基于PLC的電動汽車充電樁控制系統研究

摘 要：本文以PLC控制器為主控單元，結合PLC各功能模塊，設計了一種電動汽車充電樁控制系統。本控制系統主要包括PLC主控制器、觸摸屏人機交互模塊、充電控制模塊、計量計費模塊、打印模塊。進行了控制系統的軟硬件設計，硬件包括電源設計、充電接口設計等，軟件設計包括PLC主控制器的邏輯編程、觸摸屏組態編程、觸摸屏與PLC主控制器及PLC主控制器和上位機之間的通信參數配置等。

關鍵詞：充電樁;PLC;控制系統;人機交互

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.112

0 引言

我國的汽車行業發展迅速，給我們的生活提供了極大地便利，但由于大量的汽車尾氣排放，也嚴重地污染了環境。因此，汽車行業面臨轉型，如何在汽車行業實現節能減排，已成為世界各國的共識。大力發展新能源汽車已成為各國汽車行業發展的不二選擇。

新能源汽車綠色環保，對環境幾乎不產生污染，因此，各國汽車行業都在積極研發各類電動汽車替代燃油汽車以達到節能減排、保護環境的目的。

然而，由于電動汽車的續航能力差，充電站不普及，無疑礙了電動汽車行業的普及和健康發展。因此，要發展新能源汽車，必須普及汽車充電站。

作為充電站的重要組成部分，充電樁的設計和管理是建設充電站的關鍵。

1 充電樁功能分析

充電樁其功能類似于加油站里面的加油機，用戶可以在觸摸屏上根據自己的電池類型選擇自己的充電模式和繳費方式，既可以用專用的IC卡刷卡繳費，也可以通過互聯網進行電子支付。當繳費信息上傳后，管理系統再將信息發送到充電樁，充電樁則判斷充電金額，執行充電任務;執行過程中，PLC實時監測電量變送器的值，并轉換成消費金額的形式，待消費金額等于充值金額時，則斷開充電輸出，結算費用，完成充電。并可以即時打印單據。

充電樁須有友好的人機界面，具備手動輸入和控制的功能。同時具備遠程啟停功能、數據本地存儲功能等[1]。

2 充電樁硬件設計

（1）主電路：主電路就是充電樁的配電部分，主要是通過各種不同型號的插頭，實現220V電源與電動汽車電池管理系統的鏈接。當PLC控制器發出指令后，主電路的接觸器會閉合，接通市電與電動車充電接口的通路。同時將（接觸器觸點吸合）反饋信號送至PLC控制器對其進行狀態監測。

（2）控制電路：控制電路由PLC主控制器及其功能擴展模塊組成。主要實現充電樁正常運行控制、各功能塊的保護、故障檢測及處理、記錄充電參數，通過觸摸屏顯示充電過程信息及用戶充電金額等信息。

（3）傳感器和通訊接口：包括電量變送器，用于采集和監控充電樁輸入及輸出的電能的電壓、電量、頻率和有功功率等參數;通訊接口包括與電量變送器通信的RS485接口，與以太網通訊的RS485轉以太網模塊，還有用于下載PLC程序的PPI通訊接口。

整個系統主要由PLC主控制器、觸摸屏、即時打印機、計量模塊、充電模塊、電源模塊等組成（如圖1）。

當充電樁進行充電時，主控制器對充電量進行計量和結算，并即時打印憑條，同時將數據進行上傳。

本系統主控制器采用西門子S7-200型PLC，能夠完成充電過程的啟動、充電、計量、關閉等過程的控制，完全能夠滿足要求。觸摸屏選用西門子SMART 700IE V3型，可用觸摸屏編程軟件WinCC_flexible_SMART_V3進行組態。根據觸摸指令進行人機交互、充電管理、憑單打印等。

3 充電樁軟件設計

本系統軟件設計主要包括兩部分，PLC邏輯編程和觸摸屏組態編程。

PLC邏輯控制原理為：PLC對充電樁的運行狀態進行監控，并向工作站系統發送就緒信號，等待用戶充電;當用戶通過IC卡充電或通過手機支付平臺將充電金額等信息發送至中心管理系統，并將信息保存和下發至停車場工作站管理系統，管理系統再將信息發送到終端充電樁，終端充電樁則判斷充電金額，執行充電任務;執行過程中，PLC實時監測電量變送器的值，并轉換成消費金額的形式，待消費金額等于充值金額時，則斷開充電輸出，結算費用，完成充電。

交流充電樁觸摸屏畫面包括主界面和分界面共十幾個，根據本系統功能要求，觸摸屏操作平臺必須能夠實現數據采集、圖形顯示、人機對話、實時數據分析等功能[2]，并方便用戶切換相應畫面;通過組態按鈕、文字、顯示、輸入和功能鍵等部件工具進行觸摸屏操作畫面編輯設計。

4 充電樁監控和通信

整個充電樁系統結構可分為中心管理和數據庫層、中間管理層、終端充電樁。

中心管理和數據庫層：用于和網絡運營商的手機支付平臺進行數據交換及與用戶進行收發短信的功能;管理和控制各充電站的控制中心;將遠程充電樁的狀態及用戶數據儲存在公司自建的服務器中，保障用戶個人信息的安全。

中間管理層：用于管理、監測和控制本站的充電樁的狀態及運行過程，接收發中心管理和數據庫層的充電指令或取消充電指令，并反饋充電樁狀態和數據。

終端充電樁：用于執行充電任務，監控充電參數（充電電量、充電金額、充電前電量、充電后電量等）及運行狀態（充電就緒、充電中、故障、失去連接、充電完成、取消充電、急停等）保護系統安全及用戶充電系統的安全;通過中間管理層向中心管理和數據庫層進行數據的交換。

因此，本系統通信包括三部分：PLC與觸摸屏之間的通信、電動汽車與充電樁之間的通信、充電樁與上位機之間的通信。

（1）PLC與觸摸屏通過RS-485通信電纜連接，通過設置實現連接。

（2）電動汽車與充電樁之間的通信是指電動汽車動力電池管理系統（BMS）與充電樁的通信。BMS能實現對電池分組管理，即時監測電池單體的端電壓、溫度，帶時標存儲記錄，能進行電池充電、放電電流測量，能通過內部通信總線發給各個監測模塊;并且BMS系統對單體電池進行完善的保護，如過壓保護、欠壓保護、總電壓過壓保護、總電壓欠壓保護、過流保護、過溫保護等。

每一臺充電樁都有一個獨立的PLC控制，電動汽車與充電樁之間的信號通過充電線纜進行傳輸，實現載波通信。

（3）系統可通過互聯網通信技術實現對分散的充電樁集中控制、管理和監測。這樣，電動汽車交流充電樁系統能夠使用手機等移動設備在任意充電樁上均可根據充電樁ID和付費短信號碼編輯短信付費充電，亦可采用IC卡，為用戶使用提供更便捷的服務。

5 結束語

新能源汽車綠色環保，因此，各國汽車行業都在積極研發各類電動汽車替代燃油汽車以達到節能減排、保護環境的目的。但充電問題成為了電動汽車發展的主要瓶頸，充電站的建設已成為迫在眉睫的問題。本文以PLC控制器為主控單元，結合PLC各功能模塊，設計了一種電動汽車充電樁控制系統。并通過互聯網實現了遠程全面監控和控制用戶無需購買業務付費IC卡，只需通過發送短信的形式，就能實現繳費充電的功能;系統不僅操作簡單、方便、可靠性高，還能有效提高設備使用效率。

參考文獻：

[1]袁金云，王向東，王冬青，王海銘.基于plc的電動汽車交流充電樁控制系統研發[J].青島大學學報（工程技術版），2015（02）.

[2]李潔，胡曉東，劉巖.PLC與觸摸屏在直流充電樁中的通信研究[J].自動控制，2018（08）.

項目名稱：一種基于PLC控制的電動汽車充電樁的研發

項目編號：2018GX084

作者簡介：孫寶平（1969-），男，山東諸城人，本科，工程碩士，講師，研究方向：機電一體化、物流技術。