电动汽车充电桩的控制系统研究与设计

夏华 肖伟

[摘    要]伴随社会经济的飞速发展，汽车的保有量增加越来越快，汽车废气对环境的污染也是非常的严重。为了保护环境，必须减少或消除车辆废气，在这种情况下出现了电动汽车，电动汽车用电供提动力，对充电桩的研究也是非常有意义的，因为它们是电动汽车的电力来源。本文考虑到限制电动汽车发展的因素（电池和充电方法），提出了一种基于交流充电桩的电动汽车充电方案，设计了电动汽车充电桩的控制系统以及描述硬件设计。包括主充电电路单元、主控制电路单元、人机交互单元、刷卡单元以及软件系统和主程序。

[关键词]电动汽车;充电桩;控制系统

[中图分类号]U491.8;TM910.6 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]With the rapid development of social economy， the number of cars is increasing faster and faster， and the pollution of automobile exhaust gas to the environment is also very serious. In order to control the environment， it is necessary to reduce or eliminate vehicle exhaust gas， and in this case， electric vehicles appear， electric vehicles use electricity to provide power， and the research of charging piles is also very meaningful， because they are the power source of electric vehicles. In this paper， considering the factors restricting the development of electric vehicles （batteries and charging methods）， a charging scheme of electric vehicles based on AC charging piles is proposed， the control system of electric vehicle charging piles is designed， and the hardware design is described. It includes main charging circuit unit， main control circuit unit， human-computer interaction unit， card reading unit， software system and main program.

[Keywords]electric vehicle; charging pile; control system

电动汽车由其车载电池的放电供电，电池的存储取决于充电桩，因此对充电桩的研究非常重要。充电桩的设计是否科学，将直接影响整个电动汽车行业，也是人们在使用电动汽车的过程中最担心的问题之一。

1 电动汽车发展现状

全球温度升高以及石油资源的渴求和空气污染使全球能源危机越来越严重，各国政府和汽车公司在未来的汽车技术发展中通重视节约能源和减少排放的问题。这两个问题在电动汽车的发展方向上被一一解决，汽车工业的未来发展方向代表电动汽车具有环保特性。电动汽车解决了无需装卸电池交流充电桩方法，以及随时随地补充电能的问题，实现充电桩可以通过充电电缆直接充电。同时，电能以交流电源的形式提供，不会损害电池。交流充电桩便于连接到电网的电力系统，电动汽车可以放置在超级停车场、办公楼、居民区的专用充电站中并可以同時为两辆电动汽车充电。

2 充电方法的设计

电极电位偏离其平衡值的现象在电流流过电极电位时就是极化，这不仅导致电池变热还降低了电池的效率，加速了电池的劣化并影响电池的寿命。随着充电电流的增加，必须减弱电池充电的极化现象避免极化现象，变得更加严重从而阻止了电池的充电。美国科学家根据电池放气率最低的假设，提出了电池的最佳充电电流曲线。充电过程中为避免极化要将电流保持在曲线以下，脉冲充电方法就是间歇电流给电池充电的方法。电池充电电流的接受率可以添加适当的负脉冲在停止间歇充电时提高，减少极化的影响提高充电速度。如果电池充满电后，则电池电压显示负向升高，内部压力和温度将迅速升高，从而严重损坏电池。因此，为了控制充电，需要使用某种控制方法，并且在这个阶段，定时控制方法、电压控制方法、温度控制方法等主要是充电结束的控制方法

3 系统硬件设计

3.1 主电路硬件控制系统的设计

三相工频交流电源（380V/50Hz）是充电桩输入，由于输出电流范围达到0～150A、输出电压范围达到0～500V、逐渐充电等相对较大。主电路由放电电路、输入滤波器整流电路和逆变器电路组成。采用三相桥式整流，将输入的三相工频交流电（380V/50Hz）整流为直流电输出，通过电容器Ca和电感La滤波是其主要功能，实现三相整流滤波电路AC-DC转换。逆变器电路将从输入滤波整流器电路输出的直流电通过四个IGBT管Q1、Q2、Q3和Q4转换为高频脉冲交流电，高频变压器通过电压降低，所需的直流电压通过整流获得所需。四个IGBT管的开/关时间以及二次侧的匝数比和高频变压器一次侧取决于它的大小，DC-AC-DC转换实现了该电路。TLC5615将单片机通过放电去极化电路的数字控制信号转换为模拟信号以控制Q5，并在充电过程中以指定电流对电池放电以使锂电池极化。

对电压进行滤波电路和输出整流并将其跨接在电池组上，进行整流和滤波为电动汽车充电。控制系统接收控制命令，通过调整IGBT开关管的接通和断开时间将其发送到电荷堆PWM脉宽调制逆变器电路来控制电流的大小和电池输出电压，整个控制系统图示出了基于MSP430F149单片机的示意图，该单片机采样速度快、误差小、功耗低、指令集简化的16位混合单片机。如图1所示

3.2 信号采集及系统保护的设计

充电桩正在充电时通过信息收集电路准确地获取当前运行状态，其是否正常应根据当前运行状态判断。过压保护、过流保护、短路保护、风扇失速、过热保护、电荷堆继电器运行等通过信息收集电路收集的信息进行。表明控制器通过调节电路调节电流和电压，并通过可编程逻辑门电路将信息发送到单片机。

3.3 软件设计

该软件系统是电动汽车充电的重要部分，其中最重要的是IC卡读卡器，它可以直接识别电动汽车的用户是否刷卡并提示用户进行操作，进行充电桩的运行检测。刷卡后，用户按照显示屏上的提示使用键盘选择充电模式，然后启动充电桩。此时，主程序确定是否选择了连接状态和模式。开始充电后，将显示用户信息，IC卡余额，显示直至充电结束。最后，指示灯用于判断充电和计费是否完成，这些是软件系统发挥的功能。主程序分为中央控制模块、IC卡识别模块、通信模块、现实模块、打印机模块和检测模块。在这六个模块的协调下，完成电动汽车充电。

4 充电桩控制系统仿真

4.1 仿真软件简介

MATLAB是由美国MathWorks开发和研究的数学软件。当前，它主要用于算法开发、数据处理和数据分析领域。主要功能包括Matlab和Simulink两部分。有数值分析、符号计算、控制系统设计和仿真数字信号处理、数字图像处理以及通信系统仿真和设计。MATLAB的主要优势在于，它具有完整的图像处理功能，可以对计算结果进行可视化和编程，功能丰富的应用工具箱为用户提供了许多便捷的处理工具，节省设计时间。高效的计算（符号和数值）功能简化了数学运算，并使用户摆脱了复杂的数学计算。在本文中将使用Matlab的Simulink部分来构建模型并模拟系统。Simulink具有应用范围广、流程结构清晰、效率高和灵活性高的优点，并且在日常研究中越来越多地用于对研究对象进行建模和模拟。建立模型的主要步骤是分析问题、选择模型、建立模型、模拟模型并最终分析误差。

4.2 PFCAC/DC仿真实验

首先，利用Matlab的Simulink模型仿真软件建立基于差分平坦度理论的PFC AC/DC转换器控制系统模型，并通过建立的模型进行电路仿真。仿真结果表明，差分平面功率控制方法在电荷堆控制系统稳定输出方面具有明显的优势，解决了电荷堆处于低功率充电状态时效率低的问题。

4.3 温度检测实验

温度检测实验主要通过温度检测模块对培养箱中的检测模块进行温度数据，将检测到的温度进行比较，计算出检测精度，用于温度检测的实验数据见表1所示。最大误差被抑制到0.4 ℃，计算出的平均误差约为0.19 ℃。可以看到温度检测是准确的并且符合设计要求标准。仿真表明，所设计的控制电路符合設计要求，已达到误差允许的标准。在温度检测实验中还进行了误差分析，实验已将温度检测误差控制在一定范围内，这是精确设计的要求。

5 充电方式简介

恒定法定义是在电动汽车的充电过程中，由充电桩提供的电压保持不变。首先，在对电动车辆充电时，用于电动车辆的电池内部电阻非常小且电流非常大，电池内部电阻也继续增加，当充电桩的输出电压等于电池的内部电压时，充电电流几乎减小到零。此时，充电桩的输出充电电流很小，影响了电池的内部反应和电动汽车电池的寿命。由于这些缺点，这种充电方法不适用于大规模施工。恒流方法定义在电动汽车的充电过程中，充电桩提供的电流不变。首先，在给电动车辆的电池充电时，电池的内阻将随着充电时间的增加而继续增加，如果使用恒流充电方法，则电池两端的电压将随着时间而增加，输出充电桩上的电压也必须随时间连续增加。因此，这需要相对较高的装载桩设备，并且增加了装载桩结构的成本。

6 结语

综上所述，随着电动汽车产业的快速发展，电动汽车充电桩的功能不断提高，对充电桩的研究将是一个长期的课题。电动汽车充电桩控制系统的复杂性和有限的时间，专业水平仍需要提高，尽管该系统的某些功能设计和要求已经完成，但是该设计仍然存在缺陷，可以进一步研究和讨论其相关技术和设计。

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