1、電動汽車交流充電樁系統設計摘要：推動電動汽車交流電充電樁的發展具有重要的現實意義，基于交流充電 樁功能的分析，文章從硬件、軟件兩大方面對電動汽車交流充電樁系統的設計進 行了研究，并對完成后的充電樁系統設計做了性能檢測。關鍵詞：能源；節能減排；電動汽車；充電樁；系統設計；性能檢測隨著我國國民經濟的持續發展，石油資源需求日益增加，造成能源供需及環境污染矛盾 越來越嚴重，節能減排也逐漸成為各國政府越來越重視的技術難題。電動汽車具有零排放、 節能等優點，因此，電動汽車產業無疑是未來汽車產業發展的方向。然而，充電系統是電動 汽車實現電能補給的基礎設施，也是電動汽車產業化和市場化的重要前提，但目前國內充電

2、 站和電池交換站等新能源汽車基礎配套設施建進程緩慢，覆蓋面不廣造成電動汽車推廣緩慢。 為達到穩定地為電動車充電和節能減排的目的，文章設計了一款基于PLC的電動汽車交流充 電樁控制系統，內容包括交流充電樁硬件設計以及交流充電樁軟件設計。在充電樁系統設計 完成后對其進行了現場測試，測試結果表明該系統能夠取得較好效益，并為電動汽車用戶， 提供較為便利的使用和操作，以及美觀的造型，以期該設計能為實現電動汽車產業化和市場 化貢獻一份力量。1交流充電樁功能分析當前，國內交流充電樁生產商還沒有完全統一的生產標準，本文根據國家標準和相關企 業標準，列出交流充電樁的功能要求，主要包括人機交互、刷卡付費、計量、通

3、訊、保護控 制和自檢等。1）人機交互功能。交流充電樁應顯示其相關運行狀態，充電模式、計費信息及充電電量 等，可手動設置充電參數，手動控制充電樁功能，顯示畫面應清晰、完整、易操作。2）刷卡付費功能。交流充電樁應配備讀卡裝置，使其能與交流充電樁的交流電能表進行 通訊，實現充電樁的充電計費。3）計量功能。交流充電樁應具備計量輸出電能量的功能，并計算充電電量，顯示充電時 間、充電電量及電費等信息，還應具備通訊功能。4）通訊功能。交流充電樁應具備與外部通信的相關接口，以實現與上級監控管理系統的 通訊。5）保護控制功能。交流充電樁應配置急停開關，當發生緊急狀況時，能夠在充電過程中 及時切斷輸出電源。交流充

4、電樁應具備負載、過壓、欠壓、過熱、漏電保護功能，確保充電 樁充電過程中安全可靠穩定運行。6）自檢功能。交流充電樁應具備自檢及故障報警功能，當充電樁發生故障時，可以通過 指示燈的狀態與人交互。此外，交流充電樁長期位于室外，需具備長期經受惡劣環境和較強 電磁干擾的特點。因此，在元件選型時，應該選擇具有工業級標準的電力電子器件以及帶屏 蔽功能的通信線。在交流充電樁的內部，結構布置應合理，便于安裝施工，配件易拆卸，方 便調試維修。2交流充電樁硬件設計交流充電樁的硬件系統主要由PLC控制器、觸摸屏、IC卡讀卡器、交流電表、通信模塊、 微型打印機、電源模塊、PWM模塊、充電接口等組成，其硬件系統框圖如圖1

5、所示。1）PLC控制器選用ABB公司的AC500eCo系列PLC，完成充電過程的啟動、運行、實 時監控及關閉功能。AC500 eCo是一款高性能、緊湊型PLC，在CPU模塊上，集成了 12路 數字I/O且可添加7個不同種類的I/O擴展模塊，具備COM1和COM2 2個串行通訊接口、 1個以太網口，128KB程序內存。采用AC500PLC編程軟件（control builder plus，CBP）完成 硬件組態，采用CoDeSys軟件進行編程，該編程軟件支持6種編程語言，即指令表（IL）、 梯形圖（LD）、結構文本（ST）、功能塊（FBD）、順序功能圖（SFC4.4208）和連續功能圖（CFC）

6、。2）觸摸屏。型號為TH765 N的觸摸屏，顯示屏幕為7英寸，6萬色真彩，支持BMP、JPEG格式圖片，集成2個串行通訊接口和1個USBB接口（實現數據的快速傳輸和備份）。 觸摸屏的界面組態使用TouchWin編程工具，采用可視化編程能對系統進行全面監控，完成 人機交互、充電管理、數據統計等功能。3）IC卡讀卡器。型號為ST RF04的IC卡讀卡器與PLC控制器之間采用串行通訊方式， 在進行刷卡操作時，PLC控制器調用IC卡的讀、寫程序。IC卡系統加密方便可靠，能夠確保 信息安全，支持串口通訊，可完成IC卡付費和身份識別。4）交流電表。型號為B23312400單/三相兩用交流電能表，具備1個R

7、S485串行通 訊接口，通過輸入電壓和電流計量電能，通過485通訊將耗能數據傳送給PLC控制器，從而 實現計費。5）通信模塊。PLC控制器的CPU模塊具備1個以太網接口，可配置TCP/IP、UDP或者 Modbus onTCP/IP通訊協議方式與外部網絡進行通信。6）微型打印機。型號為WH C2的微型熱敏打印機，采用RS485通訊串口打印票據，通 過串行協議給打印機提供控制命令和打印數據。微型打印機的主要作用是為客戶打印本次充 電信息，包括充電模式、所用時間、充電電量、花費金額等。7）電源模塊。其采用直流24V的開關電源，為PLC控制器、觸摸屏、控制電路及其它器 件提供工作所需電源。8）PWM

8、模塊。脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）模塊把PLC輸出的24V 的PWM信號轉換成+ 12一12V的PWM信號。PLC主控模塊通過調整PWM輸出的占空比， 可調節交流充電樁的電價信息，通過與充電接口連接的各模擬端口的電壓值來判斷每個充電 接口與車輛的連接情況。9）充電接口。采用7針充電插頭，其中有3針連接220V交流電源線，1針為控制確認 插頭與PWM模塊的PWM信號輸出端口連接，1針為連接確認插頭與PLC主控模塊的模擬量 輸入端連接，其余2針留作備用。PLC控制器通過控制中間繼電器、交流接觸器等實現充電開始和結束的控制。通過充電 接口連接和控制確認線的電壓

9、值，判斷充電接口與車輛充電機的連接狀態。通過串行通信總 線與觸摸屏、微型打印機、IC卡讀卡器及交流電能表進行通訊獲取數據，根據所獲信息發出 指令，控制整個系統有效運行。此外，交流充電樁設有多個指示燈，指示燈與PLC控制器連 接，通過當前指示燈的狀態判斷交流充電樁當前的工作狀態。3交流充電樁軟件設計交流充電樁軟件部分的設計是其控制系統的靈魂所在，其主要實現人機交互、電能計量、 計費控制，通訊、保護控制、自檢等功能，控制系統主程序流程圖如圖2所示。當交流充電樁上電時，控制系統初始化以及自檢無誤后，觸摸屏顯示提示用戶刷卡界面。 當用戶需要充電時，通過刷有效IC卡進入充電樁界面，顯示當前IC卡卡號、余

10、額、可充電 量等信息，若卡內余額為零，界面會提示用戶充值，充電樁再次自檢返回到刷卡界面。將電 動汽車與充電樁的充電接口相連接，如果電動汽車與充電插口連接不正常則報警并提示請正 常連接，連接無誤后，用戶方可進入充電模式界面。本文所設計的交流充電樁有時間模式、金額模式、電量模式和滿充模式4種，選擇一種 充電模式并輸入對應信息后，選擇開始充電，若控制系統無報警產生，則進入充電狀態，充 電指示燈亮。在充電過程中，通過觸摸屏可以看到當前的IC卡余額、已充電量和充電時間等。 如果用戶在充電過程中強行結束充電，界面進入刷卡結算界面。充電完成后，充電樁提示充 電完成并提示用戶刷卡結算，當用戶刷卡結算，并確認充

11、電信息后提示是否打印票據，本次 充電完成。在軟件設計中，根據充電樁的硬件部分功能模塊，將軟件程序分為PLC控制器主程序、 讀IC卡程序、讀電能表程序及觸摸屏組態程序等模塊，各個模塊之間相互獨立，互不影響。 主程序能夠有效地協調各個模塊之間的工作，完成整個充電樁的充電過程。PLC控制器主程序包括硬件組態和CodeSys源代碼編程2部分。觸摸屏的界面組態需要組 態各個窗體、控制窗體間的切換以及配置與PLC控制器串行通訊接口、微型打印機串行通訊 接口的站點號和對象類型等相關信息。PLC控制器通過調用IC卡的讀程序來獲取卡內信息， 調用寫程序把卡號、充值金額以及從電表獲取信息等寫入卡內。讀電能表程序完

12、成PLC與交 流電表的通訊，采用Modbus RTU通訊協議，其中PLC作主站，交流電表作從站，設置相應 參數并通過調用COM_MOD_MAST功能塊編制主站控制程序，通過讀取電表內部相應寄存器 來獲取電壓、電流等電能信息。4性能測試充電樁系統設計完成后，對其進行現場測試，測試結果表明，充電樁有效實現了人機交 互、刷卡付費、計量、通訊、保護控制、自檢等功能。系統觸摸屏界面清晰、操作反應靈敏。 用戶可以根據需要自行選擇充電模式，充電時間可根據選擇的充電模式自動調整，當用戶刷 有效IC卡成功后，系統進入主界面。進入充電樁充電界面時，觸摸屏能夠實時顯示充電電壓、 充電電流、已充電量、已充時間等信息。因此，該控制系統很好地實現了交流充電樁的充電 功能。5結束語總之，在石油資源短缺與全球氣候變暖的背景下，低碳環保的電動汽車會經成為汽車行 業未來主要發展趨勢，推動電動汽車交流電充電樁的發展具有重要的現實意義。綜上所述， 文章設計了一種基于PLC控制器的電動汽車交流充電樁控制系統，經性能檢測，該系統能夠