基于PLC的电动汽车交流充电桩控制系统研究

第３Ｏ卷第２期　２　０　１　５年６月　青岛大学学报（工程技术版）　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＱＩＮＧＤＡＯ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｅ＆Ｔ）　ＶｏＩ．３Ｏ　Ｎｏ．２　

Ｊｕｎ．２　０　１　５　

文章编号：ｌＯＯ６—９７９８（２０１５）０２—００３８—０４；ＤＯＩ：１０．１３３０６／ｊ．１００６—９７９８．２０１５．０２．００７　基于ＰＬＣ的电动汽车交流充电桩控制系统研究　

袁金云　，王向东　，王冬青　，王海铭　（１．青岛大学自动化工程学院，山东青岛２６６０７１；２．中国海洋大学工程学院，山东青岛２６６１ＯＯ）　

摘要：针对现代社会对交流充电桩的功能需求，本文以ＡＢＢ公司的ＰＬＣ控制器为核心，　设计了一款集读卡器、电表、打印机、触摸屏及保护装置的交流充电桩控制系统。通过Ｉｃ　卡读卡器和实时检测ＰＷＭ模块传回的充电接口电压数值，实现费用控制管理及电动汽　车是否输出电能进行判断，同时利用配套的编程软件ＣｏＤｅＳｙｓ中的梯形图语言编程方　法，实现充电桩充电的自动控制功能，并对充电桩系统进行现场测试。测试结果表明，该　系统有效实现了人机交互、刷卡付费、计量、通讯、保护控制、自检等功能，系统触摸屏界面　清晰、操作反应灵敏，用户可以根据需要自行选择充电模式，充电时间会根据选择的充电　模式自动调整，基本满足设计要求。该系统实现了交流充电桩的充电功能，为后续电动汽　车直流充电桩的设计提供了理论依据。　关键词：电动汽车；交流充电桩；ＰＬＣ；控制系统；充电模式　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　

随着人类对生态环境的日益重视，电动汽车在节能、环保和清洁等方面占据明显的优势，因此，越来越受　到人们的青睐。然而电动汽车与传统汽车相比，具有充电时间长、续航能力差、充电不方便等缺点，使能源补　充成为电动汽车发展的主要障碍。要推动电动汽车的迅速发展，基础设施建设必须同步开展。电动汽车的　能源补充形式包括直流充电桩（站）和交流充电桩（站）两大类ｎ＿２］。直流充电桩实现了电动汽车快速充电，　而交流充电桩为电动汽车提供常规充交流电电源，适合安装在大型停车场、住宅小区、商场、医院等场所ｌ３］，　可以安全方便地为电动汽车充电。近年来，国内外学者对充电桩做了一些相关研究，王涛等人Ｉ４　设计了基于　ＡＲＭ９处理器的交流充电桩；张建伟等人［５　设计了基于低功耗芯片ＳＴＭ３２的交流充电桩控制系统；周濠等　人　提出了基于ＤＳＰ的交流充电桩设计方案；尹婷婷［７　设计且实现了基于Ｉｃ卡的充电桩用户管理系统；刘　玉梅　研究了基于三菱ＰＬＣ技术的电动汽车交流充电系统。以上研究目前还处于初期发展阶段，更深入的　研究很少，基于此，根据电动汽车充电桩的功能要求、相关标准和能源供给方式＿＿９］，本文设计了一款基于　ＡＢＢ公司的可编程逻辑控制器（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）交流充电桩控制系统，解决了电动汽　车的充电计费问题，而且具有友好的人机交互界面和良好的通讯能力，确保用户操作简便安全，提高了系统　的可靠性和稳定性。　

１　交流充电桩功能分析　目前，国内交流充电桩生产商还没有完全统一的生产标准，本文根据国家标准和相关企业标准　，列出　交流充电桩的功能要求，主要包括人机交互、刷卡付费、计量、通讯、保护控制和自检等。　１）人机交互功能。交流充电桩应显示其相关运行状态，充电模式、计费信息及充电电量等，可手动设　置充电参数，手动控制充电桩功能，显示画面应清晰、完整、易操作　。　

收稿日期：２０１４—１２—３０：修回日期：２０１５—０３—１６　作者简介：袁金云（１９９０一），女，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向为系统建模与控制。　通讯作者：王冬青（１９６４一），女，博士，教授，主要研究方向为复杂系统建模与控制及电力电子技术　Ｅｍａｉｌ：ｄｑｗａｎｇ６４＠１６３．ｃｏｍ　第２期　袁金云，等：基于ＰＬＣ的电动汽车交流充电桩控制系统研究　３９　２）　刷卡付费功能。交流充电桩应配备读卡装置，使其能与交流充电桩的交流电能表进行通讯，实现充　电桩的充电计费。　３）　计量功能。交流充电桩应具备计量输出电能量的功能，并计算充电电量，显示充电时间、充电电量　及电费等信息，还应具备通讯功能。　４）　通讯功能。交流充电桩应具备与外部通信的相关接口，以实现与上级监控管理系统的通讯。　５）　保护控制功能。交流充电桩应配置急停开关，当发生紧急状况时，能够在充电过程中及时切断输出　电源。交流充电桩应具备负载、过压、欠压、过热、漏电保护功能，确保充电桩充电过程中安全可靠稳定运行。　６）　自检功能。交流充电桩应具备自检及故障报警功能，当充电桩发生故障时，可以通过指示灯的状态　与人交互。　此外，交流充电桩长期位于室外，需具备长期经受恶劣环境和较强电磁干扰的特点。因此，在元件选型　时，应该选择具有工业级标准的电力电子器件以及带屏蔽功能的通信线。在交流充电桩的内部，结构布置应　合理，便于安装施工，配件易拆卸，方便调试维修。　一　一　２　交流充电桩硬件设计　Ｉ　竺　ｌ　

交流充电桩的硬件系统主要由ＰＬＣ控制器、触　摸屏、Ｉｃ卡读卡器、交流电表、通信模块、微型打印　ｌ模块　机、电源模块、ＰＷＭ模块、充电接口等组成，其硬件　ｌ　系统框图如图１所示。　ｌ　１）ＰＬＣ控制器选用ＡＢＢ公司的ＡＣ５００—　１　ｅｃ。系列ＰＬｃ，完成充电过程的启动、运行、实时监　ｌ　控及关闭功能。ＡＣ５００一ｅＣｏ是一款高性能、紧凑——　型ＰＬＣ，在ＣＰＵ模块上，集成了１２路数字Ｉ／Ｏ且　

ＰＬＣ控制器　以太网Ｉ通信　Ｈｌ模块　

Ｉｃ卡Ｉ　ＲＳ４８５ｌ　ｌｌＰＷＭｌ　读卡器ｒ　ｌＩ模块Ｉ　—　ｌＲＳ４８５　Ｉ—下一　

保护Ｊ　Ｉ交流ｌ　Ｊ充电Ｊ　｛电动　电路广］电表广］接口广］汽车　

图１　交流充电桩硬件系统框图　

可添加７个不同种类的Ｉ／Ｏ扩展模块，具备ｃＯＭ１和ＣＯＭ２　２个串行通讯接口、１个以太网口，１２８　ＫＢ程序　内存。采用ＡＣＳ００ＰＬＣ编程软件（ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｕｉｌｄｅｒ　ｐｌｕｓ，ＣＢＰ）完成硬件组态，采用ＣｏＤｅＳｙｓ软件进行编程，　该编程软件支持６种编程语言，即指令表（ＩＬ）、梯形图（ＬＤ）、结构文本（ＳＴ）、功能块（ＦＢＤ）、顺序功能图　（ＳＦＣ）和连续功能图（ＣＦＣ）。　２）触摸屏。型号为ＴＨ７６５一Ｎ的触摸屏，显示屏幕为７英寸，６万色真彩，支持ＢＭＰ、ＪＰＥＧ格式图　片，集成２个串行通讯接口和１个ＵＳＢ—Ｂ接口（实现数据的快速传输和备份）。触摸屏的界面组态使用　ＴｏｕｃｈＷｉｎ编程工具，采用可视化编程能对系统进行全面监控，完成人机交互、充电管理、数据统计等功能。　３）　ＩＣ卡读卡器。型号为ＳＴ—ＲＦ０４的ＩＣ卡读卡器与ＰＬＣ控制器之间采用串行通讯方式，在进行刷　卡操作时，ＰＬＣ控制器调用ＩＣ卡的读、写程序。ＩＣ卡系统加密方便可靠，能够确保信息安全，支持串口通　讯，可完成Ｉｃ卡付费和身份识别。　４）　交流电表。型号为Ｂ２３—３１２—４００单／三相两用交流电能表，具备１个ＲＳ４８５串行通讯接口，通过　输入电压和电流计量电能，通过４８５通讯将耗能数据传送给ＰＬＣ控制器，从而实现计费。　５）　通信模块。ＰＬＣ控制器的ＣＰＵ模块具备１个以太网接口，可配置ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ或者Ｍｏｄｂｕｓ　ｏｎ　ＴＣＰ／ＩＰ通讯协议方式与外部网络进行通信。　６）　微型打印机。型号为ｗＨ—Ｃ２的微型热敏打印机，采用ＲＳ４８５通讯串口打印票据，通过串行协议　给打印机提供控制命令和打印数据。微型打印机的主要作用是为客户打印本次充电信息，包括充电模式、所　用时间、充电电量、花费金额等。　７）　电源模块。其采用直流２４　Ｖ的开关电源，为ＰＬＣ控制器、触摸屏、控制电路及其它器件提供工作　所需电源。　８）ＰＷＭ模块。脉冲宽度调制（ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）模块把ＰＬＣ输出的２４　Ｖ的ＰＷＭ信　号转换成＋１２～一１２　Ｖ的ＰＷＭ信号。ＰＬＣ主控模块通过调整ＰＷＭ输出的占空比，可调节交流充电桩　４０　青岛大学学报（工程技术版）　第３０卷　的电价信息，通过与充电接口连接的各模拟端口的电压值来判断每个充电接口与车辆的连接情况。　９）　充电接口。采用７针充电插头＿】　，其中有３针连接２２０　Ｖ交流电源线，１针为控制确认插头与　ＰＷＭ模块的ＰＷＭ信号输出端口连接，１针为连接确认插头与ＰＬＣ主控模块的模拟量输人端连接，其余２　针留作备用。　ＰＬＣ控制器通过控制中间继电器、交流接触器等实现充电开始和结束的控制。通过充电接口连接和控　制确认线的电压值，判断充电接口与车辆充电机的连接状态。通过串行通信总线与触摸屏、微型打印机、ＩＣ　卡读卡器及交流电能表进行通讯获取数据，根据所获信息发出指令，控制整个系统有效运行。此外，交流充　电桩设有多个指示灯，指示灯与ＰＬＣ控制器连接，通过当前指示灯的状态判断交流充电桩当前的工作状态。　

３　交流充电桩软件设计　交流充电桩软件部分的设计是其控　制系统的灵魂所在，其主要实现人机交　互、电能计量、计费控制，通讯、保护控　制、自检等功能，控制系统主程序流程图　如图２所示。　当交流充电桩上电时，控制系统初　始化以及自检无误后，触摸屏显示提示　用户刷卡界面。当用户需要充电时，通　过刷有效ＩＣ卡进入充电桩界面，显示当　前ＩＣ卡卡号、余额、可充电量等信息，若　卡内余额为零，界面会提示用户充值，充　电桩再次自检返回到刷卡界面。将电动　汽车与充电桩的充电接口相连接，如果　电动汽车与充电插口连接不正常则报警　并提示请正常连接，连接无误后，用户方　可进入充电模式界面。　本文所设计的交流充电桩有时间模　式、金额模式、电量模式和满充模式４　

开始　＝王＝　初始化　

ｌ　皇竺　Ｉ　

ｌ有效卡Ｉ　

设置充电模式　害　时间模式Ｉ　ｌ金额模式Ｉ　ｌ电量模式Ｉ　ｌ满充模式　图２交流充电桩控制系统主程序流程图　种，选择一种充电模式并输入对应信息后，选择开始充电，若控制系统无报警产生，则进入充电状态，充电指　示灯亮。在充电过程中，通过触摸屏可以看到当前的ＩＣ卡余额、已充电量和充电时间等。如果用户在充电　过程中强行结束充电，界面进入刷卡结算界面。充电完成后，充电桩提示充电完成并提示用户刷卡结算，当　用户刷卡结算，并确认充电信息后提示是否打印票据，本次充电完成。　在软件设计中，根据充电桩的硬件部分功能模块，将软件程序分为ＰＬＣ控制器主程序、读ＩＣ卡程序、读　电能表程序及触摸屏组态程序等模块，各个模块之间相互独立，互不影响。主程序能够有效地协调各个模块　之间的工作，完成整个充电桩的充电过程。　ＰＬＣ控制器主程序包括硬件组态和ＣｏＤｅＳｙｓ源代码编程２部分。触摸屏的界面组态需要组态各个窗　体、控制窗体间的切换以及配置与ＰＬＣ控制器串行通讯接口、微型打印机串行通讯接口的站点号和对象类　型等相关信息。ＰＬＣ控制器通过调用ＩＣ卡的读程序来获取卡内信息，调用写程序把卡号、充值金额以及从　电表获取信息等写人卡内。读电能表程序完成ＰＬＣ与交流电表的通讯，采用Ｍｏｄｂｕｓ　ＲＴＵ通讯协议，其中　ＰＬＣ作主站，交流电表作从站，设置相应参数并通过调用ＣＯＭ—ＭＯＤ—ＭＡｓＴ功能块编制主站控制程序，通　过读取电表内部相应寄存器来获取电压、电流等电能信息。