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电动汽车交流充电桩设计与研究
电动汽车交流充电桩设计与研究
硕士学位论文论文题目电动汽车交流充电桩的设计与研究研究生姓名赵瑞指导教师姓名杨维翰专业名称机械电子工程研究方向机电一体化论文提交日期2013年4月电动汽车交流充电桩的设计与研究中文摘要
电动汽车交流充电桩的设计与研究
中文摘要
电动汽车交流充电桩是电动汽车充电设备中最常见的基础设施之一,也是电动汽
车实现产业化与市场化的重要前提。
电动汽车交流充电桩是利用标准的充电接口,采
用传导式充电方式为车载式充电机提供电源的装置,一般具有电能计量、计费、通信、
控制等功能。
电动汽车交流充电桩具有一定的安全防护等级,主要安装于停车场以及
住宅小区等区域,是电动汽车进行常规充电的主要设备。
本文论述了一种基于专用电能计量芯片开发的交流充电桩,给出了交流充电桩软
硬件设计方案。
本文在硬件设计方面给出了主电路结构,包括MCU电路、系统电源
电路、电压电流信号调理电路、用于与后台管理系统通信的CAN总线接口电路以及
外围人机交互接口电路。
其中,人机交互接口电路包括打印机接口、POS机接口、触
摸屏显示器接口、语音提示接口电路。
针对本文设计的硬件电路以及专用电能计量芯
片的特点,对交流充电桩应用软件也进行了设计。
交流充电桩通常以充电站的工作形式管理,这就需要与之配套的后台管理系统用
于对交流充电桩充电过程中的各种数据进行收发、分析、管理、存储与监控。
本文设
计的后台管理系统基于LabVIEW图形化编程语言开发,并使用LabSQL工具包进行
数据库操作。
该充电站的后台管理系统通过CAN总线与各充电桩进行通信。
本文参
考车载BMS电池管理系统与充电桩之间的通信协议,实现了交流充电桩与后台管理
系统之间的CAN总线通信细节。
本文也对电能计量原理基础知识进行了介绍,并对电能计量芯片的电能计量原理
进行了阐述。
最后对本交流充电桩智能充电方法进行了介绍。
本文设计开发的交流充电桩功能完善、操作简单、运行可靠,并且已经通过了北
京电力科学研究院型式试验,在充电设施建设中具有广阔的应用前景和
市场潜力,对
电动汽车的普及有一定推动作用。
关键词:
电动汽车交流充电桩电池充电LabVIEWCAN总线电能计量
作者:
赵瑞
指导教师:
杨维翰
IThedesignandresearchofEVsACchargingspotAbstract
ThedesignandresearchofEVsACchargingspot
Abstract
ElectricvehicleACchargingspotsarethemostcommoncharginginfrastructuresand
thepremiseforachievingtheindustrializationandmarketizationofelectricvehiclesElectricvehicleACchargingspotisthedevicewithstandardcharginginterfacethatadopts
theconductionmethodofchargingtosupplypowerforelectricvehiclesandgenerallyhas
thefunctionsofenergymetering,billing,communicationsandcontrolsafety.ACcharging
spotcommonlycanbeinstalledintheparkingandresidentialareawithsafetyprotection,
andisalsothemainequipmentfortheElectricvehiclesinconventionalchargingmodeThispaperdiscussesakindofACchargingspotthatbasedonspecialelectrical
energymeasurementchipandschemeofsoftwareandhardwareofACchargingspotis
made.Intheaspectofhardware,maincircuitincludesMCUcircuit,powercircuit,voltage
/currentsignalconditioningcircuit,CANbusinterfacecircuitforcommunicatingwith
backgroundmanagementsystemandman-machineinteractioncircuit.Normally
man-machineinteractioncircuitincludesPOSinterface,touch-screendisplayinterface,voicepromptinterface.Basedonthecharacteristicofhardwarecircuitsandenergy
measurementchipsinthispaper,thedesignofsoftwarethatmatchedtotheACcharging
spotisalsocarriedon
ACchargingspotusuallyworksintheformofchargingstation,sobackground
managementsoftwareisneededtomatchtheACchargingspot.Backgroundmanagement
softwareistofinishthefunctionsofsendingandreceivingdata,analysis,management,
andstorage.BackgroundmanagementsoftwarewasdevelopedbasedonLabVIEWand
usedLabSQLtoolkitfordatabaseoperations.Backgroundmanagementsoftware
communicateswithACchargingspotthroughCANbus.Referingtothecommunication
protocolsbetweenelectricvehicleon-boardchargerandACchargingspot,the
communicationprotocolsbetweenBMSandACchargingspotisformulatedElectricitymeteringprincipleisintroducedinthispaperandalsointroducesthebasic
knowledgeaboutenergymetermeasurementofthespecialelectricalenergymeasurement
chip.Atlast,someknowledgeaboutintelligentchargingmethodisintroduced
IAbstracThedesignandresearchofEVsACchargingspotTheACchargingspotdevelopedinthispaperfeatureswithperfectfunctions,simple
operationandstablerunning.TheACchargingspotalsohaspassedtherelevanttesting
organizations,soithasabroadapplicationprospectandpotentialmarketandplaysakey
roleinthepopularityofelectricvehicles
Keywords:
electricvehicle,ACchargingspot,Batterycharge,LabVIEW,
CANbus,
EnergymeteringWrittenby:
ZhaoRuiSupervisedby:
YangWeihanII
第一章绪论.1
1.1课题研究的背景1
1.2国内外电动汽车充电设施发展现状21.2.1国外电动汽车充电设施发展现状21.2.2国内电动汽车充电设施发展现状31.3本文选题的意义4
1.4交流充电桩的类型5
1.5动力电池充电技术探讨6
第二章交流充电桩的硬件设计112.1主板硬件结构介绍12
2.1.1MCU电路13
2.1.2系统电源电路.14
2.1.3电压电流信号调理电路.162.2交流充电桩充电插头与控制导引电路182.2.1交流充电桩充电插头.182.2.2控制导引电路.20
2.3I/O硬件接口23
2.3.1SP3739串口扩展电路.242.3.2外围设备扩展电路27
2.3.3CAN接口电路.29
2.4紧急停止按钮设计30
2.5本章小结31
第三章交流充电桩系统软件设计.323.1下位机软件整体架构32
3.1.1人机交互模块.35
3.1.2电能计量模块.37
3.1.3交流充电桩的CAN总线通信接口模块383.1.4故障报警模块.38
3.2上位机系统软件架构39
3.2.1LabVIEW介绍40
3.2.2后台管理系统设计41
3.3基于LabVIEW的数据库访问技术.423.3.1MicrosoftADO简介.433.3.2LabSQL包含的VIS.443.3.3LabSQL的配置44
3.3.4LabSQL的基本工作方式453.4本章小结47
第四章交流充电桩与后台管理系统的通信协议48
4.1CAN总线介绍.48
4.2CAN总线性能特点50
4.3CAN总线访问机制51
4.4充电站系统CAN网络的组建514.5充电站系统CAN总线通信协议的实现与验收滤波53
4.5.1报文滤波55
4.6充电站CAN网络测试574.7本章小结57
第五章交流充电桩电能计量原理.585.1电能计量原理基本知识.585.271M6534H芯片电能计量原理595.3本章小结61
第六章交流充电桩智能充电策略研究626.1电池充电终止控制方法.626.2基于标准充电插头充电.636.3基于带CAN总线充电插头充电636.3.1实现智能充电.63
6.4本章小结65
第七章结论与展望66
7.1结论66
7.2展望66
参考文献.68
附录A交流充电桩主板PCB图71
附录B不同温度下典型电能计量精度73
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文74
致谢75电动汽车交流充电桩的设计与研究第一章绪论
第一章绪论
1.1课题研究的背景
在环境问题与能源危机越来越严重的今天,节能减排已成为全世界面临的新课题
[1]
。
绿色交通成为各国发展节能减排工作的一个重点方向。
电动汽车作为绿色交通的代
表,与传统燃油汽车相比具有节约能源,环保,清洁等优点,降低了汽车使用的环保成
本、经济成本,越来越受到政府,企业以及民众的关注。
在电动汽车快速发展的同时,
作为电动汽车发展产业链上的重要组成部分,电动汽车充电设备也应运而生,不断地发
展。
许多发达国家的政府和几乎所有著名汽车厂商及科研机构都在致力于电动汽车技术
[1]
的研究开发与推广应用,试图使其成为新世纪汽车领域的发展主流。
电动汽车充电设
备是给电动汽车充电的配套设施,包括充电站、充
电桩、电池调度、计费监控及电池设
备维护等系统,是推动电动汽车发展的基础设施,属新兴产业之一,是和电动汽车产业
化同步发展的。
如果没有完善的配套基础充电设施,尤其是作为电动汽车充电设备的主
流代表电动汽车交流充电桩得不到发展,电动汽车技术再先进也难于推广。
可以说谁掌
握了电动汽车能源供给技术,谁就掌握了电动汽车的未来。
所以电动汽车各种相关配套
的充电设施的发展很大程度上也决定着电动汽车的发展,在电动汽车产业发展的同时还
[2]
应该考虑充电设施的发展。
目前,国内电动汽车充电设备的建设上主要有集中式充电
[3]
站形式、分布式充电桩以及电池更换三种能源供给模式。
目前国内电动汽车充电站建
设情况与国外基本处于同一起跑线。
国内五大国企也积极地参与推动电动汽车充电设施
的建设。
例如,国家电网在杭州已建成投入使用的充电站已达8座,标准充电站5座,标
准充电桩2套;南方电网在深圳已投放使用的充电站
已达2个,充电桩总量已达134个。
中石化、中石油以及中海油也都在各自的目标市场进行充电设备的建设,抢占市场先机。
电动汽车充电站中的充电设备主要分为直流充电桩与交流充电桩。
直流充电桩主要是通
过电力电子相关技术对交流电进行变压、整流、逆变、滤波等处理,最终得到直流输出,
从而直接对电动汽车电池进行充电。
本文主要涉及对交流充电桩的相关技术研究。
电动
汽车交流充电桩是利用标准的充电接口,通过传导式充电方式为车载式充电机提供电源
的装置。
交流充电桩一般具有电能计量、计费、通信、控制、具有一定的安全防护等
1第一章绪论电动汽车交流充电桩的设计与研究
级,提供人机接口界面等功能。
在中国,许多地方政府以及相关企业早已开始电动汽车交流充电桩的研发,相关
产品已经正式投入运营使用。
深圳比亚迪公司早在2006年就将自主研发的充电桩投入
使用,并建立充电站。
2008年北京奥运会、2010年世博会都开辟了专门的区域用于交
流充电桩的安装,随处可见的交流充电桩俨然成为场馆内独特的一条风景
线。
随着电
动汽车发展热潮的不断兴起,交流充电桩的设计研发工作也吸引了国内诸多公司,他
们瞄准新能源这一方向,有的已经研发出自己的第一代产品。
在国内,像河南许继集
团、南京南瑞开发的产品已经趋向成熟,也已投入市场,等待市场的检验。
同时国家
电网、南方电网这样的国有企业也和国内新能源行业内的领军者进行产品关键技术的
[4-9]
研究、相关标准的建立,助推了交流充电桩以及其他充电设备的快速发展。
电动汽车的产业化是我国汽车工业可持续发展的重要保障。
而建设完善的电动汽
车充电设施是实现电动汽车产业化的前提,充电设施的建设与电动汽车的发展相辅相
成,相互促进。
目前电动汽车充电技术的落后与充电设施建设的不完善已经成为制约
电动汽车发展的主要因素,加快充电配套设施建设刻不容缓。
在电动汽车普及的初期,
充电设施的建设具有投资大收益少的特点,很多私人企业心有余而力不足或者不愿意
冒很大的风险投资建设电动汽车充电设施。
这就需要作为国有特大型能
源企业的电网
企业承担起自己的社会责任,积极推动各类充电设施建设,支持、促进新兴产业的
[2]
发展,为我国实现经济增长方式的转变做出应有的贡献。
1.2国内外电动汽车充电设施发展现状
1.2.1国外电动汽车充电设施发展现状
随着电动汽车的不断发展,国外很多发达国家已经在电动汽车生产、研发以及配
套充电设施领域进行了探索,逐步形成了比较完善的发展框架,在很多方面值得国内
同行借鉴。
下面对国外几个电动汽车能源供给设施相对发达的国家发展情况进行介绍
[10-14]
。
美国各州的充电设施有所不同,但是在全美的许多州际公路上都建有交流充电
桩,并且加州建设力度最大,2012年加州某公司与加州北部的旧金山、奥克兰和圣
何塞等城市的政府联手将于在上述城市的所有居民区、商厦、停车场和政府大楼安装
充电桩,以方便电动汽车充电。
日本政府为了推动电动汽车的发展,将在未来几年建
造千余座充电站。
日本国内的企业也参与充电设施的建设,东京电力公司带头参与有
2电动汽车交流充电桩的设计与研究第一章绪论
关的基础建设,早在2010年东京已建成200多座充电站,预计三年后将增加到1000
座以上。
在东京充电桩更为普及,公路、住宅两旁随处可见。
在欧洲,德国、法国等
国家都将投入大量人力、物力、财力进行了包括交流充电桩在内的充电设施的研发。
德国采取以充电站与电池换电站相结合的方式,按照“电动车首先在大城市运营,而
后覆盖全国”的思路展开。
法国目前以充电站为主,换电为辅的原则开展电动汽车能
源供给设施的建设。
法国施耐德公司研发的交流充电桩在停车场、家用车库等许多场
所随处可见,施耐德公司产品图分为住宅壁挂式、商业充电桩和快速充电桩三种,可
实现充电口充电,通过LEDs显示充电功率和故障等状态,采用身份认证和GPRS通讯。
产品见图1-1落地式交流充电桩;图1-2壁挂式交流充电桩。
图1-1落地式交流充电桩图1-2壁挂式交流充电桩
1.2.2国内电动汽车充电设施发展现状
目前我国交流充电桩主要是以电动汽车充电站的形式运营。
充电站大多局限于面
向电动公交汽车或内部集团用车,还没有建成真正面向不同用户的充电站服务网络。
目前国内已经建成或在建的比较有代表性的充电站有以下几个。
(1)2008年,北京市奥运会期间建设了国内第一个集中式充电站,可满足50辆
纯电动大巴车充电需求。
(2)2009年10月,上海市电力公司投资建成上海漕溪电动汽车充电站,是国
3第一章绪论电动汽车交流充电桩的设计与研究
内第一座具有商业运营功能的电动汽车充电站。
(3)2009年底,北京首科集团在健翔桥建设完成了国内第一个包含完整智能微
网的北京纯电动乘用车示范充电站。
(4)2009年12月31日,南方电网投产的首批电动汽车充电站(桩)在深圳建
成投运,建设规模为2个充电站、134个充电桩。
(5)2010年3月31日,国家电网公司唐山南湖充电站建成投运,是我国首座
国家电网典型设计充电站,可同时为10台电动汽车按快充和慢充两种方式进行充电作
业。
部分国内的交流充电桩见图1-3所示。
图1-3国内部分交流充电桩
通过对所查资料的综合分析,国内外都对交流充电桩进行了相关的研究。
交流充
电桩一般由充电模块、计量计费模块、通讯模块组成,可实现电池状态信息显示、充
电过程远程监控以及计量计费功能,付费方式包括卡、手机支付等,通讯方式采用
[15]
CAN总线、RS485和GPRS等,其中部分国外产品可提供1/2/4个充电接口。
1.3本文选题的意义
我国电动汽车的发展目前与发达国家基本处在同一起跑线上,在某些方面还有资
4电动汽车交流充电桩的设计与研究第一章绪论
[16]
源优势和产业优势,因此具有广阔的发展前景。
如果能在电动汽车发展上取得突破
性进展,一方面缩小了我国汽车产业与发达国家之间的差距,同时也能够很好地缓解
我国能源安全问题和环境污染问题。
电动汽车充电系统是电动汽车整车系
统的关键部
分,对电动汽车能否快速发展起到至关重要的作用。
然而国内电动汽车充电设施与国
外相比,主要存在的问题是关键技术尚处在研究阶段以及充电技术相关标准体系的建
[17]
设方面都有待进一步的研究。
例如,充电机相关标准、充电接口相关标准、充电站
相关标准、动力电池系统相关标准以及计量计费相关标准。
本课题正是在这种背景下,
依托安徽旗翔新能源有限公司,根据当前市场需求,结合目前国内外技术,对交流充
电桩结构与功能进行深入
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