电动汽车充换电交流充电桩的设计

智能检测与工程控制课程论文论文题目：电动汽车充换电交流充电桩的设计作者：高星辰学号：141835012所在学院：电气与自动化工程学院任课老师：张金龙教授论文时间：2015年6月15日电动汽车充换电交流充电桩的设计高星辰(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏南京210042)[摘要]石油资源属于不可再生资源，同时化石燃料的燃烧不仅对环境造成了污染，同时还产生了温室气体，因此，为了保护环境，具有良好的环保节能效益的电动汽车逐渐走入人们的生活。对于电动汽车来说，在配电网中属于间歇性、分布式、随机性的电力负荷，同时为了让人们使用更加方便快捷，电动汽车的充换电站应该在短时间内完成对电动汽车进行充电，这样，短时间内完成充电，必然对配电网造成一定的影响。电动汽车充电设备的发展对电动汽车整个产业的发展也有着很重要的影响。电动汽车充换电交流充电桩作为最常见的电动汽车充电装置，对电动汽车的发展的影响举足轻重。[关键词]电动汽车；充换电装置；交流充电桩；影响DesignofACelectricvehiclechargingpostsXingchenGaoAbstract:Theoilbelongstothenon-renewableresources.Fossilfuelsnotonlycausedthepollutiontotheenvironment,butalsoproducedgreenhousegaswhenburning.Inordertoprotecttheenvironment,electricvehiclescomesintopeople'slife.EVs,belongstothepowerloadofintermittent,distributed,randomnessindistributionnetwork.Also,inordertobemoreconvenientandquickforEVs'uesers,peoplewanttochargetheirEVsinashorttime,whichwillcausecertaininfluencetothedistributionnetwork.andthewholeindustry.ElectricvehicleinelectricacchargingpileisthemostcommontypeofEVschargingdevice,isquiteimportanttodevelopmentofelectricvehicles.Keywords:EVs;ChargingandswitchingdevicChargingandswitchingdevice1引言目前，电动汽车核心技术的不断突破，加之政策的大力扶持，在未来两年内电动汽车会进入成长快速期，电动汽车的市场及生产规模会迅速扩大。电动汽车充电设施是电动汽车产业链中不可忽视的重要组成部分，在大力发展电动汽车产业的同时还应充分兼顾充电设施的发展。由于电能是一种二次能源，随着智能电网的快速发展，电动汽车及其配套设施充电站的建设，也要朝智能化，高效利用电力资源方向发展电动汽车充电桩采用的是交、直流供电方式，以电能作为动力，解决了因汽车尾气而造成的环境污染，适合低碳城市的发展。近年,作为充电站建设配套设施的电动汽车充电桩也因此得到了迅猛的发展。交流充电桩是一种供电装置，主要是为固定安装在电动汽车上的车载充电机提供交流电源的。交流充电桩没有充电功能，只提供电力输出，需连接车载充电机为电动汽车充电。交流充电桩设计要求的功能规范主要有以下几点：①交流充电桩可以提供AC220V/7kw供电能力；②交流充电桩要具备相应的保护功能，如漏电、短路、过压、欠压、过流保护等，以确保其自身安全可靠运行；③交流充电桩应具备必需的人机接口，如显示、操作等；④交流充电桩应具有交流充电计量功能；⑤交流充电桩应设置支持RFID卡、IC卡等常见的刷卡方式的必要的刷卡接口，并配置打印机，提供票据打印功能；⑥交流充电桩还应具备充电接口的连接状态判断、控制导引等完善的安全保护控制功能。综合交流充电桩设计要求的功能，设计的电气系统原理框图如下：图1.1交流充电桩电气系统原理框图2充电桩硬件电路设计2.1控制器硬件整体充电桩控制系统是充电桩系统设计的重要组成部分，采用C44B0X微处理器进行控制管理电池管理系统从控制器、充电机、与从控制器及上位机进行通讯，CAN/LIN网络通讯，和动力电池组基本信息的采集和状态显示等，充电桩控制器硬件框图如图2-1所示。C44B0X控制器系统的控制下，用户可自助刷卡实现用户鉴权、余额查询、计费查询等功能。用户还可根据液晶显示屏指示选择充电模式，包括按时间充电、按电量充电、自动充满、按金额充电等。图2-1充电桩控制器硬件框图时控制系统硬件主要包括微处理单元电路、电能输出控制单元电路以及控制系统电源电路。一部分是针对充放电控制的电路，包括信号采集电路、信号调理电路；另一部分则是微处理单元电路、电能输出控制单元电路、控制系统电源电路以及传统的S3C44B0X的外围电路，其中包括实现该系统所需要的5V、3.3V、2.5V电压转换的电源电路、液晶显示接口电路、NandFlash电路设计、NorFlash电路设计、声光报警电路等。2.2电源电路S3C44B0X的I/O接口采用的是3.3V供电，内核采用的是2.5V供电，但是系统的外部是用5V直流稳压电源进行供电的。这就要考虑到系统供电的可靠稳定性，因此我们要通过选择合适的旁路、去耦电容，来消除各种干扰信号，最终选用集成线性稳压电源转换芯片对内核和S3C44B0X的I/O口进行供电。本系统分别选用LM1117-2.5电源转换芯片和LM1117-3.3电源转换芯片来现5V电压到2.5V电压的转换以及完成5V电压到3.3V的电压转换。如图2-2所示的电路中，电容和电解电容起到了提高回路稳定性和瞬态响应的作用：电容的作用是滤除高频信号，电解电容的作用是滤除低频信号。图2-2电源电路2.3NorFlash电路设计在处理器工作的过程中，难免避免掉电情况的发生，掉电后仍需要保存的数据和代码是通过ROM来保存的，可是处理器S3C44B0X自身不带ROM，掉电后就需要通过外接ROM来保存需要的数据和代码。FlashROM很适合作为处理器S3C44B0X的外接ROM,它具有以下优势：①FlashROM在处理器断电的情况下，所存储的数据信息并不丢失，所以它是长寿命、非易失性存储器。该存储器是以固定区块为单位进行数据删除的，而不是以单个字节为单位的，且各个单位的区块大小大致是256KB~20MB。FlashROM与EEPROM功能相似，但它不是整个芯片的擦写，而是在字节水平上的删除和重写。这也是FlashROM与EEPROM不同的地方，实际上FlashROM更新速度较EEPROM快。②FlashROM与处理器之间的交互所采用的是标准总线接口，控制器对它的读取仅需通过硬件设定OM1~0和大小端，很方便地计算出FlashROM的数据长度和位序，而不需要任何软件上的繁琐设置。FlashROM要存放系统的启动代码，系统启动代码应该放置在地址0x00000000处，系统上电复位后，处理器就会从0x00000000地址处开始取指令运行。本设计选用的片外ROM是SST公司的CMOS多用途FlashROMSST39VFl601,其容量是1M×16b，芯片内部有一个256位的安全ID空间、可靠性较强。它的特点是：低功耗、快速读取、能锁存地址和数据、能自动进行写时序、写结束的检测，并且其与CMOS电平的I/O口相兼容、符合电子器件工程联合委员会（JEDEC）标准。如图2-3所示的是S3C44B0X控制器和SST39VFl601之间的接口电路，SST39VFl601的数据宽度为16位，数据接口为DQ15~0。FlashROM映射在处理器的Bank0的地址空间，因此SST39VFl601的片选线与处理器S3C44B0X的nGCS0相连接。又由于微处理器S3C44B0X是按字节编址的，SST39VFl601的存储单元是以16位为一个单元的，因此S3C44B0X的地址位ADDR20~1对应着SST39VFl601的地址A19~0，相当于处理器的地址“左移”了一位。图2-3S3C44B0X控制器和SST39VFl601的接口电路2.4NandFlash电路设计在充电桩控制系统中，S3C44B0X是硬件部分的中央处理器，而实时操作系统μC/OS-II是硬件资源的调度中心，它和启动程序就存放在FLASHROM中。本控制系统把电压、电流和温度传感器的历史记录存放到NandFlash中，以方便监控和历史数据查询，实现很好的人机交互功能。当需要存储少量的代码、需要多次擦写的情况下，NorFlash更适合一些;而当面对高数据存储密度的情况下，NandFlash就比较适合。Nand结构提供了极高的单元密度,并且写入和擦除的速度也较NorFlash快。S3C44B0X控制器也没有直接提供与NandFlash存储器的接口解决方案，因此在读写的过程都要靠软件编程来实现。系统选用了三星公司生产的NAND型存储芯片K9F2808U0C，它是NAND结构FLASH存储器件，是一款性价比颇高的大容量数据存储器。该芯片的特点是：①供电电压时2.7V~3.6V；②芯片容量是132Mbits，由1024块组成，每块由32页组成；③读和写以页为单位，擦除以块为单位，其读、写、擦除操作都很方便地通过命令来完成的；④其有8位可复用的并行口，可作为地址和数据的输入输出引脚，还可作为命令的输入引脚。S3C44B0X控制器与K9F2808U0C的接口电路如2-4图所示。在图中，GPC0为输入，GPC1~GPC3为输出，K9F2808U0C的GPC0~GPC3作为信号控制线，或门74HC32产生了NandWE和NandRE的信号。图2-4S3C44B0X控制器与K9F2808U0C的接口电路2.5LCD接口设计本设计选用的控制芯片S3C44B0X集成有常用的LCD液晶显示器控制单元。同一个液晶控制器可以控制不同的液晶屏幕。LCD驱动控制器可通过编程来设置不同的行和列像素数、接口时序、屏幕刷新率以及数据总线宽度。LCD控制器的外部接口信号有：帧同步信号VFRAME、线同步脉冲信号VLINE、像素时钟信号VCLK和LCD驱动器的AC信号VM等。它们的作用分别为：①帧同步信号是为与显示信号的帧保持数据同步而告知新信号的开始，该信号的信号线与LCD模块的FRM信号线相连接；②线同步信号是实现液晶控制器将水平线数据移到液晶驱动器、液晶驱动器又将移位寄存器的内容送入LCD显示的过程；③像素时钟信号是在时钟的上升沿送出液晶控制器的数据，液晶驱动器在时钟下降沿进行数据采样；④液晶驱动器的AC信号是为改变行和列的电压极性，控制像素点的显示和熄灭。图2-5控制器的逻辑图2.6交流充电桩控制导引电路设计控制导引电路的作用有：①充电前，确认交流充电桩与电动汽车的连接正确与否；②识别供电的功率和充电连接装置的载流能力；③充电过程的监测。根据《电动汽车充电系统技术规范第5部分:交流充电桩》的规定，控制引导电路的原理接线方式如图2-6所示。首先，交流充电桩判断接头是不是已完全接入到车辆插孔中，这是通过检查监测点的电压值来实现的；接头插入插孔中后，S1开关会闭合，继而振荡器的信号会传输到监测点，充电桩自检完毕，准备实施充电。充电起始阶段：可靠连接电动汽车的充电插头和充电桩的供电插座，控制引导电路闭合，当检测点的电压减半时表明车辆已经正确连接—车辆接收占空比判断信号，设置车载充电机到相应负荷的工作状态—正电压减半状态被检测到持续2秒后，充电桩负荷开关闭合，开始供电；充电中：车载充电机对电池充电过程中，引导控制电路持续工作—检测点的电压在回路中出现任意断点时都将改变，充电桩会即时断开负荷开关，中断充电过程—充电桩接收上层负荷控制信号，并及时调整振荡信号的占空比，进而调整车载充电机的输出功率。图2-6控制引导电路