電動(dòng)汽車充換電交流充電樁的設(shè)計(jì)

1、智能檢測(cè)與工程控制課程論文論文題目： 電動(dòng)汽車充換電交流充電樁的設(shè)計(jì) 作 者： 高星辰 學(xué) 號(hào)： 141835012 所在學(xué)院： 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 任課老師： 張金龍 教授 論文時(shí)間： 2015年6月15日 電動(dòng)汽車充換電交流充電樁的設(shè)計(jì)高星辰(南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 210042)摘要石油資源屬于不可再生資源，同時(shí)化石燃料的燃燒不僅對(duì)環(huán)境造成了污染，同時(shí)還產(chǎn)生了溫室氣體，因此，為了保護(hù)環(huán)境，具有良好的環(huán)保節(jié)能效益的電動(dòng)汽車逐漸走入人們的生活。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，在配電網(wǎng)中屬于間歇性、分布式、隨機(jī)性的電力負(fù)荷，同時(shí)為了讓人們使用更加方便快捷，電動(dòng)汽車的充換電站應(yīng)該在短時(shí)

2、間內(nèi)完成對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，這樣，短時(shí)間內(nèi)完成充電，必然對(duì)配電網(wǎng)造成一定的影響。電動(dòng)汽車充電設(shè)備的發(fā)展對(duì)電動(dòng)汽車整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有著很重要的影響。電動(dòng)汽車充換電交流充電樁作為最常見的電動(dòng)汽車充電裝置，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展的影響舉足輕重。關(guān)鍵詞電動(dòng)汽車；充換電裝置；交流充電樁；影響Design of AC  electric vehicle charging postsXingchen GaoAbstract: The oil belongs to the non-renewable resources. Fossil fuels not only caused the poll

3、ution to the environment, but also produced greenhouse gas when burning.In order to protect the environment, electric vehicles comes into people's life. EVs, belongs to the power load of intermittent, distributed, randomness in distribution network. Also, in order to be more convenient and quick

4、 for EVs'uesers, people want to charge their EVs in a short time,which will cause certain influence to the distribution network. and the whole industry. Electric vehicle in electric ac charging pile is the most common type of EVs charging device, is quite important to development of electric veh

5、icles.Key words:EVs; Charging and switching devicCharging and switching device1引言目前，電動(dòng)汽車核心技術(shù)的不斷突破，加之政策的大力扶持，在未來兩年內(nèi)電動(dòng)汽車會(huì)進(jìn)入成長(zhǎng)快速期，電動(dòng)汽車的市場(chǎng)及生產(chǎn)規(guī)模會(huì)迅速擴(kuò)大。電動(dòng)汽車充電設(shè)施是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中不可忽視的重要組成部分，在大力發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的同時(shí)還應(yīng)充分兼顧充電設(shè)施的發(fā)展。由于電能是一種二次能源，隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車及其配套設(shè)施充電站的建設(shè)，也要朝智能化，高效利用電力資源方向發(fā)展電動(dòng)汽車充電樁采用的是交、直流供電方式，以電能作為動(dòng)力，解決了因汽車尾氣而造

6、成的環(huán)境污染，適合低碳城市的發(fā)展。近年,作為充電站建設(shè)配套設(shè)施的電動(dòng)汽車充電樁也因此得到了迅猛的發(fā)展。 交流充電樁是一種供電裝置，主要是為固定安裝在電動(dòng)汽車上的車載充電機(jī)提供交流電源的。交流充電樁沒有充電功能，只提供電力輸出，需連接車載充電機(jī)為電動(dòng)汽車充電。 交流充電樁設(shè)計(jì)要求的功能規(guī)范主要有以下幾點(diǎn)： 交流充電樁可以提供 AC220V/7kw 供電能力； 交流充電樁要具備相應(yīng)的保護(hù)功能，如漏電、短路、過壓、欠壓、過流保護(hù)等， 以確保其自身安全可靠運(yùn)行； 交流充電樁應(yīng)具備必需的人機(jī)接口，如顯示、操作等 ； 交流充電樁應(yīng)具有交流充電計(jì)量功能； 交流充電樁應(yīng)設(shè)置支持 RFID 卡、IC 卡等常見的

7、刷卡方式的必要的刷卡接口，并配置打印機(jī)，提供票據(jù)打印功能； 交流充電樁還應(yīng)具備充電接口的連接狀態(tài)判斷、控制導(dǎo)引等完善的安全保護(hù)控制功能。 綜合交流充電樁設(shè)計(jì)要求的功能，設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)原理框圖如下：圖1.1交流充電樁電氣系統(tǒng)原理框圖2 充電樁硬件電路設(shè)計(jì) 2.1 控制器硬件整體 充電樁控制系統(tǒng)是充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，采用C44B0X 微處理器進(jìn)行控制管理電池管理系統(tǒng)從控制器、充電機(jī)、與從控制器及上位機(jī)進(jìn)行通訊，CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)通訊，和動(dòng)力電池組基本信息的采集和狀態(tài)顯示等，充電樁控制器硬件框圖如圖 2-1所示。 C44B0X 控制器系統(tǒng)的控制下，用戶可自助刷卡實(shí)現(xiàn)用戶鑒權(quán)、余額查詢、計(jì)費(fèi)

8、查詢等功能。用戶還可根據(jù)液晶顯示屏指示選擇充電模式，包括按時(shí)間充電、按電量充電、自動(dòng)充滿、按金額充電等。圖2-1充電樁控制器硬件框圖 時(shí)控制系統(tǒng)硬件主要包括微處理單元電路、電能輸出控制單元電路以及控制系統(tǒng)電源電路。一部分是針對(duì)充放電控制的電路，包括信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路；另一部分則是微處理單元電路、電能輸出控制單元電路、控制系統(tǒng)電源電路以及傳統(tǒng)的 S3C44B0X 的外圍電路，其中包括實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所需要的 5V、3.3V、2.5V 電壓轉(zhuǎn)換的電源電路、液晶顯示接口電路、NandFlash 電路設(shè)計(jì)、NorFlash 電路設(shè)計(jì)、聲光報(bào)警電路等。2.2 電源電路 S3C44B0X 的 I/O 接

9、口采用的是 3.3V 供電，內(nèi)核采用的是 2.5V 供電，但是系統(tǒng)的外部是用 5V 直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電的。這就要考慮到系統(tǒng)供電的可靠穩(wěn)定性，因此我們要通過選擇合適的旁路、去耦電容，來消除各種干擾信號(hào)，最終選用集成線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換芯片對(duì)內(nèi)核和 S3C44B0X 的 I/O 口進(jìn)行供電。 本系統(tǒng)分別選用 LM1117-2.5 電源轉(zhuǎn)換芯片和 LM1117-3.3 電源轉(zhuǎn)換芯片來現(xiàn)5V 電壓到 2.5V 電壓的轉(zhuǎn)換以及完成 5V 電壓到 3.3V 的電壓轉(zhuǎn)換。如圖 2-2所示的電路中，電容和電解電容起到了提高回路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)的作用：電容的作用是濾除高頻信號(hào)，電解電容的作用是濾除低頻信號(hào)。圖2-

10、2 電源電路2.3 NorFlash 電路設(shè)計(jì) 在處理器工作的過程中，難免避免掉電情況的發(fā)生，掉電后仍需要保存的數(shù)據(jù)和代碼是通過 ROM 來保存的，可是處理器 S3C44B0X 自身不帶 ROM，掉電后就需要通過外接 ROM 來保存需要的數(shù)據(jù)和代碼。 Flash ROM 很適合作為處理器 S3C44B0X 的外接 ROM,它具有以下優(yōu)勢(shì)： Flash ROM 在處理器斷電的情況下，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息并不丟失，所以它是長(zhǎng)壽命、非易失性存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器是以固定區(qū)塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)刪除的，而不是以單個(gè)字節(jié)為單位的，且各個(gè)單位的區(qū)塊大小大致是 256KB20MB。Flash ROM 與EEPROM 功能相

11、似，但它不是整個(gè)芯片的擦寫，而是在字節(jié)水平上的刪除和重寫。這也是 Flash ROM 與 EEPROM 不同的地方，實(shí)際上 Flash ROM 更新速度較 EEPROM快。 Flash ROM 與處理器之間的交互所采用的是標(biāo)準(zhǔn)總線接口，控制器對(duì)它的讀取僅需通過硬件設(shè)定 OM10 和大小端，很方便地計(jì)算出 Flash ROM 的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和位序，而不需要任何軟件上的繁瑣設(shè)置。 Flash ROM 要存放系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼，系統(tǒng)啟動(dòng)代碼應(yīng)該放置在地址 0x00000000處，系統(tǒng)上電復(fù)位后，處理器就會(huì)從 0x00000000 地址處開始取指令運(yùn)行。本設(shè)計(jì)選用的片外 ROM 是 SST 公司的 CMOS

12、多用途 Flash ROM SST39VFl601,其容量是1M× 16b，芯片內(nèi)部有一個(gè) 256 位的安全 ID 空間、可靠性較強(qiáng)。它的特點(diǎn)是：低功耗、快速讀取、能鎖存地址和數(shù)據(jù)、能自動(dòng)進(jìn)行寫時(shí)序、寫結(jié)束的檢測(cè)，并且其與CMOS 電平的 I/O 口相兼容、符合電子器件工程聯(lián)合委員會(huì)（JEDEC）標(biāo)準(zhǔn)。 如圖 2-3所示的是 S3C44B0X 控制器和 SST39VFl601 之間的接口電路，SST39VFl601 的數(shù)據(jù)寬度為 16 位，數(shù)據(jù)接口為 DQ150。Flash ROM 映射在處理器的 Bank0 的地址空間，因此 SST39VFl601 的片選線與處理器 S3C44B0

13、X 的 nGCS0相連接。又由于微處理器 S3C44B0X 是按字節(jié)編址的，SST39VFl601 的存儲(chǔ)單元是以 16 位為一個(gè)單元的，因此 S3C44B0X 的地址位 ADDR201 對(duì)應(yīng)著 SST39VFl601的地址 A190，相當(dāng)于處理器的地址 “左移”了一位。圖2-3 S3C44B0X 控制器和 SST39VFl601 的接口電路2.4 NandFlash 電路設(shè)計(jì) 在充電樁控制系統(tǒng)中，S3C44B0X 是硬件部分的中央處理器，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-II 是硬件資源的調(diào)度中心，它和啟動(dòng)程序就存放在 FLASH ROM 中。本控制系統(tǒng)把電壓、電流和溫度傳感器的歷史記錄存放到 Nan

14、dFlash 中，以方便監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢，實(shí)現(xiàn)很好的人機(jī)交互功能。 當(dāng)需要存儲(chǔ)少量的代碼、需要多次擦寫的情況下，NorFlash 更適合一些;而當(dāng)面對(duì)高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的情況下，NandFlash 就比較適合。Nand 結(jié)構(gòu)提供了極高的單元密度,并且寫入和擦除的速度也較 NorFlash 快。S3C44B0X 控制器也沒有直接提供與NandFlash 存儲(chǔ)器的接口解決方案，因此在讀寫的過程都要靠軟件編程來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)選用了三星公司生產(chǎn)的 NAND 型存儲(chǔ)芯片 K9F2808U0C，它是 NAND 結(jié)構(gòu) FLASH存儲(chǔ)器件，是一款性價(jià)比頗高的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 該芯片的特點(diǎn)是：供電電壓時(shí) 2.7V3

15、.6V；芯片容量是 132Mbits，由 1024塊組成，每塊由 32 頁組成；讀和寫以頁為單位，擦除以塊為單位，其讀、寫、擦除操作都很方便地通過命令來完成的；其有 8 位可復(fù)用的并行口，可作為地址和數(shù)據(jù)的輸入輸出引腳，還可作為命令的輸入引腳。S3C44B0X 控制器與 K9F2808U0C的接口電路如 2-4 圖所示。在圖中，GPC0 為輸入，GPC1GPC3 為輸出，K9F2808U0C的 GPC0GPC3 作為信號(hào)控制線，或門 74HC32 產(chǎn)生了 NandWE 和 NandRE 的信號(hào)。圖2-4 S3C44B0X 控制器與 K9F2808U0C 的接口電路2.5 LCD 接口設(shè)計(jì) 本設(shè)

16、計(jì)選用的控制芯片 S3C44B0X 集成有常用的 LCD 液晶顯示器控制單元。同一個(gè)液晶控制器可以控制不同的液晶屏幕。LCD 驅(qū)動(dòng)控制器可通過編程來設(shè)置不同的行和列像素?cái)?shù)、接口時(shí)序、屏幕刷新率以及數(shù)據(jù)總線寬度。LCD 控制器的外部接口信號(hào)有：幀同步信號(hào) VFRAME、線同步脈沖信號(hào) VLINE、像素時(shí)鐘信號(hào) VCLK和 LCD 驅(qū)動(dòng)器的 AC 信號(hào) VM 等。它們的作用分別為： 幀同步信號(hào)是為與顯示信號(hào)的幀保持?jǐn)?shù)據(jù)同步而告知新信號(hào)的開始，該信號(hào)的信號(hào)線與 LCD 模塊的 FRM 信號(hào)線相連接； 線同步信號(hào)是實(shí)現(xiàn)液晶控制器將水平線數(shù)據(jù)移到液晶驅(qū)動(dòng)器、液晶驅(qū)動(dòng)器又將移位寄存器的內(nèi)容送入 LCD 顯

17、示的過程； 像素時(shí)鐘信號(hào)是在時(shí)鐘的上升沿送出液晶控制器的數(shù)據(jù)，液晶驅(qū)動(dòng)器在時(shí)鐘下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣； 液晶驅(qū)動(dòng)器的 AC 信號(hào)是為改變行和列的電壓極性，控制像素點(diǎn)的顯示和熄滅。圖2-5 控制器的邏輯圖2.6 交流充電樁控制導(dǎo)引電路設(shè)計(jì) 控制導(dǎo)引電路的作用有： 充電前，確認(rèn)交流充電樁與電動(dòng)汽車的連接正確與否； 識(shí)別供電的功率和充電連接裝置的載流能力； 充電過程的監(jiān)測(cè)。 根據(jù)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范第 5 部分:交流充電樁的規(guī)定，控制引導(dǎo)電路的原理接線方式如圖 2-6所示。首先，交流充電樁判斷接頭是不是已完全接入到車輛插孔中，這是通過檢查監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓值來實(shí)現(xiàn)的；接頭插入插孔中后，S1 開關(guān)會(huì)閉合，繼

18、而振蕩器的信號(hào)會(huì)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)點(diǎn)，充電樁自檢完畢，準(zhǔn)備實(shí)施充電。 充電起始階段：可靠連接電動(dòng)汽車的充電插頭和充電樁的供電插座，控制引導(dǎo)電路閉合，當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)的電壓減半時(shí)表明車輛已經(jīng)正確連接車輛接收占空比判斷信號(hào)，設(shè)置車載充電機(jī)到相應(yīng)負(fù)荷的工作狀態(tài)正電壓減半狀態(tài)被檢測(cè)到持續(xù) 2 秒后，充電樁負(fù)荷開關(guān)閉合，開始供電；充電中：車載充電機(jī)對(duì)電池充電過程中，引導(dǎo)控制電路持續(xù)工作檢測(cè)點(diǎn)的電壓在回路中出現(xiàn)任意斷點(diǎn)時(shí)都將改變，充電樁會(huì)即時(shí)斷開負(fù)荷開關(guān)，中斷充電過程充電樁接收上層負(fù)荷控制信號(hào)，并及時(shí)調(diào)整振蕩信號(hào)的占空比，進(jìn)而調(diào)整車載充電機(jī)的輸出功率。圖2-6控制引導(dǎo)電路的原理接線圖 充電電纜實(shí)現(xiàn)充電樁與電動(dòng)汽車連接過程

19、中的檢測(cè)電路的原理如圖 2-7所示。準(zhǔn)備充電時(shí),充電樁內(nèi)部的供電控制裝置可根據(jù)測(cè)量的檢測(cè)點(diǎn) 2 的電壓值，判斷出供電插頭與車輛插頭是否己經(jīng)充分連接好,并通過判斷檢測(cè)點(diǎn) 3 的 PWM 信號(hào)占空比確認(rèn)當(dāng)前充電樁的最大供電電流;充電過程中,充電樁不間斷地對(duì)檢測(cè)點(diǎn) 2 的電壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè),保證充電電纜的可靠連接。圖2-7 充電電纜連接檢測(cè)電路原理2.8 電能輸出通斷控制設(shè)計(jì) 從前面小結(jié)介紹中我們了解到，當(dāng)檢測(cè)到導(dǎo)引電路正電壓減半狀態(tài)維持 2秒后，充電樁閉合負(fù)荷開關(guān)，開始供電；若回路中出現(xiàn)了任意斷點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)處電壓就會(huì)改變，充電樁立刻斷開負(fù)荷的開關(guān)，充電過程中斷。那么是什么器件控制充電電能輸出通斷的呢？

20、本論文設(shè)計(jì)的交流充電樁中控制充電電能輸出通斷的設(shè)備是交流接觸器。但是，交流接觸器的電磁線圈的工作電壓是 220V,大大超出了控制系統(tǒng)電源電壓范圍。因此,本文設(shè)計(jì)了利用小型繼電器作為中繼控制單元的級(jí)級(jí)串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，如圖 2-8。圖2-8 充電電源級(jí)級(jí)控制示意圖 這樣的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)板載控制電路繼電器交流接觸器的級(jí)級(jí)控制。另外,設(shè)計(jì)板載控制電路如圖 2-9,該電路的原理是：低電平選通微處理器指定管腳信號(hào)時(shí),控制信號(hào)將經(jīng)光耦隔離，接而將 24VDC 電壓的輸出導(dǎo)通、繼電器閉合導(dǎo)通 220VAC電壓輸出。隨之，交流接觸器的主觸點(diǎn)閉合,輸出交流充電電能;反之，交流接觸器的主觸點(diǎn)斷開,截?cái)嚯娔茌敵?。圖2-9

21、電能輸出的通斷控制電路原理圖3 結(jié)束語 本文首先分析了交流充電樁的功能并設(shè)計(jì)了交流充電樁的電氣原理圖，然后對(duì)車載充電機(jī)進(jìn)行了整體介紹，最后結(jié)合控制器及充電樁系統(tǒng)的需求對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)本系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)的特點(diǎn)，結(jié)合處理器和操作系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，創(chuàng)新性的將S3C44B0X 處理器與 C/OS-II 操作系統(tǒng)完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了控制充電樁與充電機(jī)的正確連接、與電池管理系統(tǒng)的通信、充電電池的均衡控制、與監(jiān)控系統(tǒng)的通信以及通過人機(jī)交互面向用戶提供人機(jī)交互接口等。電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)的系統(tǒng)，比較復(fù)雜，本文對(duì)其只進(jìn)行了初步方案的研究，由于時(shí)間、研究條件以及自身能力的限制，一些問題還存在不足，相關(guān)的理

22、論問題和技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題還待研究與探討。參考文獻(xiàn) 1 陳良亮，張浩等電動(dòng)汽車能源供給設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展探討J電力自動(dòng)化系統(tǒng)， 2011，35(14)：1117 2 辛華低碳經(jīng)濟(jì)與電動(dòng)汽車發(fā)展：趨勢(shì)與對(duì)策J開放導(dǎo)報(bào)，2009(5)：3135 3 Erol-Kantarci, M. Sarker, J.H. Mouftah, H.T. Communication-based Plug-In Hybrid Electrical Vehicle load management in the smart gridC. 2011 IEEE Symposium on Computers and Communic

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