电动汽车有序充电智能管控装置设计

刘元彬 赵怡豪 范学忠 孔令鑫 岳仁峰 苏炎

摘  要：新能源汽车的充电基础设施是新能源汽车产业的重要组成部分，是新能源汽车最重要的配套基础设施。针对现有充电桩无法进行远程管理控制和数据采集的问题，基于现有充电桩和国家标准设计一款电动汽车有序充电智能管控装置。该装置主要由数据转换单元（Data Transfer Unit，DTU）和充电管理控制器组成。DTU与每台充电中的充电管理控制器及小区基础负荷总电度量表进行通信，同时通过以太网接口与服务器进行通信，实现数据的远程传输与中转。同时解决充电桩与服务器之间的连接问题。充电管理控制器作为核心部件，具备控制充电桩的通断和采集充电状态信息的功能。通过接收来自服务器的指令，可以实现对充电桩的远程控制。同时充电管理控制器还可以实时采集充电桩的充电状态信息，并将这些信息传输给服务器，以便用户和管理员进行查看和监控。

关键词：充电桩；充电控制；数据转换单元（DTU）；远程控制；电动汽车

中图分类号：U491.8      文献标志码：A          文章编号：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

进入21世纪以来，汽车与能源、交通、信息通信等领域有关技术加速融合，电动化、网联化、智能化成为汽车产业的发展潮流和趋势。新能源汽车的充电基础设施是新能源汽车产业的重要组成部分，是新能源汽车最重要的配套基础设施。此背景下，服务于新能源电动汽车的充电式立体车库应运而生[1]，建设高效、安全、智慧的新能源汽车充电式智能立体车库已成为科技发展趋势与迫切需求。针对新能源汽车充电式智能立体车库建设及使用过程中出现的问题，本文提出一种电动汽车有序智能管控装置，通过智能管控实现电动汽车有序智能充电。

1  交流充电桩工作原理

1.1  充电桩插座接口及充电流程

本文立体车库充电桩采用爱普Poros 32交流充电桩，产品由智能控制板、智能电度量表、充电枪线、联网模块、执行构件及户外箱体等组成。如图1所示，充电桩插座采用标准七芯通用插座。其端子编号功能定义如下所示：CP为充电桩连接确认；CC为车辆控制装置连接确认；N为交流电源-零线；PE为保护接地，使电动汽车车身通过交流充电桩可靠接地；L为交流电源-相线（A/B/C）；NC1为预留；NC2为预留。

充电桩充电简要流程如下：①确认充电桩已经供电；②插好充电枪，扫码，开始充电；③通过小程序停止充电，拔下充电枪并收好。

1.2  交流充电桩工作原理

交流充电桩接口电路图如图2所示。交流充电桩在插枪操作之后，充电系统需要首先判断充电插头与车辆的充电插座之间是否连接完好；其次需要检测充电桩能提供的最大充电电流及充电电缆的额定电流，然后与车载充电机的额定输入电流比较，确定车载充电机当前允许的最大充电电流。

1.2.1  确认车辆连接

在充电枪插入汽车充电插座之后，充电系统会自动检测充电插头与车辆的充电插座之间是否连接完好，原理如下。

1）在充电枪没有插入车辆时，在车辆一侧，慢充口CC处的电压为12 V，此时CP处没有电压。在充电桩一侧，S1开关接通至12 V，枪口CP处电压为12 V，CC处电压为0 V。

2）将充电枪插入车辆充电口后，S3闭合，车辆一侧CC处的12 V电压经过RC和S3开关入地，这时检测点3的电压便不再是12 V，此时车辆控制装置可以通过检测点3的电压变化检测到充电枪是否已经插入到插口上。如果充电枪没有插到位，则S3开关（位于充电枪上）断开，检测点3的12 V电压不发生变化。

3）充电枪插入车辆充电口以后，充电桩一侧的12 V电压通过S1、R1，依次到达检测点1和检测点2，然后通过R3接地构成回路，此时检测点1及检测点2处的电压便不再是12 V，由于R1=1 000 Ω，R3=3 000 Ω的分压，检测点1和检测点2电压为9 V。

4）当充电桩一侧的充电控制装置检测到检测点1的电压为9 V以后，S1开关从12 V切换到PWM信号处，此时检测点1和检测点2会出现一个从9 V变化到-12 V的占空比信号。车辆一侧确认充电枪连接好以后，将S2开关闭合，回路电压从9V PWM变成6V PWM。此6V PWM电压信号为车辆充电控制装置向充电桩控制装置提供的反馈信号。

5）充电桩一侧供电控制装置检测到CP信号稳定在6 V以后，供电设备的K1和K2继电器闭合，交流电通过车辆充电口输入到充电机进行充电。

1.2.2  最大充电电流确定

在插枪连接确认完成以后，车辆测充电控制装置还需要确定最大充电电流，步骤如下。

1）车载充电装置通过检测点2的PWM波的占空比，来判断充电桩所能提供的最大供电电流，占空比越大，所能提供的供电电流越大，占空比一般小于100%。

2）车载充电装置通过CC来测量RC的大小，从而判断充电电缆的额定容量。例如：RC=1.5 kΩ，表示充电电缆的额定容量10 A；RC=100 Ω，表示充电电缆的额定容量63 A。

3）车载充电装置对充电桩能提供的最大充电电流、车载充电机的额定输入电流及电缆的额定容量进行比较，将这三者之间的最小值设为车载充电机当前允许的最大充电电流。

2  充电管理控制器设计

2.1  充电管理控制器功能设计

按照新的国家标准[2]，充电桩控制板一般不对第三方提供额外的控制功能，从而保护电动汽车的充电质量和充电安全。为解决这一问题，本文设计了一个充电管理控制器。充电管理控制器安装在充电盒与充电枪之间[3]，该充电管理控制器能够测量记录充电桩的充电起始时间、实时充电电流、实时充电电压、充电完成时间、充电总电量和充电桩的实时充电状态等数据，具有RS-485接口，通过数据转换单元（DTU）与服务器连接，将测量数据发送给服务器，服务器通过对各种参数的优化计算，合理分配各充电桩的充电时间，将控制命令发送给各充电桩的充电管理控制器[4]。充电管理控制器接收到计算机发送的充电命令，控制电车正常充电或以最小电流充电（6 A）。

2.2  充电管理控制器硬件设计

充电管理控制器由嵌入式控制器、时钟芯片、RS-485通信接口、电能计量模块和控制继电器等部分组成。控制器结构图和实物图如图3所示。

电能计量模块采用SUI-101A 高精度多功能交流变送器，可实时测量交流电流、电压、累计电量等参数。K3、K4继电器在控制器没有通电工作时，继电器处于断开状态，不影响充电桩正常工作。

2.3  充电管理控制器软件设计

充电管理控制器与数据转换单元（DTU）之间采用MODBUS协议进行数据通信。采用主从方式，数据转换单元（DTU）为通信主站，充电管理控制器为从站，从站地址从1到255。主站轮询从站获取从站数据或下发控制命令[5]。

充电桩控制逻辑如下所示：①控制器设有8位地址编码器，对应1～255范围的地址可以设定。控制器通过DI口读取本机地址编码器的地址数据，保存在对应寄存器中。②循环读取电量模块数据，存入对应寄存器。③控制器设有2位相线编码器，控制器从相线编码器读取相线数据，存入对应寄存器。④根据入口充电电压变化，确定充电起始和完成时刻，从时钟芯片读取时间，存入充电起始时间寄存器。⑤通过控制器中的出口侧电压检测电路，检测充电桩实时充电状态，存入对应寄存器。⑥采用MODBUS协议，接收到DTU发送的读寄存器命令（03H功能码），将充电桩数据传送至DTU。⑦接收DTU控制指令。收到DTU 写000DH寄存器命令，首先将控制字存储在000DH寄存单元，然后控制充电继电器K3、K4闭合或断开。

3  DTU设计

3.1  DTU的功能设计

DTU负责服务器和充电控制器进行数据交互，传递控制命令、收集充电数据，并获取区域基础负荷数据。DTU通过RS-485接口读取每台充电桩的充电起始时间、充电电流、充电电压、充电桩相线和充电总电量等实时充电状态数据，以及小区基础负荷总电能表中的基础负荷实时总电流、基础负荷三相实时电流、实时电压等数据，并通过以太网接口发送给服务器。

3.2  DTU硬件设计

DTU设置了com1到com11及comz共12个RS-485通信端口，其中com1通信端口与1#充电桩控制器连接，com2通信端口与2#充电桩控制器连接，以此类推，comz通信端口与小区基础负荷总电能表连接[6]。每个com口有4根线，2根电源线（GND/24 V），2根信号线（A/B），信号线传输数据，电源线给充电桩控制器（或电能表）供电。DTU实物图如图4所示。

DTU采集充电起始时间、实时充电电流、实时充电电压等充电桩实时充电状态等数据通过RS-485接口从现场控制器读取。小区三相基础负荷电流、电压数据通过从安装在小区供电系统入口处的基础负荷总电能表读取。

3.3  DTU软件设计

DTU读取每台电桩中充电管理控制器中数据，存储在对应寄存器中。DTU既需要与充电桩控制器通信，也要与上位计算机通信。DTU软件整体设计如下。

DTU与充电桩控制器通信，采用MODBUS协议，从1#到11#充电桩控制器，每60 s轮询一次，读取各充电桩充电数据与工作状态，将数据存入对应寄存器。

上位机每15 min与DTU通信一次，读取各充电桩数据，然后进行优化计算，确定每台充电桩下一步的工作状态（充电或停充），并将控制指令下发DTU。

DTU收到上位机控制指令，首先将控制指令存入对应的寄存单元，然后下发至各充电桩控制器。

各充电桩控制器收到DTU写000DH寄存器命令，首先将控制字存储在000DH寄存单元，然后控制充电继电器K3、K4闭合或断开。

DTU向各控制器发送数据或命令，若收不到应答信号，则判为通信不畅，对应寄存器置0，若通信正常，对应寄存器置1。

4  电动汽车有序充电智能管控装置实物连接

第2、3节完成了对充电管理控制器和DTU的设计，充电管理控制器接收到计算机发送的充电命令，控制电车充电。DTU设备作为数据传输的核心组件，实现数据的实时采集、传输、处理。本节将介绍电动汽车有序充电智能管控装置整体连接结构，具体结构连接如图5所示。DTU通过网线接入内网交换机或者与电脑直接连接；DTU通过4芯航空接头与三相电量采集模块相连，获取小区基础负荷；DTU通过4芯航空接头与充电管理控制器相连，为充电管理控制器提供12 V电源并与其通过RS-485进行通信；DTU通过电源线与220 V电源连接，进行供电。充电管理控制器除了与DTU通过4芯电缆相连外，还通过电缆与充电枪和充电桩相连。

5  结束语

针对现有充电桩无法远程管理控制和数据采集的问题，本文设计了一款电动汽车有序充电智能管控装置，重点研发了充电管理控制器和DTU。充电管理控制器通过接收来自服务器的指令，可以实现对充电桩的远程控制。同时充电管理控制器还可以实时采集充电桩的充电状态信息，并将这些信息传输给服务器，以便用户和管理员进行查看和监控。DTU通过RS-485接口与每台充电中的充电控制器及基础负荷总电度量表进行通信，同时通过以太网接口与服务器进行通信，从而实现了数据的远程传输与中转。有序充电智能管控装置实现了对充电桩的远程管理和监控，提高了充电桩的使用效率和安全性。同时，该装置还可以实时采集充电状态信息，为用户的充电行为提供参考和指导。

参考文献：

[1] 陶磊，武建涛，王力，等.垂直循环式立体车库控制系统的设计[J].起重运输机械，2020（17）：55-58.

[2] 电动汽车传导充电系统-第1部分：通用要求：GB/T 18487.1—2015[S].中国电力企业联合会，2015.

[3] XU H. Design and application of intelligent charging pile system based on cloud platform[J]. Front Soc Sci Technol， 2019，1（2）：37-45.

[4] 钱建华.新能源汽车充电桩控制系统设计研究[J].装备制造技术，2022（6）：114-116，134.

[5] 温正阳.基于SoC FPGA的充电控制系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2019.

[6] 陈国平，简献忠，肖儿良，等.1.5Bit数模转换单元电路设计[J].微计算机信息，2010，26（35）：184-185，188.