基于PLC的电动汽车充电系统研究

强文辉，张诗宁，彭军志

(吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 132101)

1 研究背景

随着现代社会科技的迅速发展，近年来电动汽车逐渐步入了大众的视野，由于其符合我国提倡的节能减排号召，已逐渐成为消费者的主要选择。电动汽车发展非常迅速，但是随之而来的是电动汽车充电问题，不同品牌、不同信号的电动汽车与充电桩的对接存在一定程度的不足，例如规模小、数量少等，一定程度上限制了我国电动汽车的普及[1]。由于不同地区的设计方式、操作经验等因素的不均衡，充电设施和充电接口很难迅速地进行统一整合[2]。

到目前为止，存在的充电体系有国际电工委员会组织(IEC)、美国汽车工程师协会(SAE)、日本电动汽车协会(JEVS)以及日本电动汽车充电协会(CHAdeM0)。我国国家电网公司于2011年颁发了电动汽车充电接口及运行协议标准，代表我国的电动汽车充电接口已经达到了国际标准，正在赶超发达国家的先进水平。国际上现有的充电接口设计方案非常多，但是充电控制方面都统一采用PWM信号来进行引导和实现，说明充电接口的标准已在逐渐的实现统一。我国电动汽车充换电设施也出台了相应的建设规范，但却没有对电动汽车内部充电系统做出规定，该问题亟待解决。

2 理论基础

2.1 电动汽车充电设施

电动汽车充电的设施主要由三个部分组成，分别是充电站、充电桩和换电站。充电站也可以理解为加油站，只不过加油站是用汽油为车提供可以续航的动力，而充电站是用电力作为能源。充电站主要由配电室、中央监控室、充电区、电池更换区、电池维护区组成[3]。充电桩目前主要有两种充电桩，分别是直流充电桩和交流充电桩，两种充电桩目前在整个电动汽车充电系统的基础中都有着很大的作用。充电桩主要实现三种功能：一种功能是为电动汽车等需要充电的设备充电；二是需要和上位机进行通信，将电能传输的数据传给上位机；三是需要根据记录的数据进行电价的计算等功能。换电站在电动汽车充电系统中也有着举足轻重的作用，其作用是将即将耗尽的电池组在换电站进行更换，然后将替换下来的电池组进行特定充电和保养等过程的场所。充电站与换电站是不同的，充电站需要足够场地为很多汽车进行充电，而换电站要求的场所则较小一些，因为需要进行充电需要很长的时间，而更换电池则不需要很长的时间，所以充电站的场所需求也就要比换电站大。另外，我国电网具有峰谷差，换电站对电池进行充电可以选择在电压负荷低的时间进行充电，而充电站则是根据驾驶人员需要随时进行充电，所以换电站比充电站相比可以有效地降低成本，并且还可以很大程度地缓解高峰时间的电网峰谷差。尽管换电站具有更高的可操作性等优点，但是由于电动汽车的电池组生产的厂商不同，所以型号、规格等都是大不相同的，因此目前我国还不能普及换电站的应用[4]。

2.2 电动汽车充电方式

目前存在的电动汽车的充电方式主要有四种，分别是慢充、快速充电、无线充电和快换。慢速充电又叫慢充，是我国目前应用最广泛的一种充电方式，以较小的电流对电动汽车进行充电，这种方法的优点是可以减少充电的成本，但同时也有着相应的缺点，便是无法满足电动汽车的长时间耗电需要和紧急使用。快速充电又可以称之为紧急充电，这种方式虽然可以保证快速充电以满足驾驶者紧急情况的需求，但是也要求其具有更高的安全系数和更好的技术要求，并且会对电池的寿命有相应的损耗。无线充电方式在近年来得到了广泛的应用，尤其是手机的无线充电，而电动汽车的无线充电方式则需要比手机无线充电更高的充电功率与充电电流，这种充电方式在国外的研究与实践要早于我国。快换充电方式，这种方式是直接对电池进行更换，这种方式的优点是快速便捷，但是由于电池形状、型号等方面的不同，会对实际的充电过程要求也不同[5]。

2.3 PLC技术概述

PLC是基于电子计算机，使用于工业现场工作的电控器，它起源于继电器控制，但是又和继电器不同，PLC主要依赖于内部储存的程序作为支撑。PLC技术在我国的应用范围非常广泛，并且发展也非常迅速，可以通过PLC技术实现照明控制的自动化，可以安装监控和实现远程抄表的过程，因此目前在我国PLC技术的发展是非常重要的一种工作方式。因此，本文参考国内外优秀的电动汽车充电系统的成熟经验，以PLC为核心，利用人机交互、IC卡读写、电气防护等技术，设计出一种适应中国电动汽车的充电系统。

3 电动汽车充电桩控制系统硬件设计

3.1 可编程逻辑控制器资源分配

可编程逻辑控制器简写为PLC，PLC通过储存在其中的程序得以运行PLC技术，成熟稳定性高，和其他充电方式相比较，具有较强的抗干扰性等优点。随着互联网不断地发展，PLC也拥有着不可忽视的地位，其在工业生产、生活中也博得了一席之地。PLC就是电动汽车充电系统的核心，负责处理各个模块之间相互运作的情况，在本文的研究中，选用的是FX2N-16MR来进行电动汽车充电系统的设计，FX2N系列是三菱PLCFX系列中信息反馈较为敏捷一款，使用此种PLC可以大大避免因为系统本身的原因造成的死机不工作等问题。因此用PLC可以实现电动汽车在充电中的需求[6]。

图1展示了PLC控制器中各个资源分配的情况，电动汽车充电系统之间的各个模块是相互独立的，而PLC的作用便是将电动汽车充电系统之间的各个相互独立的模块进行连接与协调，进而实现对整个电动汽车充电系统资源的合理配置，达到对电动汽车充电的作用。

3.2 输入输出口分配

输入、输出接口分配表如表1所示。

3.3 人机交互模块

人机交互模块在电动汽车充电系统中起到的作用是将使用者与充电设备进行连接，其中需要运用指示灯来实现，通过指示灯让使用者进行充电的操作，而指示灯的作用是确定使用者的操作是否正确，是否可以进行电动汽车的充电。

3.4 IC卡读写模块

随着PLC技术的发展与其在工业上的广泛应用，目前我国已经基本实现了将PLC与IC卡相结合进行数据通信进入控制的过程，在这一过程中，可以有效地减少人工的数量与人工的工作量，并且可以有效将工作效率提高。在本文的电动汽车充电系统中，使用IC卡读写设备和PLC通讯相结合的方式，可以有效地加快电动汽车充电过程中需要排队等的人工操作存在的问题。

IC 卡是一种符合ISO7816 标准的微电子芯片嵌入式基卡，是继磁卡之后出现的一种新型信息工具。非接触式IC卡，是目前在我国国内市场中应用最为广泛的一种IC卡，型号为Mifare one S50，这种卡的特性是工作温度在-20 ℃～50 ℃； 通信速度每秒106 KBP； 最大传输电气距离10 mm，与IC卡的型号有关；工作频率13.56 MHZ ；数据保存期10 年。本文中选用的IC卡读卡器型号为MCM200，该读卡器对模块进行读写器的感应时距离小于25 mm。

3.5 功率计量模块

在整个系统中，用户的用电量需要通过电能表来完成计量，目前使用电能表一般为智能式电能表，又叫功率表。可以实现电能的实时测量，并可以把数据通过通信模块传送到上位机。本文选用的是三项两用交流电能表。

3.6 IC打印模块

打印模块的作用是将使用者的充电信息以纸质的形式呈现给使用者，本设计选择的是由美国惠普公司生产的微型打印机。这种打印机利用的是热感应打印的方法，波特率：9600；帧信息：共10位，其中包含8位数据位。

3.7 电路接线

此部分是电动汽车充电系统中重要的一部分内容，电路接线的主要功能是：监视线路完好性及实时性。当充电线路出现故障时，及时报警并打印输出附带时间的故障代码来充当电动汽车充电系统维修的依据，以保证不会发生意外，保证使用者、维修者及电动汽车的安全。

3.8 电气防护模块

电动汽车充电系统中，还需要在充电桩的电路中配备相应的电气防护的装置，例如空气开关、断路器等保护装置。其主要作用是防止使用者在使用本系统时发生意外危险，避免带来不必要的人员受伤和经济损失。另外还需要静电保护装置，将整个充电系统与地面相连，以防止使用者因为静电而受到伤害。

4 电动汽车充电桩控制系统软件设计

4.1 控制系统总流程

在实现电动汽车充电的过程中，用户在操作系统软件时需要进行以下几个步骤。具体的电动汽车充电系统功能框图如图2所示。

由图2可知，电动汽车充电系统的流程：使用者通过IC卡激活充电系统，PLC接收到信息后进行通电自检，自检完成后，使用者通过个人的充电需求来选择充电模式，充电完成后PLC完成扣费或者提示使用者需要充值，在电动汽车充电的过程中，PLC仍然为整个系统的核心，负责各部分有条不紊地运行。

在电动汽车充电过程中，首先应该做的是打开充电桩的空气开关，在电动汽车的充电系统接电后开始上电自检的过程，此时通过指示灯来引导使用者使用。当使用者需要对电动汽车进行充电时，要将充电卡在装置上进行刷卡的处理，当IC卡刷卡成功后，PLC会引导使用者进行充电模式的选取，使用者可根据自己使用情况来选取不同模式的充电需求，同时指示灯也会向使用者呈现向电动汽车插入充电枪的提示。在用户将充电枪插入电动汽车时，会显示详细的充电信息，并且用户可以依据自己的需要选择合适的充电方式。

4.2 组态王

利用组态王软件对系统进行仿真模拟，本系统通过组态王作为上位机监控系统和系统的设计，组态王可使电动车充电系统更加具体形象，使本系统省去人力物力的繁琐能够清晰地演示基于PLC的电动车充电系统的全部过程。

4.3 停车查询系统

在系统中增加停车位查询功能。当车辆停在停车位时，无论是否充电，汽车将冲电桩IC卡遮挡，通过GPS系统上传信息到卫星系统。当车主打开App寻找停车位时，能够看到1 000 m内空余停车位，选择最近车位进行停车充电。达到吃饭、开会、逛商场等活动中快速查询停车位，并在活动期间实现短时充电效果。

5 结 论

利用PLC模块，造价低廉，稳定性高，且可操作性高，控制性能优良，具有占用体积较小、充电信息反馈速度快、开发周期短和抗干扰能力强等优点。在设计中，采用了变PLC、上位机一起控制，因此该充电系统也具有良好的可靠性，可以灵活使用。充电系统所采用的FX2N-16MR系列PLC作为控制器，其程序简单易学可靠。增加停车位查询系统，能够解决车主查询空车位需求，实现短时充电效果。由于各种条件的限制，以及我国电动汽车充电系统型号规格不统一，希望通过本设计应用能够解决电动汽车内部充电系统不统一问题，并实现空车位查询、碎片时间充电功能。