直流充放电机控制系统设计

张亚萍，吴 冬，王 兵，孙 木，田振清

（天津平高智能电气有限公司，天津 300300）

随着能源的日益匮乏，新能源汽车的应用也越来越广泛。随着新能源汽车的不断发展，越来越多的新能源汽车充电接口实现了能量的双向流动，无疑会给电网带来一定的冲击，这使得对新能源汽车充放电的研究成为了未来的发展趋势。为了将新能源汽车充放电时对电网产生的冲击降到最低，在保持电网的稳定性和安全性并合理利用资源的同时，提高新能源汽车的充放电效率，有必要研制一种用于非车载直流充放电机的充放电控制系统。目前国内新能源汽车充电桩的发展已日渐成熟，但是现有充电桩的功能仍是以充电为主，涉及放电的产品并不多见，而越来越多的新能源汽车已经具备可以实现电能双向流动的接口，但放电功能基本上处于闲置状态，并不能合理有效利用资源，违背了该功能设计的初衷[1]。

针对上述问题，本文设计了一种直流充放电机控制系统，详细阐述了该系统的硬件实现方法，通过对充放电特性的探讨，提出了充放电控制策略。

1 系统总体方案设计

直流充放电机控制系统主要由主控电路、电源及其转换电路、检测电路、控制电路、通信电路组成。其中，检测电路包括对于电子锁反馈信号、直流接触器反馈信号、熔断器状态信号、CC1信号、温度信号、急停开关信号、低压辅助电源状态信号等进行检测的部分；控制电路包括低压辅助电源控制部分、充电枪电子锁控制部分、放电接触器控制部分、充电接触器控制部分；通信电路包括网络通信、显示屏通信、刷卡通信、电表通信、电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）通信等部分。

系统总体方案设计见图1。

图1 系统总体方案设计

主控电路实时储存、分析检测到的信号，并将部分内容显示到显示屏上，根据检测到的信号以及通信的内容实时控制接触器等的状态。显示屏设计了人机交互界面，工作人员和用户可以通过操作显示屏完成参数设置并实现充放电的目的。主控电路的电源为整个控制系统提供电能。

2 系统硬件设计

2.1 主控电路设计

采用ST半导体公司的STM32F103ZET6作为主微控制单元（Micro-Controller Unit，MCU），该芯片使用ARM公司的Cortex-M3内核，具有抗干扰性能好、工作频率高、功耗低、外设丰富、存储空间大、价格低等优点。根据主MCU特点，设计了包括电源、时钟、存储器在内的主控电路。

主控电路的电源设计见图2。

图2 电源设计

1）电源设计。控制板电源采用12 V输入，选择TI公司的TPS54331作为主转换电源，将12 V转换为5 V。该芯片支持3.5～28 V的输入电压，可提供最大3 A的输出电流，开关频率被内部设置为570 kHz的额定频率，具有Eco-mode节能模式，静态关闭电流1 μA，并且具备过压保护和过热保护等功能。

使用LDO芯片AMS1117-3.3，将5 V转换为3.3 V，用于MCU、静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM）、FLASH等芯片的供电。使用MORNSUN公司电源模块B0505S-1W2、B1205S-1W2、IB1212LS-1W作为隔离电源，为通信接口和CC信号检测部分电路供电。

2）时钟设计。使用EPSON公司生产的RX8025T-UB作为时钟芯片，配置电池以保证掉电情况下时钟保持。该芯片是双向二线制同步串行总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）接口，内置温度补偿晶振。

3）存储器设计。系统实时监测运行状态，对部分运行参数进行记录并存入外部FLASH中。如果系统运行实际情况与运行参数冲突，系统识别异常并启动相应反应机制。FLASH芯片采用三星的K9F1G08UOC，该芯片有1 GB的存储空间，至少可存储10 000条的事件记录。使用外置SRAM（EM641FV8FS-55LF/70LF）作为二级缓存，它具有512 KB的容量，用于处理系统运行过程中的临时数据。

2.2 检测电路设计

检测电路使用光耦隔离，光耦副边直接接入单片机的输入/输出（I/O）口。检测电路设计原理见图3。

图3 检测电路设计

2.3 控制电路设计

根据需求的功率不同，使用NPN三极管或不同型号的继电器。控制电路设计原理见图4。

图4 控制电路设计

2.4 通信电路设计

主控电路通过串口与显示屏、刷卡、电表通信。使用EXAR公司的SP3232EEN作为RS-232通信接口收发器，并配置隔离芯片ADUM1201与单片机进行隔离。对内部调试接口可不使用隔离芯片。

主控电路通过控制器域网（Controller Area Network，CAN）总线通信接口与BMS通信。使用TI公司的SN65HVD1050作为CAN总线通信接口收发器，并使用隔离芯片ADUM1201与单片机进行隔离。可通过短路卡选择匹配电阻，匹配电阻为120Ω。

主控电路通过以太网与手机、云平台等设备通信，使用DAVICOM公司的DM900CIEP作为以太网控制器，并配置网络变压器。

3 系统软件设计

3.1 系统软件框架

系统软件采用模块化、分层分级的思想，整体框架分为驱动层、数据层、应用层。其中，驱动层进行单片机的初始化操作，根据设计原理图配置I/O和相关通信接口，完成通信接口的正常收发数据，分配和管理存储空间，完成远程升级，配置操作系统和处理文件操作；数据层处理各个通信接口（包括CAN总线、RS-485、RS-232、以太网等）、模拟/数字（A/D）采集、绝缘检测数据的数据接收和存储；应用层完成充电、故障管理、人机交互、参数配置等功能。

3.2 充放电控制策略

1）充放电特性。由于新能源汽车电池电量在一定范围内才能正常进行充放电，即：电池荷电状态低于20%时容易导致过放电而损坏电池[2]，因此在该阶段最好不要放电；电池荷电状态高于80%时容易导致过充电而损坏电池，因此在该阶段最好不要充电。

2）充放电控制策略。考虑到越来越多的用户选择新能源汽车，由于不同的用户对充电时间、放电需求、续航里程的要求差异很大[3]，导致充电负荷、放电负荷对电网带来一定的冲击，影响电网运行的安全性、可靠性，因此用户需求也必须考虑到充放电控制策略中来。利用充放电特性[4]，再结合用户的充放电实际使用需求，本文设计的控制系统采用电池荷电状态和用户需求相结合的分层控制策略，来提高充放电的效率及安全性、可靠性。

整个控制系统包括无用户（不插充电枪）和有用户（插充电枪）两种情况。当无用户时，控制系统进入日常的通信、自检状态，控制系统将内部运行状况实时上传至手机客户端或云平台，供运维检修人员日常巡视与点检。当有用户时，分为用户选择充电模式、用户选择放电模式、用户无任何选择3种情况。

假如用户选择充电模式，控制系统根据汽车BMS上传的电池荷电状态信息决定是否切换充电模式：若电池荷电状态大于80%，则通知用户，让其选择是否继续充电；若电池荷电状态小于80%，则控制充电直流接触器闭合切换至充电模式，对用户新能源汽车进行充电。

假如用户选择放电模式，控制系统根据汽车BMS上传的电池荷电状态信息决定是否切换放电模式：若电池荷电状态小于20%，则通知用户，让其选择是否继续放电；若电池荷电状态大于20%，则控制放电直流接触器闭合切换至放电模式，让用户新能源汽车进行放电。

假如用户无任何选择，且保持连接充电枪状态持续3 h以上（默认用户接受自动调配），则控制系统根据用户新能源汽车的电池荷电状态以及自身所能分配的负荷自动选择进入充电模式或者放电模式[5]。

4 结论

本文设计了基于单片机的直流充放电机控制系统，提出了电池荷电状态和用户需求相结合的分层充放电控制策略，并在示范园区内进行了测试，测试结果表明该控制系统提高了充放电的效率及安全性、可靠性。整体系统集成度高、功能强大，采用模块化思想设计，具有较强的可拓展性，方便开发者进一步丰富产品的功能。