基于PLC的电动汽车充电桩控制系统研究

摘 要：本文以PLC控制器为主控单元，结合PLC各功能模块，设计了一种电动汽车充电桩控制系统。本控制系统主要包括PLC主控制器、触摸屏人机交互模块、充电控制模块、计量计费模块、打印模块。进行了控制系统的软硬件设计，硬件包括电源设计、充电接口设计等，软件设计包括PLC主控制器的逻辑编程、触摸屏组态编程、触摸屏与PLC主控制器及PLC主控制器和上位机之间的通信参数配置等。

关键词：充电桩;PLC;控制系统;人机交互

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.112

0 引言

我国的汽车行业发展迅速，给我们的生活提供了极大地便利，但由于大量的汽车尾气排放，也严重地污染了环境。因此，汽车行业面临转型，如何在汽车行业实现节能减排，已成为世界各国的共识。大力发展新能源汽车已成为各国汽车行业发展的不二选择。

新能源汽车绿色环保，对环境几乎不产生污染，因此，各国汽车行业都在积极研发各类电动汽车替代燃油汽车以达到节能减排、保护环境的目的。

然而，由于电动汽车的续航能力差，充电站不普及，无疑碍了电动汽车行业的普及和健康发展。因此，要发展新能源汽车，必须普及汽车充电站。

作为充电站的重要组成部分，充电桩的设计和管理是建设充电站的关键。

1 充电桩功能分析

充电桩其功能类似于加油站里面的加油机，用户可以在触摸屏上根据自己的电池类型选择自己的充电模式和缴费方式，既可以用专用的IC卡刷卡缴费，也可以通过互联网进行电子支付。当缴费信息上传后，管理系统再将信息发送到充电桩，充电桩则判断充电金额，执行充电任务;执行过程中，PLC实时监测电量变送器的值，并转换成消费金额的形式，待消费金额等于充值金额时，则断开充电输出，结算费用，完成充电。并可以即时打印单据。

充电桩须有友好的人机界面，具备手动输入和控制的功能。同时具备远程启停功能、数据本地存储功能等[1]。

2 充电桩硬件设计

（1）主电路：主电路就是充电桩的配电部分，主要是通过各种不同型号的插头，实现220V电源与电动汽车电池管理系统的链接。当PLC控制器发出指令后，主电路的接触器会闭合，接通市电与电动车充电接口的通路。同时将（接触器触点吸合）反馈信号送至PLC控制器对其进行状态监测。

（2）控制电路：控制电路由PLC主控制器及其功能扩展模块组成。主要实现充电桩正常运行控制、各功能块的保护、故障检测及处理、记录充电参数，通过触摸屏显示充电过程信息及用户充电金额等信息。

（3）传感器和通讯接口：包括电量变送器，用于采集和监控充电桩输入及输出的电能的电压、电量、频率和有功功率等参数;通讯接口包括与电量变送器通信的RS485接口，与以太网通讯的RS485转以太网模块，还有用于下载PLC程序的PPI通讯接口。

整个系统主要由PLC主控制器、触摸屏、即时打印机、计量模块、充电模块、电源模块等组成（如图1）。

当充电桩进行充电时，主控制器对充电量进行计量和结算，并即时打印凭条，同时将数据进行上传。

本系统主控制器采用西门子S7-200型PLC，能够完成充电过程的启动、充电、计量、关闭等过程的控制，完全能够满足要求。触摸屏选用西门子SMART 700IE V3型，可用触摸屏编程软件WinCC_flexible_SMART_V3进行组态。根据触摸指令进行人机交互、充电管理、凭单打印等。

3 充电桩软件设计

本系统软件设计主要包括两部分，PLC逻辑编程和触摸屏组态编程。

PLC逻辑控制原理为：PLC对充电桩的运行状态进行监控，并向工作站系统发送就绪信号，等待用户充电;当用户通过IC卡充电或通过手机支付平台将充电金额等信息发送至中心管理系统，并将信息保存和下发至停车场工作站管理系统，管理系统再将信息发送到终端充电桩，终端充电桩则判断充电金额，执行充电任务;执行过程中，PLC实时监测电量变送器的值，并转换成消费金额的形式，待消费金额等于充值金额时，则断开充电输出，结算费用，完成充电。

交流充电桩触摸屏画面包括主界面和分界面共十几个，根据本系统功能要求，触摸屏操作平台必须能够实现数据采集、图形显示、人机对话、实时数据分析等功能[2]，并方便用户切换相应画面;通过组态按钮、文字、显示、输入和功能键等部件工具进行触摸屏操作画面编辑设计。

4 充电桩监控和通信

整个充电桩系统结构可分为中心管理和数据库层、中间管理层、终端充电桩。

中心管理和数据库层：用于和网络运营商的手机支付平台进行数据交换及与用户进行收发短信的功能;管理和控制各充电站的控制中心;将远程充电桩的状态及用户数据储存在公司自建的服务器中，保障用户个人信息的安全。

中间管理层：用于管理、监测和控制本站的充电桩的状态及运行过程，接收发中心管理和数据库层的充电指令或取消充电指令，并反馈充电桩状态和数据。

终端充电桩：用于执行充电任务，监控充电参数（充电电量、充电金额、充电前电量、充电后电量等）及运行状态（充电就绪、充电中、故障、失去连接、充电完成、取消充电、急停等）保护系统安全及用户充电系统的安全;通过中间管理层向中心管理和数据库层进行数据的交换。

因此，本系统通信包括三部分：PLC与触摸屏之间的通信、电动汽车与充电桩之间的通信、充电桩与上位机之间的通信。

（1）PLC与触摸屏通过RS-485通信电缆连接，通过设置实现连接。

（2）电动汽车与充电桩之间的通信是指电动汽车动力电池管理系统（BMS）与充电桩的通信。BMS能实现对电池分组管理，即时监测电池单体的端电压、温度，带时标存储记录，能进行电池充电、放电电流测量，能通过内部通信总线发给各个监测模块;并且BMS系统对单体电池进行完善的保护，如过压保护、欠压保护、总电压过压保护、总电压欠压保护、过流保护、过温保护等。

每一台充电桩都有一个独立的PLC控制，电动汽车与充电桩之间的信号通过充电线缆进行传输，实现载波通信。

（3）系统可通过互联网通信技术实现对分散的充电桩集中控制、管理和监测。这样，电动汽车交流充电桩系统能够使用手机等移动设备在任意充电桩上均可根据充电桩ID和付费短信号码编辑短信付费充电，亦可采用IC卡，为用户使用提供更便捷的服务。

5 结束语

新能源汽车绿色环保，因此，各国汽车行業都在积极研发各类电动汽车替代燃油汽车以达到节能减排、保护环境的目的。但充电问题成为了电动汽车发展的主要瓶颈，充电站的建设已成为迫在眉睫的问题。本文以PLC控制器为主控单元，结合PLC各功能模块，设计了一种电动汽车充电桩控制系统。并通过互联网实现了远程全面监控和控制用户无需购买业务付费IC卡，只需通过发送短信的形式，就能实现缴费充电的功能;系统不仅操作简单、方便、可靠性高，还能有效提高设备使用效率。

参考文献：

[1]袁金云，王向东，王冬青，王海铭.基于plc的电动汽车交流充电桩控制系统研发[J].青岛大学学报（工程技术版），2015（02）.

[2]李洁，胡晓东，刘岩.PLC与触摸屏在直流充电桩中的通信研究[J].自动控制，2018（08）.

项目名称：一种基于PLC控制的电动汽车充电桩的研发

项目编号：2018GX084

作者简介：孙宝平（1969-），男，山东诸城人，本科，工程硕士，讲师，研究方向：机电一体化、物流技术。