浅析电动汽车直流充电桩控制系统设计

浅析电动汽车直流充电桩控制系统设计

刘智卢铭宇张亮姜楠董晓于霖

（国网辽宁省电力有限公司大连供电公司辽宁大连116001）

摘要：社会经济发展促进人们物质生活水平的提高，汽车数量及规模迅速增长，这也造成汽车尾气排放量增长迅速，带来严重的生态环境问题。电动汽车就是在这种背景出现的，虽说电动汽车可以有效缓解环境污染，但其本身受到电池容量及充电难等问题的影响，对电动汽车的发展推广造成极大影响。因此有必要做好电动汽车直流充电桩系统设计工作。

关键词：电动汽车；直流充电桩；控制系统；设计

目前我们国家面临着严峻的生态环境恶化问题，在这样的形势下，人们生活中出现大量的电动汽车，在给人们带来方便保护环境的同时也给人们提出更高的技术要求，其中就需要做好电动汽车质量充电桩控制系统设计。作为给电动汽车提供能源的装置，直流充电桩本身具有可直接充电的特性，因此有必要做好电动汽车直流充电桩控制系统设计研究工作。

一、直流充电桩的概述

电动汽车充电站（桩）的建设正在世界各国迅速铺开。日本、美国、德国等国家已经全面开展电动汽车充电桩建设的计划。近年来，中国各地纷纷建立电动汽车充电站（桩）。截止2014年底，我国共建成780座充电站，3.1万个充电桩，为超过12万辆电动汽车提供充电服务。2015年以来，我国接连出台了《关于加快电动汽车充电基础设施的指导意见》和《电动汽车设施发展指南（2015—2020）》，明确提出到2020年要完成为500万辆电动汽车配套建设相应规模的充电基础设施的任务目标。我国电动汽车充电基础设施行业发展潜力巨大，未来市场前景广阔。充电桩可以固定在地面或墙壁，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。直流充电桩是固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，可以为车载动力电池提供直流电源的供电装置。直流充电桩可以提供足够大的功率，输出的电压、电流调整范围大，可以实现快充的要求，但是会对电网构成一定的损害，因此在建设过程中应该加强对电网的保护。

二、电动汽车直流充电桩设计原理

电动汽车交流充电桩采用的是交、直流供电方式，交流工作电压是220V或者380V，可以针对不同型号的电动车，采用相应的电压等级进行充电，普通纯电动轿车用充电桩充满电需要4-5个小时。直流充电桩的输入电压采用三相四线AC380V，频率50HZ，可提供足够的功率，并且输出为可调直流电，因此可满足快充的要求。电动汽车充电桩、集中器、电池管理系统、充电管理平台等相辅相成，构成了充电桩系统。本文中电动汽车直流充电桩充电模块的原理：整流滤波处理三相交流电后，将交流电转为直流电提供给IGBT桥。接着IGBT桥被控制器通过驱动电路作用，再次实现直流与交流的转换。转换后的交流电通过高频变压器的变压隔离后经过整流滤波变为直流脉冲，实现对电动汽车电池组的充电。充电过程中控制器会自主检测电池端电压及电流大小，自动调整充电参数。为了保护直流充电桩控制系统运转的正常，设计过程中设计了过流保护电路、过压保护电路及过温保护电路三重保护电路，有效提高系统安全性。充电模块原理框图如图1。

三、电动汽车直流充电桩控制系统硬/软件设计

3.1硬件设计

直流充电桩控制系统本身结构复杂，由很多构件组成，常见的包括主控板、指示灯以及接触屏等部分。主控板是直流充电桩最核心的组成部分，是有效控制充电过程中的主要元件。实际充电过程中主控板将充电桩的工作数据采集后通过多种通讯方式传输至后台。主控板的功能特点包括6个串口，下位机检测及数据采集办卡通过顺行总线与监测充电桩CPU模块通信，为了方便观察上位机具备显示功能；设置监控单位是为了更好的监测充电桩的运行状态，包括尽显输入电压、充电时输出电压等状态进行全方位检测，及时发现故障采取措施进行完善，确保充电桩控制系统运行正常。

3.2软件设计

当电动汽车充电的时候，操作人员只需将充电桩的充电手柄与电动汽车充电插口对接，确保两者充分接触后将IC卡片放置在刷卡区，操作者只需要按照相关提示操作即可：充电接口连接以后，根据需要选择合适的充电模式，选择好之后方可进行充电；充电过程中监控单元起着监测作用，监控充电电压电流、充电接口等环节的实施情况，一旦发现异常则会发出警报，提醒相关人员及时采取措施。编写主程序的时候，坚持模块化的原则，如此才能确保充电桩运行的高效性。主程序分为中央控制、通讯等模块。当激活充电桩后，各模块在主程序的协调下顺利完成整个流程，并确保运行过程中各个模块之间不会产生影响。

四、电动汽车直流充电站发展趋势

高效率。目前国家能源紧缺，在电源高效率的保证下才能使能量得到最大化的利用，在需要大规模充电的场合将减少大量的电能，对于国家能源紧缺的问题具有非常现实的意义，能使电动汽车得到最长远的发展。

①高功率因数。功率因数的提高，可以减少无功损耗，有利于减小对电网的谐波污染，同时可使充电电源的大规模化提供了实现的可能。②高功率密度。现在电子设备都向着小型化、轻量化发展，高的功率密度可以减少设备的体积、节省设备的空间，便于多个模块的集成和扩展，为企业减少系统的设计成品、建设成本和维护成本。③宽电压范围。目前电动汽车尚无统一的标准，各个车系的充电电压都不同，宽的电压范围可以给不同电压等级的电动汽车充电，减少设备的冗余。低纹波系数。充电设备运行过程中产生的纹波系数太大会对电动汽车的电池寿命有所影响，同时也会带来其他问题，比如产生谐波，降低设备的效率，产生的噪声会对控制系统造成干扰，因此为了使系统正常可靠性工作，必须让纹波系数达到最小。④智能化。将电动汽车进行智能信息化改造，可以增强电动汽车的安全可靠性；如果将电动汽车联网，既可以实现智能化交通管理，又能拓展出新的使用功能，对防止交通堵塞，减低能源消耗，减少交通环境污染有重要的作用。

结语

电动汽车直流充电桩控制系统是一个多任务系统集合，整体结构较为复杂，本文中笔者对此进行初步的研究，受到时间、设备及自身能力等因素的影响，相关研究还不是很完善，未来的研究可以朝着以下几个方向进行：如何优化电动汽车直流充电桩控制系统软硬件设计，促进系统性能的提高；电池管理系统对电池组均衡控制的策略分析，提高电池组控制效率，确保电池组运行安全；降低设计成本提高设计质量，设计出更加优秀的充电桩网络，确保系统运行安全。

参考文献：

[1]伍祎翌．新能源汽车购买行为及环境影响效果分析[J]．华东科技：学术版,2017．

[2]鲁莽,周小兵,张维．国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J]．华中电力,2010．

[3]侯庆红,陈金华,高青．纯电动汽车动力电池及其充电技术初探[J]．汽车实用技术,2017．

作者简介：

刘智（1985.11.18）性别：男，籍贯：天津，民族：汉，学历：本科，职称：工程师，研究方向：电动汽车，单位：国网辽宁省电力有限公司大连供电公司。