电动汽车交流充电桩及智能充电控制策略研究

合肥科大智能机器人技术有限公司南京分公司 戴成涛 科大智能电气技术有限公司 李龙龙 田星星

随着人们环保意识的增强，越来越多的人在购车时更倾向于选择电动汽车，而随着电动汽车使用量的逐年增加，大量汽车在不加引导情况下进行充电，再加之充电时间及空间不确定性因素的影响，必然会使电力系统负荷加大，进一步加大电网优化控制难度，使得电能质量深受影响，为此注重电动汽车交流充电桩及智能充电控制策略研究意义重大。现阶段电动汽车充电桩主要有直流及交流两种。

直流充电桩主要是通过电力电子技术的科学应用，在对交流电进行变压、整流、逆变及滤波处理后，直接转换为直流电直接为车载电池充电[1]。这一充电过程虽耗时较短，但会在充电过程中出现电池组间出现不平衡压差，使得电池活性受影响，进而使得电池使用寿命受到威胁；交流充电桩是一种慢性充电桩，充电完成一般需要6～8小时，但此充电过程较为温和，会在充电结束期对电池组进行均衡处理，确保每块电池都能处于满电状态；由于此充电桩用时较长，可选择在用电谷时充电，可实现充电成本的节约。

1 电动汽车交流充电桩功能需求分析

为使汽车充电桩赢得客户青睐，各充电桩制造商在产品设计时，应对现阶段已投入运营的充电桩及用户对充电桩功能需求进行调研，设计出一款满足安全性强、操作简便、计费合理的充电桩。

充电安全，运行可靠。作为现阶段奠定汽车主要充电设备——交流充电桩最基础的功能应该是能为汽车车载电池充电器提供安全、可靠的电能，因此在进行交流充电桩设计时，首先要考虑充电设备及操作人员的安全问题，通过智能系统的科学设计，实现对突发状况进行准确判断及处理目的。另外汽车充电桩都是无人值守，要保证连续充电6～8小时的运行可靠性；操作简便。为保证车主能顺利完成登录、充电参数设置，充电桩必须要具备友好、可靠、便捷的人机交互功能，同时还能对用户历史消费记录进行准确记录，以方便其随时进行查询；无损充电。该功能是用户对充电桩功能的最重要需求，要求其能在充电过程中有着高质量的电能输出，以免对汽车及车载电池产生损伤。

充电计费合理、准确。为提升充电桩运行经济性，制造商在产品设计中要对其计费规则进行合理设计，确保充电过程计费合理、准确，并能让用户实时看到充电动态计费数据及电池充电状态。具体而言可通过如下途径实现：通过对与专用充电卡配套的读卡模块进行科学设计，实现刷卡充电；利用专用管理卡配合桩体密码设计，进入系统设置界面对充电参数值进行准确设置；通过定时软件设计恒定充电时间；通过电能计量参数及内部计费规则，对用时实时充电费用进行准确计算[2]。

2 电动汽车交流充电桩系统

2.1 硬件系统设计

结合电动汽车交流充电桩总体设计方案，其硬件设计需满足以下五点要求：

充电桩系统电源必须安全可靠。系统电源包括输入、输出回路及主控板及外围设备，设计过程中要求这些区域必须安全可靠，满足系统运行稳定性需求；通讯接口电路稳定可靠。在进行通信接口电路设计时，要根据外围设备接口工作原理进行串行设计，同时保证主控板与外围设备间数据交互稳定可靠性。

准确判断充电接口状态。充电装置能否安全启动完全取决于充电桩接口与车辆连接口连接可靠性。为此，在充电桩硬件系统设计中要能对充电桩与车辆连接状态进行准确判断；准确控制充电输出回路。继电器通断由驱动输出电路进行控制，输出回路由继电器交流接触器进行控制；所选用的CPU 处理器及外围设备需具备操作简便、功能强大等特征，同时还应具备方便整个硬件系统安装、调试及维护特征。

2.2 软件系统设计

2.2.1 软件系统流程

汽车充电桩软件系统主要由读卡、充电、结算及相关子系统构成。充电操作时先由触摸屏完成人机交互操作，程序执行时先行读卡，当卡内显示电量充足时即提示按确定按钮进入模式选择界面，用户将汽车与充电桩连接好、点击确认进行充电；当充电结束时再次点击确定并将卡放到读写器上，系统便会读取卡内信息进行消费扣除并打印消费小票。2.2.2 触摸屏与PLC 通信及界面设计

界面设计。编程软件采用三菱公司推出的GT Designer3，该软件能够与三菱FX 和A 系列PLC、欧姆龙C 系列PLC 等可编程控制器通信连接；用户通过触摸屏界面实现与充电桩的人机交互并能及时掌握充电桩状态。界面设计主要包括两个方面：界面按钮等各种功能组态设计；与PLC、打印机通信参数设置。

触摸屏与PLC 通信。事先用编程软件GT Designer3设计好触摸屏界面并存储于触摸屏存储器中，触摸屏与PLC 利用RS-232进行连接，为保障系统运行可靠性二者通信参数须保持高度一致[3]。PLC利用自带的串口与触摸屏连接，只需在软件GT Designer3中对相关参数进行准确设置即可。待触摸屏参数设定完成后，在PLC 中输入如图1所示梯形图便可完成两者间的通信。在PLC 中使用MOV指令执行画面切换，当T2接通时MOV 指令将K1传送给D0便显示出第一个界面；当T1常开触点闭合时K2传送给D0，触摸屏便显示第二个界面并下载至PLC 上。

图1 触摸屏通信梯形图

2.2.3 智能IC 卡与PLC 通信程序设计

当用户操作IC 卡时，PLC 先进行读卡器卡号识别并读取卡中数据，同时按照通信协议发送命令。图2中RS 为串行通信指令，主要用作数据地址设置，并在寄存器完成数据交换后，使PLC 与读写器之间数据的实时传送与接收。每次充电时PLC 就将接收到的数据与之前的数据进行比对，同时根据对比结果驱动充电桩工作[4]。

图2 读卡部分梯形图

2.2.4 打印机与PLC 通信设置

打印机与触摸屏一个端口直连，并通过另一个端口连到PLC 上，打印的数据存储于D8120寄存器中，打印机控制板串口DIP 开关用以完成串口参数设置，实现通信连接，将其参数设置为波特率19600比特，数据位8位，校验位设为偶校验，握手方式为软件握手，即XON/XOFF，对应的DIP 开关参数设置为SW1～SW5 OFF，SW6 0N。在PLC 中对寄存器D8120通信格式进行设置，并通过RS 指令实现打印功能。

3 基于改进遗传算法的有序充电控制策略

为实现电动汽车交流充电桩充电稳定性，文章采用改进遗传算法对汽车充电初始时刻的优化求解。当电动汽车接入电网后，系统会根据电网的峰谷时段及电价信息，在遵循降低充电成本电网负荷峰谷差基础上对充电开始时刻进行优化求解[5]。充电桩系统根据已获得的车辆开始充电时刻、即当其与STM32内部RCT 时钟提供的系统时间一致时启动充电，实现汽车充电的智能有序控制。对有序充电控制中的负荷统计采用时段划分方式。

首先，初始化配电网的分时电价和原始电力负荷信息；获取电动汽车相关参数，包括汽车接入电网时间Tstart、用户电量需求SOCend及时间要求T1和汽车电池当前剩余电量SOCstart等；初始化参数设置，种群规模设为20、进化代数设为10000、变异概率设定为1%；根据所设定的充电时间段需求生成充电开始时间和充电时长的初始化种群，采用“格雷码”法进行基因编码，编码位数为8位[6]；将多目标函数式倒数作为选择算子，计算当前种群各个体适应度值fi=1/Fi，可知个体适应度值越大、用户充电费用就越低，电网峰谷差和最大峰值就越小。

对充电迭代次数是否满足要求进行判断，若不满足，则选择最优个体进行解码输出；遗传的父辈个体选择采轮盘赌算法，种群中各个体被选中概率，可知个体适应度值越大，其被选中的几率也就越大；父辈个体选择采用参数遗传和大变异操作。参数遗传大变异算法能有效避免遗传算法过早收敛到局部最优值，采用一个远大于变异概率设定值的概率对某代集中在一起的种群进行变异操作，其具体过程如下：对当前种群的集中程度进行判断，当满足αfmax＜favg时需进行大变异操作，其中fmax和favg 分别表示当前种群最大适应度值和平均适应度值，0.5＜α ＜1为密集因子，其值越接近0.5则大变异操作越频繁，本文选取0.8；采用一个比变异概率设定值大5倍以上的概率进行变异操作，即将集中起来的种群“打散”。经过大变异操作种群，就可有效避免传统遗传算法出现的早熟情况[7]。

当遗传算法迭代完成后，充电桩系统将获取最优充电开始时刻。与内部系统时间对比，当时间一致后充电桩将自动开启充电，实现充电智能控制。