浅谈电动汽车充电站的设计

薛金龙

摘 要：电动汽车充电站是电动汽车大规模产业化后不可缺少的电动汽车能源服务基础设施。它不仅要为电动汽车补充能量，同时也是电动汽车与电网的接口，因此，电动汽车充电站建设是当前电动汽车产业化的关键所在。

本文的主要工作有：对充电系统充电方法进行研究，阐述了含光伏电源条件下电动汽车充电站的设计方案；对充电机的整体方案进行设计并对其谐波进行分析，提出治理方案；对充电站监控系统的系统架构和功能进行设计，以CAN总线进行设备与监控系统的通讯连接，以太网进行监控系统与PC机的连接，SG3525A设计PWM产生电路及CS5461A进行电能计量单元的设计等。

关键词：电动车；充电站；监控系统

引 言

汽车工业的发展为满足人们生活流动性的需求做出了重大贡献，同时也给社会带来了全球变暖、大气污染、石油资源枯竭等重大问题。

面对燃油汽车尾气排放造成的污染及其对石油资源的过度消耗所引发的环境与能源问题，电动汽车以其良好的环保、节能特性，成为现今国际汽车发展的潮流和“热点”之一。目前世界上许多发达国家的政府和几乎所有著名汽车厂商及科研机构都在致力于电动汽车技术的研究开发与推广应用，多种电动汽车样车频频涌现，有些己达到较高的产业化规模。

而充电站对确保电动汽车在大范围内灵活运行是十分必要的，电动汽车充电站不仅要为电动汽车补充能量，同时也是电动汽车与电网的接口，因此，电动汽车充电站建设是当前电动汽车产业化的关键所在。

1 电动汽车充电站现状

长春市目前有20辆纯电动公交车上线运营。此前，高寒低温环境下电动车往往无法启动的“高寒顽疾”一直困扰电动车在北方高寒地区上线运营。此次开发设计的“厂区封闭、室内供暖”充电新模式，不但具有安全可靠的供电系统、先进便捷的充电系统，同时配有标准完备的充电收费系统，能为来自不同运营企业的电动车提供安全可靠的充电服务。

2 电动汽车充电系统设计

2.1 电动车充电系统的组成

一个完整的电动车充电系统，主要由以下几部分组成：

（1）高压供电线路和高压供电设备等：根据纯电动车的动力蓄电池容量、充电时的电压和电流设置、车辆数量等数据的不同，充电系统总容量可能达到MVA等级以上，此时需要采用高压供电方式为充电系统供电；

（2）低压配电线路和低压配电设备等：高压供电转换为380V低压动力电源，再分配给充电机及其他辅助设备，完成对纯电动公交车的充电及其他辅助功能；

（3）大功率充电机：电动车充电系统的核心设备，将交流电源转换为能够满足电动车充电要求的直流电源，并按照一定的充电控制方法完成对电动车的充电操作；

（4）谐波抑制与无功功率补偿装置：采用现代电力电子技术的大功率充电机是高度非线性的用电设备，可能功率因数较低，而且对供电系统产生严重的谐波污染，则需要为纯电动公交充电系统配置相应的谐波抑制与无功功率补偿装置；

（5）其他辅助设备：包括电动车充电系统的监控系统等辅助设备，可以为充电系统的安全可靠运行提供各种辅助功能。

一个完整的电动车充电系统的基本系统结构如图1中所示。

2.2 光伏电源并网的充电站设计方案

采用此方案时，PV阵列通过逆变器挂在0.4kV母线上。本设计方案的充电站基本结构如图2所示。

可以看到，充电站提供给EV的能量来自于0.4kV母线。白天PV阵列的能量流向母线：夜晚或者阴雨天气则主要靠电网维持母线电压。这里储能系统作为UPS电源，平时通过PV阵列补充能量，当PV阵列因夜晚或阴雨天气不能提供能量或提供的能量不足，且电网又因改障停电时，则由储能系统维持0.4kV母线电压。显然，只要维持住0.4kV母线电压，就能保证充电站的稳定。

2.3 充电站监测控制系统设计

充电系统控制器是整个充电系统的核心，通过检测充电电压、电流，再借助相应的控制策略得到相应的控制信号，从而达到控制充电电压或充电电流，使整个系统构成一个闭环。

充电站监控系统应具备的功能：

（1）充电监控功能

监视充电桩的交流输出接口的状态，如电流、电压、开关状态、保护状态等采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息；控制充电桩交流输出接口的开断。

（2）对充電机的监控

充电机作为被监控对象，上送给监控系统主要包含两类数据：

①充电机状态信息：输入输出电压、电流、电量，功率因数，充电时间，当前充电模式，充电机故障状态等；

②电池状态信息：电池包基本信息，电池单体电压、温度，电池故障状态、电池管理系统设置信息等。

（3）配电监控功能

实现对电动汽车充电站配电设备的监控，方便统一管理和数据共享。可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制。

3 充电机控制器的设计

控制器整体结构：

充电机控制器由检测电路、保护电路、脉冲产生电路和单片机系统组成，系统框图如图3所示。

检测电路包括输入电压检测回路，输出电压检测回路，输出电流检测回路。控制系统通过检测电路采集电压电流信号，经过整理后的电压电流信号分为三路：一路送到比较器产生多路保护信号，具体有：输入电压过压信号，输入电压欠压信号，输出电压过压信号；另一路送到PI调节器，作为调节器的反馈量；还有一路送到单片机进行控制和显示。此外控制系统还有一些保护电路如：IGBT驱动芯片M57962产生的过流保护，风扇故障保护，散热片过温保护等。保护电路的核心是一片CPLD。多路故障保护信号输入CPLD经过一定的逻辑处理，再输出故障信号给单片机和SG3525，封锁脉冲信号并进行相应的故障显示。这些保护电路提供了比较全面的保护功能，以应对输出短路，电网电压波动等现场可能出现的状况，保护充电机安全工作。充电机控制系统采用SG3525作为主控芯片，产生脉冲信号。调节器采用模拟电路搭建的PI调节器，硬件调节速度快精度高，工作可靠。控制系统可以实现恒压限流，恒流限压，恒流定时等多种运行模式，以满足电池维护的要求。

在多重计算周期方式下，一个A/D转换周期为MCLK/（K1024），一个计算周期为MCLK/（K1024N），其中MCLK为输入时钟频率，K为分频系数，N为计算周期积寄存器的值。在默认条件下（MCLK=4.096MHz，K=1，N=4000），AD换周期为4000Hz，计算周期为IHz。故此时，计算得到的功率值即为1s内的电能值。

多重计算周期方式下对CS5461A操作的软件流程图如图4所示。

如图所示：通过中断，读CS5461A的状态寄存器，获得CS546lA的测量结果，包括、、P（该结果为24位相对于满量程的百分比的二进制数），并且产生一个转换结束的标志位；当主函数主循环中检测到该标志时，再根据读取的二进制结果计算得到实际值的结果，进而计算得到E、U、I的结果，并且进行诸如更新数码管显示、产生数据记录等操作。这样的分配是考虑到，后面的操作要花费MCU大量的运算时间，若将其放在中断中完成，会阻塞其它更加紧迫的中断任务的执行，因此要求中断执行的时间尽可能的短暂，通过设置标志位的方法就可以达到该目的。在本设计的软件设计中，将计算量大的工作尽可能多的放在主函数中完成，提高中断的切换效率。

4 总 结

本文做的主要工作如下：

根据充电站建设需要考虑的影响因素和需要遵循的标准规约，阐述了光伏并网充电站的设计方案以及充电系统的基本组成，介绍了电动汽车的能源供给方式，对充电站充电系统的充电方法进行了研究。

对充电站的监控系统进行功能及结构的设计，与传统的RS-485通讯方式相比，本文采用了效率更高、安全性更强的CAN总线方式进行监控系统与设备间的接口设计，以太网的方式建立监控系统与PC机间的连接，以SG3525A进行PWM产生电路的设计，以CS546lA进行电能计量的设计，包括硬件与软件的设计。