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新能源汽车充电桩控制系统设计研究

钱建华 2022/9/13 20:19:41

   (常州交通技师学院,江苏常州,213000)
  
   摘要:新能源汽车对于充电装置的控制要求较高,该装置容易受到环境因素的影响, 出现充电安全问题。由于当前国内新能源汽车充电桩研发时间比较短,开发的充电桩控制系统存在一些不足之处,未能满足汽车充电安全性要求,大规模充电环境发生安全问题频率较高。为了达到满足新能源汽车充电控制需求的目的,以控制稳定性、大规模接入电网作为突破口,选取STM32系列单片机作为核心控制器,提出新的充电控制系统研究。研究方法:以三相交流充电桩为例,分析此类电桩作业原理,利用STM32F105VCT6核心处理器操控系统信息模块、电能计量、电源模块、辅助硬件设备、安全防护模块、充电控制引导模块,借助TTL串口通信,建立各个模块之间的通信连接,以此控制充电桩现场作业状态。根据三相电压和电流检测结果,结合控制引导状态,下达车辆充电控制命令,从而实现高质量充电控制。系统测试结果表明,该系统设计方案能够提高控制稳定性,支持大规模接入电网,充电控制实时性较高,有助于充电桩控制水平的提升。通过本文内容的探究,对新能源汽车充电安全性的提升有所帮助,同时也可以作为充电桩控制系统优化参考依据。
   关键词:控制系统;充电桩;三相交流充电
  
   全球节能减排政策的推行,打破了传统汽车能耗模式,以电动取代燃油,目前多个城市已经开始推广新能源汽车[1]。为了满足此类汽车充电需求,为其配备充电桩。当前市面上应用比较多的充电桩有两种,充电电流模式不同,分别是直流充电和单相交流充电[2]。前者虽然充电速度较快,但是充电期间形成的冲击电流对汽车电池使用寿命影响较大,后者虽然对电池的损伤较小,但是无法满足高速充电需求,并且不适合大规模接入电网,容易引发三相不平衡问题[3]。三相交流充电桩以三相电接入电网,不会引发三相不平衡问题,同时对电池的影响较小,且充电速度较快,可谓是单相桩和直流桩优点的结合体。由于车载充电机充电控制难度较大,当前尚未实现此项技术的应用研究,本文尝试选取STM32系列单片机作为核心控制器,提出一种三相交流充电桩控制系统研究。
   1 系统总体架构设计
   该系统以STM32F105VCT6作为核心处理器,对系统信息模块、电能计量、电源模块、辅助硬件设备、安全防护模块、充电控制引导模块加以操控,采用TTL串口通信,建立各个模块之间的通信连接,从而实现充电桩现场作业控制[4]。其中,处理器的工作频率为72MHz,引脚数量为100个,符合汽车充电运行需求。一般情况下,充电运算达到1.25DMIPS时,便可以满足大部分汽车充电效率控制需求,当前系统选取的核心控制器满足该要求。如图1所示为系统总体架构。
  


   图1 系统总体架构
   该系统在核心控制器的作用下,能够实现对各个模块的操控。以下为各个模块作业下实现的主要功能:
   (1)信息采集模块功能:利用各类装置检测工具采集当前作业状态信息,作为系统其他功能模块作业命令下达、状态判断的参考依据。其中,涉及到的主要信息包括漏电信息、电磁锁信息、输出继电信息等。
   (2)电能计量模块功能:以有功功率、有/无功能量、三相电流和电压作为测算对象,通过电能计量,掌握汽车当前充电情况。
   (3)电源模块功能:为充电桩提供恒定直流电压,从而保证系统作业期间电流和电压得以稳定。
   (4)控制引导模块功能:该模块以充电控制时序、接口连接状态作为控制引导对象,根据汽车电池连接充电桩状态及下达充电操控命令情况加以控制充电模块,同时提供引导服务。
   (5)安全防护模块功能:为人身安全和设备安全提供保障,在充电桩控制体系中增加急停开关、漏电保护设备、避雷器等。
   (6)人机交互模块功能:为了便于查看充电桩作业状态及下达控制命令,借助无线通信模块,将充电桩现场作业信息发送至管理中心计算机,为用户提供终端服务。
   (7)辅助模块功能:为了满足其他操控需求,在充电桩现场安装触摸屏、指示灯、读卡器、备用接口、无线通信模块等。
   2 系统硬件设计
   根据系统总体框架结构,对系统的硬件开发展开探究。该系统的硬件设计以系统检测为主,选择控制引导状态、三相电流和电压作为检测对象,根据测量结果,掌握充电桩当前作业状态和下一步作业控制需求,配合软件控制,实现高质量新能源汽车充电控制[5]。如图2所示为系统充电桩控制引导基本原理。
  
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