基于负载的新能源汽车充电桩控制系统设计

杨小刚　王慧华

摘  要： 针对新能源汽车充电桩充电时间短、输出功率大的特点，设计一种以STC89C52控制器为系统控制核心的基于负载的新能源汽车充电桩控制系统。系统利用传感器模块采样监测新能源汽车充电信息以及数据，依据电能表通信方式设置以RS 485为统一数据接口的通信模块，令计量电能表与主控制器之间可实现高效通信;主控制器为抑制谐波现象，采用有源电力滤波器利用充電桩负载情况调节充电桩补偿容量，并通过模糊免疫自适应PID依据充电桩负载情况控制开关，保证系统稳定运行。通过系统测试验证，采用该系统控制新能源汽车充电桩具有稳定、可靠的效果，且长期使用该控制系统可节省大量经济成本。

关键词： 新能源汽车; 充电桩控制; 负载; 远程通信; 系统测试; 系统设计

中图分类号： TN245?34; TM910                   文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）24?0131?04

Design of new energy vehicle charging pile control system based on load

YANG Xiaogang， WANG Huihua

（Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300350， China）

Abstract： In allusion to the characteristics of short charging time and high output power of new energy vehicle charging pile， a new energy vehicle charging pile control system based on load is designed with the STC89C52 controller as the control core of the system. In the system， the sensor module is used to sampling and monitoring the charging information and data of new energy vehicle. The communication module with RS 485 as the unified data interface is set according to the communication mode of the electricity meter， by which the high?efficiency communication between the meter and the main controller can be realized. In the master controller， active power filter is used to adjust the compensation capacity of charging pile according to the load of charging pile， so as to suppress harmonic phenomenon， and the fuzzy immune adaptive PID is used to control the switch according to the load of the charging pile to ensure the stable operation of the system. The system testing verify that the system is stable and reliable in controlling the charging pile of new energy vehicles， and its long?term use can save a lot of economic costs.

Keywords： new energy vehicle; charging pile; load; remote communications; system testing; system design

0  引  言

充电桩又名供电装置，通常设置于居民小区或公共建筑停车场与充电站内供车载充电机电动汽车充电[1]。充电桩以传导方式为电动汽车提供电能，具有简便、易操作的充电接口以及人机交互操作界面，并具有测控以及保护功能，为电动汽车使用者提供较大便利。随着新能源汽车不断发展，充电桩不断更新，充电桩充电速度有所提升[2?3]。充电桩开发周期及开发成本决定供电方获取利益情况，高效的充电桩控制系统可有效控制成本，充电桩扩展性也极为重要。以往新能源汽车充电桩控制系统存在功能过于简单、开发周期长及缺少扩展性等缺陷，为节省供电方控制成本，令充电桩可依据现实需求具有扩展功能[4?5]，充分研究新能源汽车充电桩控制系统具有重要意义。新能源汽车充电过程中会产生谐波，谐波直接影响充电桩控制系统稳定性及计量系统准确性。在设计新能源汽车充电桩控制系统时，应充分考虑充电桩负载情况[6?7]，设计基于负载的新能源汽车充电桩控制系统，依据负载情况抑制充电过程中谐波，可有效提升供电质量，促进充电桩控制系统供电稳定性。

1  新能源汽车充电桩控制系统

1.1  系统总体结构

本文设计的基于负载的新能源汽车充电桩控制系统总体结构如图1所示。

本系统选取STC89C52作为控制系统主控模块的主控制芯片。该控制芯片具有多个外设接口，包括4路USART、2路CAN、1路以太网接口以及4路USART等，符合充电桩控制系统控制外设触摸屏、智能电表、电源模块、IC读卡器等外设设备接口需求。

1.2  硬件设计

1.2.1  主控制器

在此选取STC89C52控制器作为系统控制核心。该控制器为STC公司所生产，具有高性能、低功耗的优势，属于CMOS8位控制器，控制器内选取经典的MCS?51单片机。51单片机CPU数量为8，且可通过编程FLASH令控制器为充电桩提供有效的控制方案。STC89C52控制器具有管脚数量为第40个，主电源管脚的第40管脚VCC与电源的5 V端相连接，控制器的20管脚GND与地端相连接[8]。

1.2.2  传感器模块

控制系统利用传感器模块采样监测新能源汽车的充电信息及数据。利用看门狗及低电压复位建立信号传感器，来获取充电桩控制信息[9];选取并行外设接口建立充电桩控制系统的传感器模块;传感器模块为半双工形式，可支持不同通道的A/D数据采样;选取串行方式作为传感器模块的接口方式;D/A转换选取双路16位电流输出，可允许数据输入输出的最大信息数量为16，与A/D，D/A转换器相结合采集新能源汽车的充电控制信息。

1.2.3  通信模块

依据电能表通信方式设置通信模块，令计量电能表与主控制器之间实现高效通信[10]。选取2级电能表作为通信模块的电能表，利用RS 485作为电能表的统一数据接口，电能表与控制系统选取DL/T645协议实现通信，通过该接口可实时获取电表电流、总功率等各项信息，通过各项信息获取充电桩耗电量。电能表电流与电压实时状态可判断充电桩使用及供电状态，便于出现异常时及时处理[11]。RS 485接口选取负逻辑的差分信号作为通信信号，可通过半双工方式以及全双工方式作为通信方式。

1.3  软件总体结构设计

采用分层结构设计新能源汽车充电桩的软件结构，充电桩的全部功能由各层通过不同的程序模块实现。新能源汽车充电桩控制系统的软件组成结构如图2所示。

充电桩控制系统由电源管理模块驱动程序、USB驱动程序、发票打印机驱动程序、红外驱动程序、串口驱动程序、内存驱动程序及通信模块驱动程序等不同模块的驱动程序组成[12]。选取WinCE 6.0嵌入式操作系统平台作为系统操作平台。利用系统的平台守护程序管理系统功能软件程序并负责系统不同版本程序的升级。可通过版本维护、断点续传以及程序更新功能实现系统的升级管理[13]。控制系统的主程序?功能软件程序控制全部应用功能。

1.4  系统控制方法

充电过程中出现的谐波情况影响新能源汽车充电质量，系统主控器采用有源电力滤波器，可利用充电桩负载情况调节充电桩补偿容量[14]，有效抑制谐波。负载电流存在谐波时，影响计量设备运行，导致计量设备无法准确计量。将有源滤波技术加入充电桩控制系统中，降低电网充电桩造成的谐波注入。

设[K1]与[K2]均表示支路的滤波电感，直流母线电容用[Bdc]表示，[ur]与[Rdc]分别表示逆变器输出电压以及直流侧电压，获取单相并联型有源电力滤波器数学模型如下：

[K1+K2diFdt=ur-usBdcdRdcdt=idc] （1）

式中：[ur=Z1-Z2?Rdc];[idc=-Z1+Z2?iF]。通过有源电力滤波器的数学模型可知，控制系统状态空间可由输出电流[iF]以及直流侧电压[Rdc]两个状态变量控制，而输出电流以及直流侧电压可通过开关[Z1]以及开关[Z2]控制，通过开关即可保证消除电流的无功补偿以及谐波，保证直流侧电压的恒定[15]，采用模糊免疫自适应PID，依据充电桩负载情况控制开关，保证系统稳定运行。

2  系统测试

为测试本文设計基于负载的新能源汽车充电桩控制系统控制充电桩的稳定性及可靠性，采用Qt For X11开发编译环境编译本文系统控制程序，并应用于新能源汽车充电桩实际应用中，采用本文系统控制墙式新能源汽车充电桩实物，如图3所示。

采用本文系统控制墙式新能源汽车充电桩充电过程中输入、输出控制信号时幅值变化情况，如图4所示。

由图4测试结果可知，采用本文系统控制新能源汽车充电桩，输入以及输出控制信号时，系统赋值波动较为稳定，未出现明显的波动情况，说明本文系统具有可靠的控制性能。

统计工作模式为按时间充电时的系统有功功率，并将本文系统与STM32控制系统以及单周期控制系统对比，对比结果如图5所示。

统计工作模式为按金额充电时的系统有功功率，并将本文系统与STM32控制系统以及单周期控制系统对比，对比结果如图6所示。

由图5、图6测试结果可知，采用本文系统控制新能源汽车充电桩，不同模式运行时，系统有功功率均明显高于STM32控制系统及单周期控制系统，测试结果再次说明本文系统具有较高控制性能。

统计采用本文系统控制新能源汽车充电桩快速充电模式时运行60 min完成电量情况，并将本文系统与STM32控制系统以及单周期控制系统对比，对比结果如表1所示。

由表1可知，采用本文系统运行快速充电模式，充电60 min可完成85%的电量输入;而采用STM32控制系统充电60 min仅可完成58%电量输入;采用单周期控制系统充电60 min仅可完成61%的电量输入。测试结果有效地验证采用本文系统控制的充电桩具有较高的充电性能，便于新能源汽车电量快速取用。

3  结  论

本文基于负载的新能源汽车充电桩控制系统具有成本低、功能强大、可扩展及开发周期短的优势，符合新能源充电桩控制系统设计要求。系统显示内容丰富，用户操作界面友好性强，能有效推动新能源汽车发展。采用所设计系统控制的充电桩具有充电速度快、稳定性强的优势，长期使用可为供电方带来较大的经济效益。

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作者简介：杨小刚（1979—），男，河南洛阳人，硕士，讲师，研究方向为新能源汽车充电及控制技术。

王慧华（1978—），女，河北邢台人，硕士，实验师，研究方向为电子技术、自动化控制。