V2G直流充电桩的设计

邵 伟 伟

(安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243000)

V2G直流充电桩的设计

邵 伟 伟

(安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243000)

低碳、环保作为新时期的发展理念，将贯穿着资源节约型和环境友好型社会的建设，其中低碳、环保、节能的电动汽车将成为今后人们使用的主流交通工具。然而,电动汽车在蓬勃发展的同时，与其配套的充电桩的建设却明显的落后许多，成为制约电动汽车发展的一个重要因素，所以充电桩的建设，成为了一个急需解决的问题。基于此种背景，设计一种电动汽车充电桩，使之在日常生活中为电动汽车充电。

充电桩; V2G;硬件;软件

在全球工业蒸蒸日上的同时，共同面临的能源缺乏与环境恶化问题却愈演愈烈，今后将严重的威胁到人类社会的发展，人们渐渐地意识到环境保护的重要性，各国政府都在积极地进行节能减排。在此背景下，清洁无污染的电动汽车，逐渐地进入了人们的视野，在政府政策的支持和市场的导向下，电动汽车产业将迎来发展的春天。

电动汽车因其低碳、低噪、运行成本低、易维修等特点[1]，受到了人们的喜爱。随着人们环保意识的增强和政策的指引，人们对电动汽车的需求日益增长，在电动汽车产业快速发展的同时，却因为充电桩数量不足而影响到电动汽车产业的发展。一般情况下，电动汽车的活动范围取决于充电桩的位置与数量，只有拥有数量足够多的充电桩才能保证人们的正常出行，所以对充电桩的研发就特别的重要。

1 充电桩的设计原理

现阶段我国充电桩通常采用的充电方案是慢速充电与快速充电[2]，慢速充电也就是常规充电，它采用小电流进行充电，充电的成本低，小电流对电动汽车电池组的损害比较小，但充电慢，耗时较长；快速充电采用的是大电流进行充电，充电时间较短，但大电流对电动汽车电池组的损伤比较大。

在社会快速发展的同时，人们的生活节奏将日益加快，时间就相对比较紧张，所以对电动汽车进行快速充电，会受到越来越多的车主的青睐。本文设计的充电桩采用的是直流快速充电模式进行充电，在设计充电桩的同时，又采用了现在主流的V2G技术理念，在给电动汽车充电之余，将多余的电能，反馈给电网，从而在一定程度上也能缓解国内用电的压力，在服务车主的同时，又能给车主带来一定的经济利益，其具体原理如图1所示。

本文采用MSP430单片机作为控制系统的核心。用户在刷卡后，通过人机界面进行交互，选择充电或向电网回馈电能；经检测装置检测设备正常后，主电路开始工作；电动汽车充电或向电网回馈电能所产生的费用将由双向智能电表进行计费；在检测到电动汽车充电或放电结束后，将主电路断电，并将此次活动所产生的费用打印出来；为保障用户的用电安全，充电桩也配备了保护装置，当过电压或过电流时，保护装置将充电桩断电。

2 充电桩硬件的设计

2.1 V2G直流充电桩的功能

按照相关产品的要求，本文基于V2G技术设计了直流充电桩， 其主要功能有：

图1 充电桩设计原理图

(1)给电动汽车进行直流快速充电，并可以在车主不使用电动汽车时，将电能反馈给电网，给车主带来一定的收入。

(2)采用双向智能电表对电动汽车充电或放电过程进行计费，并把计费结果传输给单片机。

(3)使用发光二极管显示工作状态，绿光为充电状态，蓝光为放电状态。

(4)提供人机交互功能，让车主通过人机界面进行操作选择。

(5)通过IC卡进行支付或收费。

(6)具有过电压、过电流、漏电检测功能，经检测后进行断电。

(7)使用微型打印机打印充电信息、放电信息与费用信息。

2.2 硬件系统

由MSP430单片机、ZLG600A-DCP读卡模块、触摸屏、保护装置、检测装置、微型打印机、双向智能电表和主电路模块等构成了硬件系统。其中由MSP430单片机作为充电桩硬件系统的控制中心，它控制完成充电桩的充电和放电全过程。MSP430单片机是低功耗的16位单片机，它的指令比较精简，运行速度快，易于操作；它可以采用C语言与汇编语言进行编程，而且它的价格低廉，可以降低充电桩成本。

读卡器采用的是致远电子研发的ZLG600A-DCP读卡模块，该模块采用RS-232通讯接口与MSP430单片机进行通讯，通常只需要采用串口操作就可以对用户的IC卡进行读卡操作，ZLG600A-DCP读卡模块的工作频率为13.56 MHz，它支持接触式和非接触式多种IC卡，可以工作在各种恶劣的户外环境，具有可靠性。

在充电桩对电动汽车充电或电动汽车通过充电桩放电时由检测装置检测充电或放电过程的电压与电流，若检测到电压或电流存在异常情况，检测装置立刻向单片机发出启动保护装置的指令，充电桩随即中止充电或放电。检测装置与电动汽车的电池管理系统(BMS)相连接进行通讯，在电动汽车充满电的时候，检测装置通过单片机让主电路模块中止工作从而结束充电；在电动汽车向电网放电反馈电能的时候，当电动汽车电池电量低于设定值时，检测装置则向单片机发出停止放电的请求指令，单片机控制主电路模块使之立即中止电池放电。

计费模块采用智能电表进行双向计费。既能对电动汽车充电进行计费，又能对电动汽车放电进行计费。如果在给电动汽车充电时用户IC卡内的余额不足，在余额使用完毕时向单片机发出指令，控制主电路模块，让主电路模块立即关断，结束充电，在停止充电的同时，单片机则立刻给蜂鸣器发出指令让它工作，并在人机界面提醒用户立即充值。

人机交互界面模块采用触摸屏进行人机通讯。用户可以查看IC卡的余额，在触摸屏上选择充电或放电，人机交互界面模块通过与单片机通讯进行具体的操作。保护装置由限压型电涌保护器、过电流继电器与漏电保护器构成，保证充电桩能安全的工作，除此之外，还给用户在充电桩外壳提供一个手动断电开关以确保在任何情况下可以把充电桩紧急断电。每一次在用户消费完成后，单片机则把消费信息传递给微型打印机，由微型打印机将消费信息给用户打印出来。充电桩的外壳采用的是高强度塑料外壳，其具有绝缘、耐腐蚀、阻燃等优点，在给用户提供安全保障的同时，设计美观的塑料外壳，也给用户提供了不同于金属外壳的审美体验。

3 主电路的设计

3.1 V2G技术

随着水力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电等新能源发电的比重逐渐增加，使用清洁能源电力作为动力的电动汽车完全实现了低(零)排放，与只能消耗油气的传统内燃机汽车不同，电量充足的电动汽车在不工作时却可以向电网反向传输能量。本文采用了V2G技术，设计主电路的充电模块。既能使用电网电能对电动汽车进行充电，又可以把电动汽车电池存储的电能在逆变后传输给电网。其中V2G技术指的是电动汽车和电网之间进行能量双向流动的技术[3]。V2G技术让电动汽车采用 “削峰填谷”的理念，在电网用电低峰期对电动汽车充电；在电网用电高峰期让电动汽车放电，把电动汽车存储的电能回馈给电网[4]，从而达到电能的优化配置。

在与电网相比，一辆电动汽车放电的功率微乎其微，然而我国电动汽车的总量却在迅速的增长，由电动汽车向电网反馈电能的总量也在迅速的增长。“十三五”规划指出，2020年我国电动汽车总量将达到500万辆，假设一辆电动汽车电池的容量为15 kW·h,500万辆电动汽车所存储的电量将达到7500万kW·h，不管是电网对电动汽车充电还是电动汽车对电网进行放电，对电网还是有着一定的影响。

3.2 主电路的设计

主电路分为两个部分，分别为整流器与双向直流变换器，如图2所示。

图2 主电路设计图

采用三相电压型PWM整流器作为整流电路，除了便于滤波和经过整流后的电压Ud脉动小的优点外[5]，还具有大部分整流器所不具备的特点。它不仅能实现正方向三相交流电的整流，也能实现反方向直流电压的逆变，而且它的稳态性能与动态响应也优于大部分整流器。当电路工作在整流状态时，即充电桩对电动汽车进行充电时，电流流过发光二极管VD9，此时VD9发出绿光，显示为充电状态。

当三相电经过整流器整流后，得到了直流电Ud。通过控制驱动电路让VT8一直处于关断状态，此时双向直流变换器随即成为了降压电路(buck电路)；通过降压电路对Ud进行降压处理后，随即对电动汽车进行充电。在把电动汽车电池的能量经逆变回馈给电网时，通过控制驱动电路让VT7一直关断，在VT7关断后，双向直流变换器此时则变成为了升压电路；通过控制升压电路，把电动汽车的电池电压升到Ud。Ud再通过 “整流器”(此时整流器则是三相电压型逆变电路)进行逆变，把电池里存储的电能输送给电网。当电路工作在逆变状态时，即电动汽车对充电桩进行放电时，电流流过发光二极管VD10，此时VD10发出蓝光，显示为放电状态。

交流电通过整流器整流成直流电，直流电再通过降压电路降压使之为电动汽车充电；电动汽车在不使用时，以电动汽车的电池作为电源，经过升压、逆变，变成交流电，回馈给电网，从而实现了电能在电网与电动汽车的双向流动。我国的电费采用分时段计费，在电网用电低峰期进行充电，不但使电网的电能得到充分利用，而且还能给车主省下部分开支；在电网用电高峰期进行放电，不仅给电网提供部分电能，而且还能给车主提供一些收入，对电网和车主都是一个很好的选择[6]。

4 软件设计

图3 充电桩软件设计流程图

充电桩的软件采用C语言进行编写，其具体流程如图3所示，其中电动汽车电池的电能通过逆变电路向电网放电简称为放电。

电动汽车充放电的过程如下：

(1)用户在人机界面点击充电选项，整流电路随即工作。

(2)整流电路启动后，每隔100 ms就检查卡内是否有余额，如果有余额则继续充电，若无余额则结束充电，并使用蜂鸣器进行警报。

(3)用户卡内有余额继续充电时，与电动汽车的电池管理系统通讯，检查是否充满电，若检测到电池充满电，则充电结束；若未完成充电工作则继续执行第(2)步操作，直到完成充电工作时结束充电。

电动汽车充放电的过程如下：

(1)用户选择选择放电(即流程图中不选择充电)，则启动逆变电路。

(2)逆变电路启动后，则与电动汽车的电池管理系统通讯，每隔100 ms检查是否达到电动汽车电池放电设定的最低值，如果达到最低值，则停止放电，如果没有达到最低值，则继续放电，直至达到最低值时停止放电。

5 结 语

本文是基于V2G技术设计的充电桩，既能从电网获得电能对电动汽车充电，又能把电动汽车存储的电能反馈给电网。通常用户在电费价格比较低的用电低峰期对电动汽车进行充电，把电网富余的电能存储到电动汽车里，用户在电费价格比较高的用电高峰期对电网进行放电反馈电能，不仅可以缓解电网用电的压力，而且也可以给用户带来一定的收入。

在未来几十年里，我国的电动汽车的数量将会迅速增长，大量电动汽车的充放电对电网的运行将产生很大的影响，然而采用“削峰填谷”的理念对电动汽车进行充放电，既能把多余的电量吸收起来，又能在电网用电紧张时把电能回馈给电网，对我国电网的电能配置将产生积极地影响。

在设计充电桩的过程中，需要对各模块进行电气隔离以免因各模块工作时产生电磁干扰而影响到设备的正常工作。

[1] 方鸣.交流充电桩计费管理系统的设计与实现[D].郑州: 郑州大学,2016:1-2.

[2] 刘金志.建设电动汽车电池更换式充电站的可操作性分析[J].科技广场，2010,5(3)：226-229.

[3] 高唯峰.电动汽车V2G车载式双向充电机的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015:1-10.

[4] 陈奇芳.V2G充电站与电网协调策略及通信研究[D].湘潭:湘潭大学,2013:28-30.

[5] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009:53.

[6] 孟醒.具有V2G功能的电动汽车充电系统研究[D].兰州：兰州理工大学，2016:1-3.

Design of V2G DC Charging Pile

SHAO Weiwei

(Anhui University of Technology, Maanshan 243000, China)

Electric vehicles has advantage of Low-carbon, energy-saving and environmental protection which is promising to major transportation in the future, but with the vigorous development of electric vehicles, the growth of the charging pile construction is lagging behind, which has become an urgent problem to be solved. In this paper, based on the background, a V2G DC charging pile is designed for daily life.

charging pile; V2G; hardware; software

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.012

TM762

A

1674-5403(2017)04-0051-04

2017-09-13

邵伟伟(1992-),男，安徽太和人，在读硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动方面的研究.