電動汽車交流充電樁及智能充電控制策略研究

合肥科大智能機器人技術有限公司南京分公司 戴成濤 科大智能電氣技術有限公司 李龍龍 田星星

隨著人們環保意識的增強，越來越多的人在購車時更傾向于選擇電動汽車，而隨著電動汽車使用量的逐年增加，大量汽車在不加引導情況下進行充電，再加之充電時間及空間不確定性因素的影響，必然會使電力系統負荷加大，進一步加大電網優化控制難度，使得電能質量深受影響，為此注重電動汽車交流充電樁及智能充電控制策略研究意義重大。現階段電動汽車充電樁主要有直流及交流兩種。

直流充電樁主要是通過電力電子技術的科學應用，在對交流電進行變壓、整流、逆變及濾波處理后，直接轉換為直流電直接為車載電池充電[1]。這一充電過程雖耗時較短，但會在充電過程中出現電池組間出現不平衡壓差，使得電池活性受影響，進而使得電池使用壽命受到威脅；交流充電樁是一種慢性充電樁，充電完成一般需要6～8小時，但此充電過程較為溫和，會在充電結束期對電池組進行均衡處理，確保每塊電池都能處于滿電狀態；由于此充電樁用時較長，可選擇在用電谷時充電，可實現充電成本的節約。

1 電動汽車交流充電樁功能需求分析

為使汽車充電樁贏得客戶青睞，各充電樁制造商在產品設計時，應對現階段已投入運營的充電樁及用戶對充電樁功能需求進行調研，設計出一款滿足安全性強、操作簡便、計費合理的充電樁。

充電安全，運行可靠。作為現階段奠定汽車主要充電設備——交流充電樁最基礎的功能應該是能為汽車車載電池充電器提供安全、可靠的電能，因此在進行交流充電樁設計時，首先要考慮充電設備及操作人員的安全問題，通過智能系統的科學設計，實現對突發狀況進行準確判斷及處理目的。另外汽車充電樁都是無人值守，要保證連續充電6～8小時的運行可靠性；操作簡便。為保證車主能順利完成登錄、充電參數設置，充電樁必須要具備友好、可靠、便捷的人機交互功能，同時還能對用戶歷史消費記錄進行準確記錄，以方便其隨時進行查詢；無損充電。該功能是用戶對充電樁功能的最重要需求，要求其能在充電過程中有著高質量的電能輸出，以免對汽車及車載電池產生損傷。

充電計費合理、準確。為提升充電樁運行經濟性，制造商在產品設計中要對其計費規則進行合理設計，確保充電過程計費合理、準確，并能讓用戶實時看到充電動態計費數據及電池充電狀態。具體而言可通過如下途徑實現：通過對與專用充電卡配套的讀卡模塊進行科學設計，實現刷卡充電；利用專用管理卡配合樁體密碼設計，進入系統設置界面對充電參數值進行準確設置；通過定時軟件設計恒定充電時間；通過電能計量參數及內部計費規則，對用時實時充電費用進行準確計算[2]。

2 電動汽車交流充電樁系統

2.1 硬件系統設計

結合電動汽車交流充電樁總體設計方案，其硬件設計需滿足以下五點要求：

充電樁系統電源必須安全可靠。系統電源包括輸入、輸出回路及主控板及外圍設備，設計過程中要求這些區域必須安全可靠，滿足系統運行穩定性需求；通訊接口電路穩定可靠。在進行通信接口電路設計時，要根據外圍設備接口工作原理進行串行設計，同時保證主控板與外圍設備間數據交互穩定可靠性。

準確判斷充電接口狀態。充電裝置能否安全啟動完全取決于充電樁接口與車輛連接口連接可靠性。為此，在充電樁硬件系統設計中要能對充電樁與車輛連接狀態進行準確判斷；準確控制充電輸出回路。繼電器通斷由驅動輸出電路進行控制，輸出回路由繼電器交流接觸器進行控制；所選用的CPU 處理器及外圍設備需具備操作簡便、功能強大等特征，同時還應具備方便整個硬件系統安裝、調試及維護特征。

2.2 軟件系統設計

2.2.1 軟件系統流程

汽車充電樁軟件系統主要由讀卡、充電、結算及相關子系統構成。充電操作時先由觸摸屏完成人機交互操作，程序執行時先行讀卡，當卡內顯示電量充足時即提示按確定按鈕進入模式選擇界面，用戶將汽車與充電樁連接好、點擊確認進行充電；當充電結束時再次點擊確定并將卡放到讀寫器上，系統便會讀取卡內信息進行消費扣除并打印消費小票。2.2.2 觸摸屏與PLC 通信及界面設計

界面設計。編程軟件采用三菱公司推出的GT Designer3，該軟件能夠與三菱FX 和A 系列PLC、歐姆龍C 系列PLC 等可編程控制器通信連接；用戶通過觸摸屏界面實現與充電樁的人機交互并能及時掌握充電樁狀態。界面設計主要包括兩個方面：界面按鈕等各種功能組態設計；與PLC、打印機通信參數設置。

觸摸屏與PLC 通信。事先用編程軟件GT Designer3設計好觸摸屏界面并存儲于觸摸屏存儲器中，觸摸屏與PLC 利用RS-232進行連接，為保障系統運行可靠性二者通信參數須保持高度一致[3]。PLC利用自帶的串口與觸摸屏連接，只需在軟件GT Designer3中對相關參數進行準確設置即可。待觸摸屏參數設定完成后，在PLC 中輸入如圖1所示梯形圖便可完成兩者間的通信。在PLC 中使用MOV指令執行畫面切換，當T2接通時MOV 指令將K1傳送給D0便顯示出第一個界面；當T1常開觸點閉合時K2傳送給D0，觸摸屏便顯示第二個界面并下載至PLC 上。

圖1 觸摸屏通信梯形圖

2.2.3 智能IC 卡與PLC 通信程序設計

當用戶操作IC 卡時，PLC 先進行讀卡器卡號識別并讀取卡中數據，同時按照通信協議發送命令。圖2中RS 為串行通信指令，主要用作數據地址設置，并在寄存器完成數據交換后，使PLC 與讀寫器之間數據的實時傳送與接收。每次充電時PLC 就將接收到的數據與之前的數據進行比對，同時根據對比結果驅動充電樁工作[4]。

圖2 讀卡部分梯形圖

2.2.4 打印機與PLC 通信設置

打印機與觸摸屏一個端口直連，并通過另一個端口連到PLC 上，打印的數據存儲于D8120寄存器中，打印機控制板串口DIP 開關用以完成串口參數設置，實現通信連接，將其參數設置為波特率19600比特，數據位8位，校驗位設為偶校驗，握手方式為軟件握手，即XON/XOFF，對應的DIP 開關參數設置為SW1～SW5 OFF，SW6 0N。在PLC 中對寄存器D8120通信格式進行設置，并通過RS 指令實現打印功能。

3 基于改進遺傳算法的有序充電控制策略

為實現電動汽車交流充電樁充電穩定性，文章采用改進遺傳算法對汽車充電初始時刻的優化求解。當電動汽車接入電網后，系統會根據電網的峰谷時段及電價信息，在遵循降低充電成本電網負荷峰谷差基礎上對充電開始時刻進行優化求解[5]。充電樁系統根據已獲得的車輛開始充電時刻、即當其與STM32內部RCT 時鐘提供的系統時間一致時啟動充電，實現汽車充電的智能有序控制。對有序充電控制中的負荷統計采用時段劃分方式。

首先，初始化配電網的分時電價和原始電力負荷信息；獲取電動汽車相關參數，包括汽車接入電網時間Tstart、用戶電量需求SOCend及時間要求T1和汽車電池當前剩余電量SOCstart等；初始化參數設置，種群規模設為20、進化代數設為10000、變異概率設定為1%；根據所設定的充電時間段需求生成充電開始時間和充電時長的初始化種群，采用“格雷碼”法進行基因編碼，編碼位數為8位[6]；將多目標函數式倒數作為選擇算子，計算當前種群各個體適應度值fi=1/Fi，可知個體適應度值越大、用戶充電費用就越低，電網峰谷差和最大峰值就越小。

對充電迭代次數是否滿足要求進行判斷，若不滿足，則選擇最優個體進行解碼輸出；遺傳的父輩個體選擇采輪盤賭算法，種群中各個體被選中概率，可知個體適應度值越大，其被選中的幾率也就越大；父輩個體選擇采用參數遺傳和大變異操作。參數遺傳大變異算法能有效避免遺傳算法過早收斂到局部最優值，采用一個遠大于變異概率設定值的概率對某代集中在一起的種群進行變異操作，其具體過程如下：對當前種群的集中程度進行判斷，當滿足αfmax＜favg時需進行大變異操作，其中fmax和favg 分別表示當前種群最大適應度值和平均適應度值，0.5＜α ＜1為密集因子，其值越接近0.5則大變異操作越頻繁，本文選取0.8；采用一個比變異概率設定值大5倍以上的概率進行變異操作，即將集中起來的種群“打散”。經過大變異操作種群，就可有效避免傳統遺傳算法出現的早熟情況[7]。

當遺傳算法迭代完成后，充電樁系統將獲取最優充電開始時刻。與內部系統時間對比，當時間一致后充電樁將自動開啟充電，實現充電智能控制。