新能源电动汽车智能充换电系统设计.pdf

第31卷第2 期2023 年6 月广州航海学院学报JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME UNIVERSITYVol.31No.2Jun.2023新能源电动汽车智能充换电系统设计黄绍金（泉州职业技术大学中营汽车学院，福建泉州36 2 2 6 8）摘要：为提高新能源电动汽车的充换电效率，设计了一种智能充换电系统.系统包括网络层、终端层和控制层3个层次.在利用车位管理单元读取电池信息和车位占用状态后，在充换电单元中，根据SOC值选择不同充电模式的充电桩补充电能，并通过计量费用实现充电终止操作.以单片机为核心连接检测电路，实时获取充电时的电池状态数据.当出现过流、过压、过热等情况时，通过基于模糊PID的控制模型及时干预或者断电.测试结果表明：应用该系统后,2 5min内电流、电压以及温度均在安全范围内，说明该系统的应用效果较好.关键词：新能源电动汽车；车位管理；SOC值；控制模型；智能充换电系统中图分类号：TP262.78目前,能源危机日益凸显.在各种能源消耗类型中，机动车辆产生的能源消耗占据很大的比例.在这种环境下，新能源电动汽车逐渐得到民众的认可和接受 1.新能源电动汽车不仅减少了对燃油的消耗，也杜绝了燃油燃烧时产生的尾气污染.大部分新能源电动汽车以电力作为驱动能源，一旦电力耗尽，汽车也就无法再运行，因此给电动汽车充换电至关重要 2 .智能充换电是电动汽车能够使用的基础和核心，在此背景下，智能充换电系统的设计和优化具有重要的现实意义.关于充换电系统的研究有很多.张劲霄等人 3针对电动大巴这种汽车类型,设计一种感应式WPT系统，该系统由地面侧变换器、耦合机构、车载侧变换器组成，以30 kW的输出功率为电动大巴补充电能.张艺明等人4 设计了两套不同形状线圈组合而成的功率传输线圈，以此为核心设计一种混合拓扑的电动汽车无线充电系统，该系统实现了强抗位置偏移的性能，使得电动汽车更加自动化和便利化.陈明强等人 5 利用蒙特卡洛的出行链模型模拟了电动汽车充电负荷情况，根据初始充电SOC计算电收稿日期：2 0 2 2-10-2 0基金项目：2 0 19 年度福建省中青年课题（JAT191669）作者简介：黄绍金（19 8 6 一），男，本科，实验师，主要从事汽车检测与维修、汽车电器、新能源汽车研究文献标志码：A文章编号：10 0 9-8 52 6(2 0 2 3)0 2-0 0 53-0 5动汽车电池需要充电的电量，在充电电量边界约束下,利用模糊控制的算法设计有序充电方案.本文结合前人研究经验，设计一种新能源电动汽车智能充换电系统，以期为新能源电动汽车的长远发展提供一些参考.1系统框架设计新能源电动汽车智能充换电系统总体框架分为三层：1)终端层，该层与车位管理单元、充换电单元相连接，布设了系统各种终端设备，如充电设备、传感设备、智能移动设备、电能计量表等；2）网络层，该层由各种通信硬件和通信协议组成，用于传输多种数据信息、发布控制指令；3)控制层，由控制器和各种控制程序组成，用于完成指令控制、信息分发、资源调度以及数据管理等 6 2系系统组成单元设计2.1车车位管理单元车位管理单元主要负责车辆电池信息读取、车54位占用状态、车辆定位等 7 .该单元硬件设备包括RFID射频识别设备、监控设备、地感车辆检测器.RFID射频识别设备是一种非接触式的自动识别设备，主要由阅读器、电子标签、天线组成.在充换电站的人口处，布设一个阅读器和两个天线，入口两侧每侧一个天线，当有车辆通过天线覆盖的入口时，触发阅读器，这时阅读器就会读取粘贴在车辆上的电子标签内信息，获取进人充换电站的车辆身份、电池型号、电池电量以及进人时间等 8 监控设备主要用于区分新能源电动汽车是否到达指定车位，监控车辆充电状态.当监控到车辆存在进人非指定车位、长时间滞留、充换电操作错误等行为时,进行广播提示 9 .地感车辆检测器由地面线圈和检测器组成，用于待充换电车辆的定位地面线圈埋设在地下，检测器贴于车辆底部.地面线圈向地面车位空间发射辐射低频磁场信号，检测器检测地面线圈信号，以此让电动车辆与车载线圈保持对齐，从而实现车辆定位.2.23充换电单元充换电单元主要包括充电桩、电能计量表以及电池快速更换设备等硬件.该单元通过车载充电接线与电动汽车上的电池相连，选择充换电模式，进行直流充电、交流充电或者快速电池更换服务，最后进行计费和收费 10 .2.3系系统控制单元电流信号一检测电压信号一PAD温度信号一电路液晶屏R3通信接口一VR单片指示灯一VDD机AGND时钟芯片一VG键盘一VEECLK1图1充电控制电路图广州航海学院学报系统控制单元以单片机为核心，连接3种检测电路,即电流检测电路、电压检测电路以及温度检测电路，实时获取电动汽车充电过程中的这3种信号，当出现过流、过压、过热等现象时，及时进行干预或者断电操作,以保证安全、稳定充电 1.充电控制电路图如图1所示.3系系统运行程序设计3.1系统运行主程序系统软件是系统运行的逻辑程序，指导各部分一起完成新能源电动汽车智能充换电任务，系统运行主程序如图2 所示.开始参数初始化检测充电桩与汽车电池组的连接状况否支连接状况良好？文是计算电池组的SOC值并确定充电模式充电采集电池电流、电压和温度数据图2 系统运行主程序流程图针对图2 展开具体说明：DS1保护单元DS2（急停开关）AVDD一传感器电动汽车电能计充电量表接口CLK2充电桩第31卷结束断开充电桩与电池组的连接否费用达到预设金额？是暂停充电并读取当前充电费用人是满足充电停止条件？步骤1:初始化系统；步骤2：设置充电参数；步骤3：检查充电桩与新能源电动汽车电池组的连接状况.若连接状况良好，进行下一步；否则，重新连接；步骤4：计算电池组的SOC值；步骤5：根据SOC值确定充电模式；步骤6:开始充电；步骤7：采集电池状态数据（电流、电压和温度）并显示；步骤8：将电流、电压和温度与设定的阈值进行比较，判断是否满足充电停止条件.当电流、电压和温度其中任意一项数值超过设定的阈值，充电停止；否则继续充电；第2 期步骤9：读取当前充电费用；步骤10：判断当前充电费用是否达到用户设定的金额.若达到，停止充电，断开充电桩与新能源电动汽车电池组的连接；否则，继续充电，直至汽车补充的电量达到设定金额 12 。上述系统运行主程序可以划分多个子程序，其中SOC计算子程序、电池状态数据处理子程序、充电控制子程序最为关键.3.2SOC计算子程序SOC,中文叫荷电状态,也叫剩余电量,是电动汽车进行充电模式选择的依据.SOC计算公式如下：S,=So-dt 2(1)A式中,S,代表t时刻新能源电动汽车电池的SOC值，取值0%10 0%，当S,=0时，表示电池放电完全，当S,=100%时，表示电池完全充满；S。代表新能源电动汽车电池初始电量值；k代表库仑效率；l,代表t时刻流过汽车电池的电流；A代表电动汽车电池的额定容量 13根据计算出来的SOC值,本系统设置3种充电模式：当SOC10%时，选择恒流充电模式；当10%80%时，选择正负脉冲充电模式.3.3电电池状态数据处理子程序电池状态数据是充电中断保护程序触发的前提和基础141.在电流检测电路、电压检测电路以及温度检测电路完成数据采集之后，就需要进行去噪处理，去噪处理公式如下：x=f(H_,P(H,(x)I其中，b,1b1 BP=0,1b1 B式中，x代表去噪后的电池状态数据;f代表取“平均”符号;H,代表正向l个单位的时域平移;H_,代表反向l个单位的时域平移;P代表阈值去噪函数；x代表原始电池状态数据;b代表小波变换系数;B代表选定的阅值，去噪处理后,还需要对电池状态数据进行放大处理，公式如下：x=n:n(x)mT式中，x代表放大后的电池状态数据；n代表放大倍黄绍金：新能源电动汽车智能充换电系统设计k1,d/dt误差图3充电控制模型模型控制过程如下：首先计算电池状态数据与预设值之间的差值，然后以差值为输人，对其进行模糊处理,再按照输入模糊规则得到输出PID控制器的3个变量，最后利用PID控制器得出控制量.控制量计算c公式如下：z(t)=K,c(t)+K/c(t)dr+Ka(2)式中,K,代表比例增益;K,代表时间增益;Ka代表微分增益;z(t)代表控制变量;c(t)代表电池状态数据与预设值之间的差值；T代表积分变数;t代表时间.(3)电压过大和温度过高也会对电池造成损害，因此同样可以利用上述控制模型，对电压和温度进行控制.4系统应用测试4.1新能源电动汽车样本为测试所设计系统的应用效果，选择不同类型的新能源电动汽车作为充电对象.这些汽车的电池(4)配置情况如表1所示.55数;n代表放大函数;m代表放大器的增益系数；T代表信号放大器的射频功率 15.3.4充电控制子程序充电控制子程序主要是为了保护新能源电动汽车电池健康而设计.随着电池容量的不断扩大，在不能延长充电时间的情况下，势必会加大充电桩的输出电流，而一旦输出的电流超过新能源电动汽车电池所能承受的最大值，就会损害电池健康，影响使用寿命 16 .面对这种情况，就需要对充电电流进行控制.在这里利用模糊PID算法设计一种充电控制模型，如图3所示.电流、电压、温度7控制对象PID控制器微积时分分间模糊算法充电设备dc(t)(5)dt56类型大型客车中型客车小型轿车4.2充电桩选择充换电站共有3个充电桩，信息如表2 所示.项目充电模式充电桩1恒流充电充电桩2快速充电充电桩3正负脉冲充电4.3新能源电动汽车电池SOC变化小型中型轿车口10080%/期OOS60402000504030V/4甲2010广州航海学院学报表1新能源电动汽车电池配置情况座位车长车宽电池数电池容剩余电输出功电压最大 电流最大温度最大数/座(m xm)5011.46 2.39165.752.2553.8 1.6初始状态充电速度(Ah/h)空闲100空闲200空闲150大型客车客车510时间/min图4SOC值变化情况500限值400W300200100第31卷量（个)量(Ah)16080013040090200表2 3充电桩信息充电参数220A/8kW/24A380 A/16kW/32 A380A/7kW/32A根据大型客车、中型客车、小型轿车3种类型的新能源电动汽车剩余电量选择不同的充电桩进行充电.3种类型的新能源电动汽车的SOC值变化情况如图4所示.4.4系统控制性能分析以小型轿车为例,测试系统一段时间内对电流、电压以及温度的控制能力，结果如图5所示.从图5中可以看出，本智能充换电系统控制下，25min内电流、电压以及温度均在最大值范围内，说明该系统控制能力较强，没有出现电流过大、电压过大以及温度过高的问题，达到了充电时对新能源1520量(Ah)352503025电动汽车电池保护的目的.5040限值30WW2010率(kW)13510090值(V)400400320充电线长度(m)7.55.06.0值(A)50035040电价（元）0.81.00.8限值值(）)403040005结语随着新能源电动汽车的逐渐增多，对充换电系0510时间/min(a)电流15202505图5系统控制性能统有了更高的要求.在此背景下,设计了一种新能源电动汽车智能充换电系统.该系统为汽车充电提供了不同的模式，同时设置了控制模型，以防止出现电流过大、电压过大以及温度过高的问题，保证10时间/min(b)电压1520250510时间/min(c)温度152025第2 期了新能源电动汽车充电的安全性和稳定性.通过测试,证明了本文系统具有较好的应用性能和控制能力.然而,充电系统的功能需求还要进一步完善，以满足电动汽车充电的需要.参考文献：1 份徐素秀，谢冰，秦威，等.电动汽车充电与换电模式定价及投资策略 J.交通运输系统工程与信息，2 0 2 1（0 5：18 3-189.2 朱朱继忠，何晨可，陈婧韵，等.综合能源系统环境下电动汽车充换电设施规划综述 J.南方电网技术,2 0 2 2（0 1）：14-3 2.3张劲霄，杨中平，崔扬，等.用于电动大巴的无线充电系统研发 J.电力电子技术,2 0 2 2(0 2)：6 9-7 1.4张艺明，王辉，沈志伟，等.利用混合拓扑实现强抗偏移性能的紧凑型电动汽车无线充电系统 J.中国电机工程学报，2022(08):2979-2987.5陈明强，高健飞，畅国刚，等.V2G模式下微网电动汽车有序充电策略研究 J.电力系统保护与控制，2 0 2 0（0 8）：141-148.6银泽一，王广柱，程振兴.基于模块化多电平变换器的插电式混合电动汽车系统充电控制策略J.电工技术学报，2 0 2 0(06):1316-1326.7姚蓝霓，李钦豪，杨景旭，等.考虑电动汽车充放电支撑的配用电系统综合无功优化 J.电力系统自动化，2 0 2 2（0 6）：3 9-47.8王呈轩，李弘昌，樊艳芳，等.由光伏直接供电的电动汽车无线黄绍金：新能源电动汽车智能充换电系统设计2020(23):92 100.57充电系统控制策略 J.科学技术与工程,2 0 2 1（2 9）：12 59 5-12602.9杨雅晴，张立炎，龙容，等.电动汽车动态无线充电系统集成线圈设计与实验研究 J.电工电能新技术，2 0 2 0（0 2）：7 3-8 0.10谭平安,廖佳威，谭廷玉,等.基于发射侧T/F变结构补偿网络的恒压/恒流无线充电系统 J.电工技术学报,2 0 2 1（0 2）：248-257.11赵靖英,张振远,张珂.基于H_（）非线性控制器的电动汽车无线充电系统的副边控制设计与参数优化 J.电工技术学报,2 0 2 2(0 3):56 6 -57 7.12佟明昊，程明，许芷源，等.电动汽车用车载集成式充电系统若干关键技术问题及解决方案 J.电工技术学报,2 0 2 1（2 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costmeasurement.Connect the detection circuit with a microcontroller as the core to obtain real-time battery status dataduring charging.When overcurrent,overvoltage,overheating and other situations occur,timely intervention or poweroutage can be achieved through a fuzzy PID based control model.The test results show that after applying thesystem,the current,voltage,and temperature are all within the safe range within 25 minutes,indicating that theapplication effect of the system is good.Key words:New energy electric vehicle;Parking space management;SOC value;Control model;Intelligent chargingand changing system