電動(dòng)汽車(chē)有序充電智能管控裝置設(shè)計(jì)

摘" 要：新能源汽車(chē)的充電基礎(chǔ)設(shè)施是新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是新能源汽車(chē)最重要的配套基礎(chǔ)設(shè)施。針對(duì)現(xiàn)有充電樁無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程管理控制和數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題，基于現(xiàn)有充電樁和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一款電動(dòng)汽車(chē)有序充電智能管控裝置。該裝置主要由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元（Data Transfer Unit，DTU）和充電管理控制器組成。DTU與每臺(tái)充電中的充電管理控制器及小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷總電度量表進(jìn)行通信，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)接口與服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與中轉(zhuǎn)。同時(shí)解決充電樁與服務(wù)器之間的連接問(wèn)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(tài)信息的功能。通過(guò)接收來(lái)自服務(wù)器的指令，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)充電管理控制器還可以實(shí)時(shí)采集充電樁的充電狀態(tài)信息，并將這些信息傳輸給服務(wù)器，以便用戶(hù)和管理員進(jìn)行查看和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：充電樁；充電控制；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元（DTU）；遠(yuǎn)程控制；電動(dòng)汽車(chē)

中圖分類(lèi)號(hào)：U491.8" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，汽車(chē)與能源、交通、信息通信等領(lǐng)域有關(guān)技術(shù)加速融合，電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)。新能源汽車(chē)的充電基礎(chǔ)設(shè)施是新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是新能源汽車(chē)最重要的配套基礎(chǔ)設(shè)施。此背景下，服務(wù)于新能源電動(dòng)汽車(chē)的充電式立體車(chē)庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生[1]，建設(shè)高效、安全、智慧的新能源汽車(chē)充電式智能立體車(chē)庫(kù)已成為科技發(fā)展趨勢(shì)與迫切需求。針對(duì)新能源汽車(chē)充電式智能立體車(chē)庫(kù)建設(shè)及使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出一種電動(dòng)汽車(chē)有序智能管控裝置，通過(guò)智能管控實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)庫(kù)充電樁采用愛(ài)普Poros 32交流充電樁，產(chǎn)品由智能控制板、智能電度量表、充電槍線(xiàn)、聯(lián)網(wǎng)模塊、執(zhí)行構(gòu)件及戶(hù)外箱體等組成。如圖1所示，充電樁插座采用標(biāo)準(zhǔn)七芯通用插座。其端子編號(hào)功能定義如下所示：CP為充電樁連接確認(rèn)；CC為車(chē)輛控制裝置連接確認(rèn)；N為交流電源-零線(xiàn)；PE為保護(hù)接地，使電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身通過(guò)交流充電樁可靠接地；L為交流電源-相線(xiàn)（A/B/C）；NC1為預(yù)留；NC2為預(yù)留。

充電樁充電簡(jiǎn)要流程如下：①確認(rèn)充電樁已經(jīng)供電；②插好充電槍?zhuān)瑨叽a，開(kāi)始充電；③通過(guò)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(tǒng)需要首先判斷充電插頭與車(chē)輛的充電插座之間是否連接完好；其次需要檢測(cè)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(chē)載充電機(jī)的額定輸入電流比較，確定車(chē)載充電機(jī)當(dāng)前允許的最大充電電流。

1.2.1" 確認(rèn)車(chē)輛連接

在充電槍插入汽車(chē)充電插座之后，充電系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)充電插頭與車(chē)輛的充電插座之間是否連接完好，原理如下。

1）在充電槍沒(méi)有插入車(chē)輛時(shí)，在車(chē)輛一側(cè)，慢充口CC處的電壓為12 V，此時(shí)CP處沒(méi)有電壓。在充電樁一側(cè)，S1開(kāi)關(guān)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(chē)輛充電口后，S3閉合，車(chē)輛一側(cè)CC處的12 V電壓經(jīng)過(guò)RC和S3開(kāi)關(guān)入地，這時(shí)檢測(cè)點(diǎn)3的電壓便不再是12 V，此時(shí)車(chē)輛控制裝置可以通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)3的電壓變化檢測(cè)到充電槍是否已經(jīng)插入到插口上。如果充電槍沒(méi)有插到位，則S3開(kāi)關(guān)（位于充電槍上）斷開(kāi)，檢測(cè)點(diǎn)3的12 V電壓不發(fā)生變化。

3）充電槍插入車(chē)輛充電口以后，充電樁一側(cè)的12 V電壓通過(guò)S1、R1，依次到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)1和檢測(cè)點(diǎn)2，然后通過(guò)R3接地構(gòu)成回路，此時(shí)檢測(cè)點(diǎn)1及檢測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)1和檢測(cè)點(diǎn)2電壓為9 V。

4）當(dāng)充電樁一側(cè)的充電控制裝置檢測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)1的電壓為9 V以后，S1開(kāi)關(guān)從12 V切換到PWM信號(hào)處，此時(shí)檢測(cè)點(diǎn)1和檢測(cè)點(diǎn)2會(huì)出現(xiàn)一個(gè)從9 V變化到-12 V的占空比信號(hào)。車(chē)輛一側(cè)確認(rèn)充電槍連接好以后，將S2開(kāi)關(guān)閉合，回路電壓從9V PWM變成6V PWM。此6V PWM電壓信號(hào)為車(chē)輛充電控制裝置向充電樁控制裝置提供的反饋信號(hào)。

5）充電樁一側(cè)供電控制裝置檢測(cè)到CP信號(hào)穩(wěn)定在6 V以后，供電設(shè)備的K1和K2繼電器閉合，交流電通過(guò)車(chē)輛充電口輸入到充電機(jī)進(jìn)行充電。

1.2.2" 最大充電電流確定

在插槍連接確認(rèn)完成以后，車(chē)輛測(cè)充電控制裝置還需要確定最大充電電流，步驟如下。

1）車(chē)載充電裝置通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)2的PWM波的占空比，來(lái)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(chē)載充電裝置通過(guò)CC來(lái)測(cè)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(chē)載充電裝置對(duì)充電樁能提供的最大充電電流、車(chē)載充電機(jī)的額定輸入電流及電纜的額定容量進(jìn)行比較，將這三者之間的最小值設(shè)為車(chē)載充電機(jī)當(dāng)前允許的最大充電電流。

2" 充電管理控制器設(shè)計(jì)

2.1" 充電管理控制器功能設(shè)計(jì)

按照新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]，充電樁控制板一般不對(duì)第三方提供額外的控制功能，從而保護(hù)電動(dòng)汽車(chē)的充電質(zhì)量和充電安全。為解決這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(cè)量記錄充電樁的充電起始時(shí)間、實(shí)時(shí)充電電流、實(shí)時(shí)充電電壓、充電完成時(shí)間、充電總電量和充電樁的實(shí)時(shí)充電狀態(tài)等數(shù)據(jù)，具有RS-485接口，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元（DTU）與服務(wù)器連接，將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)對(duì)各種參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，合理分配各充電樁的充電時(shí)間，將控制命令發(fā)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(jì)算機(jī)發(fā)送的充電命令，控制電車(chē)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(shè)計(jì)

充電管理控制器由嵌入式控制器、時(shí)鐘芯片、RS-485通信接口、電能計(jì)量模塊和控制繼電器等部分組成。控制器結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖3所示。

電能計(jì)量模塊采用SUI-101A 高精度多功能交流變送器，可實(shí)時(shí)測(cè)量交流電流、電壓、累計(jì)電量等參數(shù)。K3、K4繼電器在控制器沒(méi)有通電工作時(shí)，繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，不影響充電樁正常工作。

2.3" 充電管理控制器軟件設(shè)計(jì)

充電管理控制器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元（DTU）之間采用MODBUS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采用主從方式，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(xún)從站獲取從站數(shù)據(jù)或下發(fā)控制命令[5]。

充電樁控制邏輯如下所示：①控制器設(shè)有8位地址編碼器，對(duì)應(yīng)1～255范圍的地址可以設(shè)定?？刂破魍ㄟ^(guò)DI口讀取本機(jī)地址編碼器的地址數(shù)據(jù)，保存在對(duì)應(yīng)寄存器中。②循環(huán)讀取電量模塊數(shù)據(jù)，存入對(duì)應(yīng)寄存器。③控制器設(shè)有2位相線(xiàn)編碼器，控制器從相線(xiàn)編碼器讀取相線(xiàn)數(shù)據(jù)，存入對(duì)應(yīng)寄存器。④根據(jù)入口充電電壓變化，確定充電起始和完成時(shí)刻，從時(shí)鐘芯片讀取時(shí)間，存入充電起始時(shí)間寄存器。⑤通過(guò)控制器中的出口側(cè)電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)充電樁實(shí)時(shí)充電狀態(tài)，存入對(duì)應(yīng)寄存器。⑥采用MODBUS協(xié)議，接收到DTU發(fā)送的讀寄存器命令（03H功能碼），將充電樁數(shù)據(jù)傳送至DTU。⑦接收DTU控制指令。收到DTU 寫(xiě)000DH寄存器命令，首先將控制字存儲(chǔ)在000DH寄存單元，然后控制充電繼電器K3、K4閉合或斷開(kāi)。

3" DTU設(shè)計(jì)

3.1" DTU的功能設(shè)計(jì)

DTU負(fù)責(zé)服務(wù)器和充電控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳遞控制命令、收集充電數(shù)據(jù)，并獲取區(qū)域基礎(chǔ)負(fù)荷數(shù)據(jù)。DTU通過(guò)RS-485接口讀取每臺(tái)充電樁的充電起始時(shí)間、充電電流、充電電壓、充電樁相線(xiàn)和充電總電量等實(shí)時(shí)充電狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷總電能表中的基礎(chǔ)負(fù)荷實(shí)時(shí)總電流、基礎(chǔ)負(fù)荷三相實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)電壓等數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送給服務(wù)器。

3.2" DTU硬件設(shè)計(jì)

DTU設(shè)置了com1到com11及comz共12個(gè)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(lèi)推，comz通信端口與小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷總電能表連接[6]。每個(gè)com口有4根線(xiàn)，2根電源線(xiàn)（GND/24 V），2根信號(hào)線(xiàn)（A/B），信號(hào)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，電源線(xiàn)給充電樁控制器（或電能表）供電。DTU實(shí)物圖如圖4所示。

DTU采集充電起始時(shí)間、實(shí)時(shí)充電電流、實(shí)時(shí)充電電壓等充電樁實(shí)時(shí)充電狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485接口從現(xiàn)場(chǎng)控制器讀取。小區(qū)三相基礎(chǔ)負(fù)荷電流、電壓數(shù)據(jù)通過(guò)從安裝在小區(qū)供電系統(tǒng)入口處的基礎(chǔ)負(fù)荷總電能表讀取。

3.3" DTU軟件設(shè)計(jì)

DTU讀取每臺(tái)電樁中充電管理控制器中數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)寄存器中。DTU既需要與充電樁控制器通信，也要與上位計(jì)算機(jī)通信。DTU軟件整體設(shè)計(jì)如下。

DTU與充電樁控制器通信，采用MODBUS協(xié)議，從1#到11#充電樁控制器，每60 s輪詢(xún)一次，讀取各充電樁充電數(shù)據(jù)與工作狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存入對(duì)應(yīng)寄存器。

上位機(jī)每15 min與DTU通信一次，讀取各充電樁數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定每臺(tái)充電樁下一步的工作狀態(tài)（充電或停充），并將控制指令下發(fā)DTU。

DTU收到上位機(jī)控制指令，首先將控制指令存入對(duì)應(yīng)的寄存單元，然后下發(fā)至各充電樁控制器。

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

DTU向各控制器發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，若收不到應(yīng)答信號(hào)，則判為通信不暢，對(duì)應(yīng)寄存器置0，若通信正常，對(duì)應(yīng)寄存器置1。

4" 電動(dòng)汽車(chē)有序充電智能管控裝置實(shí)物連接

第2、3節(jié)完成了對(duì)充電管理控制器和DTU的設(shè)計(jì)，充電管理控制器接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的充電命令，控制電車(chē)充電。DTU設(shè)備作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵慕M件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理。本節(jié)將介紹電動(dòng)汽車(chē)有序充電智能管控裝置整體連接結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)連接如圖5所示。DTU通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)接入內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)或者與電腦直接連接；DTU通過(guò)4芯航空接頭與三相電量采集模塊相連，獲取小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷；DTU通過(guò)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(guò)RS-485進(jìn)行通信；DTU通過(guò)電源線(xiàn)與220 V電源連接，進(jìn)行供電。充電管理控制器除了與DTU通過(guò)4芯電纜相連外，還通過(guò)電纜與充電槍和充電樁相連。

5" 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有充電樁無(wú)法遠(yuǎn)程管理控制和數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車(chē)有序充電智能管控裝置，重點(diǎn)研發(fā)了充電管理控制器和DTU。充電管理控制器通過(guò)接收來(lái)自服務(wù)器的指令，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)充電管理控制器還可以實(shí)時(shí)采集充電樁的充電狀態(tài)信息，并將這些信息傳輸給服務(wù)器，以便用戶(hù)和管理員進(jìn)行查看和監(jiān)控。DTU通過(guò)RS-485接口與每臺(tái)充電中的充電控制器及基礎(chǔ)負(fù)荷總電度量表進(jìn)行通信，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)接口與服務(wù)器進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與中轉(zhuǎn)。有序充電智能管控裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，提高了充電樁的使用效率和安全性。同時(shí)，該裝置還可以實(shí)時(shí)采集充電狀態(tài)信息，為用戶(hù)的充電行為提供參考和指導(dǎo)。

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