫保護(hù)功能時配置溫度繼電器設(shè)備。第四，充電模塊。設(shè)計整流濾波電路、IGBT 裝置與高頻變壓器，整流濾波電路負(fù)責(zé)將輸入交流電轉(zhuǎn)為直流電供給至IGBT，IGBT 裝置基于驅(qū)動電路產(chǎn)生作用來將直流電轉(zhuǎn)為交流電，高頻變壓器在電路中把交流電最終轉(zhuǎn)為直流電充入蓄電池。第五，采樣變送模塊。由電壓、電流與溫度檢測電路組成。在電壓檢測電路中安裝LV25-P 等型號的電壓傳感器來持續(xù)檢測輸出電壓，在電壓值超限與到達(dá)充電時間后自動斷電。在電流檢測電路中安裝智能電能表，持續(xù)檢測充電模塊組的總輸出電流與實時電路電流值，將檢測結(jié)果發(fā)送至中央控制器和充電監(jiān)控計費單元。在溫度檢測電路中安裝主控板及高頻電壓器等設(shè)備器件，持續(xù)監(jiān)測充電樁工作溫度，在實時溫度超過限定值時自動執(zhí)行開啟散熱系統(tǒng)、切斷電源等保護(hù)動作。

1.3 軟件程序設(shè)計

1.3.1 主控程序設(shè)計

一般情況下，可選用Keil uVision5 系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，此類系統(tǒng)有著操作簡單、易于學(xué)習(xí)、兼容C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)勢。隨后，為改善系統(tǒng)的擴(kuò)展性能、兼容性能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備組態(tài)靈活的優(yōu)勢，應(yīng)采取模塊化設(shè)計方法，將主控程序分解為若干模塊，對各模塊制定專項設(shè)計方案，再將全部子模塊進(jìn)行串接處理來形成軟件主控程序。

在主控程序運行期間，預(yù)先由待機狀態(tài)切換至開啟狀態(tài)，啟動初始化程序，進(jìn)行一次自我檢查，如果存在故障問題則發(fā)送報警信號，根據(jù)自檢信號開展故障自診斷操作，確定無誤后登陸賬號，接收用戶下達(dá)指令來插入充電槍，在系統(tǒng)上選擇充電模式、按順序完成模式設(shè)定操作。隨后，用戶點擊“開始充電”按鈕，控制充電樁切換為工作狀態(tài)，向汽車蓄電池充電，在界面上實時顯示充電過程信息，在監(jiān)測到蓄電池電量充滿后結(jié)束充電，進(jìn)入結(jié)算步驟，拔出充電槍，直接從用戶賬戶余額扣款，或是由用戶自主選擇付款方式，結(jié)束本次充電，控制充電樁切換至待機模式。

1.3.2 子程序設(shè)計

充電樁操作系統(tǒng)由啟動程序、電壓檢測程序、電流檢測程序、A/D 轉(zhuǎn)換電壓檢測程序、溫度檢測程序與故障檢測程序六項子程序組成，這也是軟件主控程序的主要組成部分。其中，在啟動程序設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計故障自檢與修復(fù)功能，系統(tǒng)在初始化運行完畢后進(jìn)行自我檢查，如果發(fā)現(xiàn)故障問題則進(jìn)行修復(fù)，返回開始狀態(tài)，重復(fù)執(zhí)行初始化、系統(tǒng)自檢步驟，待故障修復(fù)后完成啟動，反饋至主程序開展工作，而在故障未得到修復(fù)時，則進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。在電壓檢測程序設(shè)計環(huán)節(jié)，由核心控制模塊向電路發(fā)送電壓檢測信號，設(shè)定時間間隔，依次檢查母線電壓正負(fù)性與每次運行時的電壓，以三次檢測結(jié)果的電壓平均值為最終檢測值，如果出現(xiàn)電壓異常波動與超限情況，則向主控模塊反饋問題。在電流檢測程序設(shè)計環(huán)節(jié)，由核心控制模塊下達(dá)電流檢測信號，電流檢測模塊與時鐘模塊開展初始化作業(yè)，初始化完畢后啟動電流檢測程序，使用霍爾傳感器對電路實時電流值進(jìn)行檢測，以多次電流檢測結(jié)果的平均值作為檢測值，將檢測結(jié)果以信號形式發(fā)送至存儲器，系統(tǒng)根據(jù)電流檢測值與設(shè)定值的偏差情況來采取對應(yīng)反應(yīng)。在A/D轉(zhuǎn)換電壓檢測程序設(shè)計環(huán)節(jié)，在主控模塊開發(fā)板中設(shè)計3個及以上的ADC 端口，在主程序啟動前開展初始化操作，完成設(shè)置操作后啟動A/D 轉(zhuǎn)換程序，連續(xù)完成10 次采樣作業(yè)，用于判斷A/D 轉(zhuǎn)換是否完成，對采取樣值進(jìn)行分析和儲存處理，對采樣結(jié)果加以濾波處理，返回初始程序，如果采樣次數(shù)未達(dá)到10 次、或是采樣結(jié)果表明A/D 轉(zhuǎn)換未完成，則在采樣取值并儲存后返回至連續(xù)采樣步驟。在溫度檢測程序設(shè)計環(huán)節(jié)，主程序初始化完畢后向溫度傳感器下達(dá)控制指令，傳感器檢測與其序列號相對應(yīng)的檢測點，將檢測值儲存并上傳，如果溫度值超過限值，則下達(dá)切斷供電、開啟充電樁散熱風(fēng)扇、延時充電等指令。而在故障檢測程序設(shè)計環(huán)節(jié)，程序啟動后依次檢查是否存在缺相、過壓、過流、散熱器過熱的故障問題，在一切正常后進(jìn)入充電樁工作狀態(tài)，在檢測到故障問題時采取對應(yīng)措施，如開啟風(fēng)機、斷開輸入交流接觸器等，重復(fù)檢查故障是否存在，如果故障仍舊存在，則向主控系統(tǒng)發(fā)送對應(yīng)的故障碼。

1.4 人機交互界面設(shè)計

首先，結(jié)合項目情況與充電樁使用要求，在人機交互界面上設(shè)定充電參數(shù)，包括電池類型、充電方式、電壓/電流/充電金額等數(shù)據(jù)讀取欄，用戶在界面上設(shè)置各項充電參數(shù)，由系統(tǒng)程序讀取用戶數(shù)據(jù)執(zhí)行電壓電流等參數(shù)的數(shù)據(jù)匹配操作，待數(shù)據(jù)匹配成功后，即可開始充電。其次，設(shè)計開機登錄界面，系統(tǒng)啟動后預(yù)先進(jìn)入用戶認(rèn)證界面，用戶在界面上輸入用戶名、賬戶密碼與驗證碼信息，可點擊登錄或是退出按鍵，且用戶識別未通過時顯示賬戶鎖定或賬戶密碼錯誤的功能按鍵，待用戶認(rèn)證成功后，進(jìn)入系統(tǒng)操作界面，顯示電池型號選擇、充電故障查詢、充電方式選擇等多個功能欄，用戶根據(jù)自身需求開展操作，待操作結(jié)束后點擊按鈕控制充電樁開始充電。同時，要求所設(shè)計人機交互界面有著簡單易懂、參數(shù)顯示全面、具備信息查詢功能與顯示清晰的特征，以滿足用戶的實際操作需求，如查詢剩余充電時間、蓄電池實時電量和賬戶余額。最后，在人機交互界面上設(shè)計各項功能欄，以電池型號選擇功能欄為例，功能欄中顯示鎳氫電池、鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池以及錳酸鋰電池和退出五項按鍵，以及顯示用戶名、賬戶余額等信息，用戶根據(jù)車輛蓄電池種類點擊對應(yīng)按鍵，完成電池型號參數(shù)設(shè)定操作，設(shè)計人員也可以根據(jù)項目情況，對電池型號種類進(jìn)行調(diào)整。

2 電動汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化策略

2.1 充電樁效率優(yōu)化設(shè)計

目前來看，在已建成電動汽車充電樁項目中，普遍存在電路功率因數(shù)小的問題，限制了充電樁功率的提升，使得電動汽車實際充電時間較長，并在充電期間損耗較大電能，違背了節(jié)能環(huán)保理念。因此，在充電樁系統(tǒng)設(shè)計方案中，應(yīng)采取調(diào)節(jié)電路功率因數(shù)數(shù)值的方法來改善充電效果、提升充電效率與充電樁功率，具體方法包括設(shè)計提高、人工補償兩種，設(shè)計提高是做好變壓器選型設(shè)計工作、優(yōu)化電路布線結(jié)構(gòu)、合理選擇電氣設(shè)備種類型號，人工補償是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中安裝無功補償裝置來補償電氣設(shè)備及電路的無功功率。

例如，對原有方案中的PFC AC/DC 變換器控制方法進(jìn)行改進(jìn)，傳統(tǒng)控制方法本質(zhì)上屬于一種雙閉環(huán)控制法，在充電樁長時間處于低功率輸出運行狀態(tài)時，存在著控制穩(wěn)定性差、AC/DC 變換器占空比較小、采取ZVS 軟開關(guān)控制的問題，由此產(chǎn)生嚴(yán)重充電損耗，影響到系統(tǒng)工作效率，并在負(fù)載出現(xiàn)瞬時變化時出現(xiàn)主電路輸入電壓過沖現(xiàn)象。針對于此，可采取用于解決非線性系統(tǒng)問題的微分平坦理論來控制PFC AC/DC 變換器，根據(jù)已掌握信息來假定一組平坦穩(wěn)定的輸出變量，使用變換形式，基于輸出變量值來表示系統(tǒng)輸入量及狀態(tài)變量，在證明輸出變量是平坦輸出的情況下，即可在輸出空間內(nèi)設(shè)計參考軌跡。

2.2 充電終止控制設(shè)計

在電動汽車充電完成后，如果沒有及時停止充電樁對蓄電池的充電，會因此快速提升汽車蓄電池的工作溫度和內(nèi)壓值，隨著時間推移，出現(xiàn)電壓負(fù)增長情況，嚴(yán)重時損害蓄電池使用壽命。如何避免過度充電，是早期充電樁系統(tǒng)亟待解決的一項重要問題。為解決這一問題，設(shè)計人員可選擇在系統(tǒng)方案中采取溫度控制法、電壓控制法、時間控制法或是綜合控制法，使充電樁系統(tǒng)具備自動斷電能力。首先，溫度控制法是在系統(tǒng)中安裝溫度傳感器或溫度探頭裝置，持續(xù)檢測蓄電池溫度，在蓄電池充滿電后，多余電能轉(zhuǎn)為熱能，使蓄電池溫度提升，在蓄電池溫度檢測值達(dá)到限定值后，向核心控制模塊發(fā)送特定信號，從而下達(dá)停止充電的控制指令，一般情況下，將蓄電池溫度限值設(shè)定為45℃，在溫度超過這一標(biāo)準(zhǔn)后，將進(jìn)入浮充的充電模式，無法起到實際作用。其次，電壓控制法是通過安裝電壓檢測設(shè)備，在充電期間持續(xù)檢測實時電壓值，待蓄電池電量充滿后會出現(xiàn)電壓迅速提升至最大值的現(xiàn)象，基于這一現(xiàn)象來判斷蓄電池是否完成充電、是否出現(xiàn)電壓負(fù)增量情況，將信號反饋至核心控制模塊。再次，時間控制法是在軟件程序中預(yù)先設(shè)定充電時間，加裝時間控制器，在充電樁處于充電狀態(tài)后進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值達(dá)到額定值后通過切斷電路來結(jié)束充電，此項方法有著易于實現(xiàn)、操作簡單的優(yōu)勢，但控制精度較低，各臺車輛的蓄電池使用年限及性能存在差異性，有可能出現(xiàn)過度充電或是充電力度不足的問題。最后，綜合控制法是對上述三種方法的同時采納，對比溫度、電壓、充電時間等監(jiān)測要素來判斷蓄電池電量是否充滿，有著極高的控制精度，但設(shè)計難度較大，并加大了充電樁系統(tǒng)的前期建設(shè)成本。

2.3 快速充電設(shè)計

為滿足不同消費者群體的電動汽車充電需求，在系統(tǒng)設(shè)計方案中，應(yīng)設(shè)定快速充電內(nèi)容，消費者可根據(jù)自身需求，在系統(tǒng)界面上選取常規(guī)充電方式或是快速充電方式。

以磷酸鐵鋰電池為例，常規(guī)充電方式包括恒流充電、恒壓充電、反射式充電與脈沖充電四種，而快速充電方式為分段式快充，將充電樁充電過程分解為預(yù)充電、分段恒流快速充電、大電流充電，分別起到保護(hù)汽車電池、在短時間內(nèi)迅速向汽車電池提供電量、去極化負(fù)脈沖的作用。在快速充電設(shè)計環(huán)節(jié)，要求設(shè)計人員預(yù)先調(diào)查市面上常見電動汽車車型的磷酸鐵鋰電池性能參數(shù)等基礎(chǔ)信息，開展電壓測定試驗，基于電壓情況來設(shè)定快速充電方法的各階段電流值、預(yù)充電與分段恒流充電切換時間、大電流充電持續(xù)時間等參數(shù)，避免因充電電流值過大而破壞電池中活性物質(zhì)恢復(fù)效果，或是因大電流充電時間設(shè)定不當(dāng)而降低充電速度和出現(xiàn)電池極化問題。

2.4 光伏儲能式電動汽車直流充電樁設(shè)計

為控制充電樁的總體使用成本，節(jié)省電力能源和減少線損量，可選擇設(shè)計新型光伏儲能式的直流充電樁系統(tǒng)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中加裝太陽能電池陣列、直流母線、儲能裝置、直流變換器等裝置，使用plc 可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)主控裝置，基于光伏發(fā)電效應(yīng)，在太陽光照射光伏陣列時，因電荷內(nèi)部分布狀態(tài)改變而形成電動勢，在負(fù)載終止情況下產(chǎn)生電流，起到發(fā)電作用，并使用混合儲能裝置，在充電樁處于待機狀態(tài)時，將多轉(zhuǎn)換多余電能導(dǎo)入儲能裝置中保存。

2.5 充電功能測試

在充電樁系統(tǒng)設(shè)計完畢后，為驗證系統(tǒng)運行效果和穩(wěn)定性，可以按照現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)，開展系統(tǒng)基本功能測試和電氣防護(hù)測試作業(yè)，基本功能測試項目包括人機交互功能測試、通信測試、刷卡功能測試與線上支付功能測試，電氣防護(hù)測試項目包括沖擊電流試驗、絕緣電阻試驗、沖擊耐壓試驗、射頻電磁場輻射抗擾度試驗和輸出電流停止速率測試。

3 結(jié)語

綜上所述，電動汽車充電樁設(shè)計活動涉及到諸多方面，是一項較為復(fù)雜的綜合性工程，對設(shè)計質(zhì)量及水平有著嚴(yán)格要求。設(shè)計人員必須掌握正確的充電樁設(shè)計方法與操作要點，嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)設(shè)計質(zhì)量，正視原有充電樁系統(tǒng)設(shè)計方案中存在的缺陷問題，采取科學(xué)的優(yōu)化改進(jìn)策略，這對滿足實際充電需求、實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與聯(lián)控管理目標(biāo)、提高充電樁充電效率有著重要的現(xiàn)實意義。