于勤录
（身份证号码：23082819730127XXXX）
摘要：随着电动汽车产业的不断发展，电动汽车已经家喻户晓被越来越多的人所熟知，但是大家对于为之服务的充电设备还不为人所熟悉，接触的人不多，而大功率充电机多用于充电场站，目前的电动汽车充电站基本都配有经过专门培训的充电人员来进行充电操作。而充电机的智能控制系统在设计时考虑到在使用时可能会遇到的各种情况，通过大量的内部软件程序设计，简化人工操作的复杂性，智能控制充电机和充电车辆的工作。人机交互界面设计的人性化、简洁、方便、实用，尽量减少用户的操作，使用者只需按照提示界面提示进行操作，就可以便捷的为电动汽车进行智能快速充电，甚至能实现在无专人值守情况下的用户自助充电。
前言：
要实现充电机的智能快速充电，必须要有一个可靠、高效、智能的控制程序。充电机的软件设计以人性化和智能化为基础，实时监控充电状态，根据充电电压、充电电流、电池管理信息、充电时间、电池电压、和电池温度等参数设置等信息。对各种信息进行汇总分析和计算，自动选择合适的充电方式，智能控制充电机的输出电压和电流，实现对电动汽车高效、快速、安全的智能充电。充电机能与电池管理系统进行实时通讯并显示充电状态，根据电池状态能实现不同充电阶段的自动转化和充电，也可以根据用户的设定的参数，自动选择合适的方式进行充电。充电机充电枪接口里面有CAN通讯总线，协议符合国标《GB_T27930-2011电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》。
1.主控制程序设计
大功率充电机在通电后会进行初始化，自检正常后进入欢迎页面，显示“请刷卡”字样。首先需要在读卡器位置刷充电卡，充电卡需要身份进行验证，如果验证不合格则会提示为非充电卡，不能提供充电服务，验证通过后进入选择服务页面。可选择的服务有自动充电与手动充电两种充电模式和查询服务可以供用户选择，选择相应的服务，会分别进入对应的子流程，如果取消则返回欢迎使用页面。
图4-1 大功率充电机软件主流程图
Fig4-1 High power charger software flowchart
当充电完成后需要重新刷充电卡结束充电，然后根据本次充电的电量进行结算或把数据传给后台进行扣费，并显示结算信息，其内容包括：本次充电机的使用起止时间、充电时长、电池SOC的起止数值、充电电量、本次充电所用金额以及卡内余额。点击确认后完成充电，延时5秒后会自动跳转到起始页面，主程序流程图如图4-1所示。最后将充电枪从电动汽车充电接口处拔出并放回到一体机的固定位置，充电才算最终完成。
2.主要子程序的设计
主程序里面包含很多子程序，当主程序需要用的什么功能时会调用相应功能的子程序，通过各子程序之间的相互配合和协同工作，才能保证充电机实现智能快速充电和其它各种功能。
2.1 刷卡充电流程的设计
用户在充电时可能存在不同的需求，大功率充电机设计了多种充电方式供用户进行充电选择。充电时需要用户对充电参数进行手动设置，其中充电电压、充电电流和停机电流是必须设置的参数。在设置参数时充电机会给出一定范围值，设置的数值不得超出指定范围，如果参数设置错误会进行提示，需要重新设定。有四种设定的充电方式可以供用户选择，想要在一定时间内充电，可以选择定时充电，设置充电运行时间，时间到了自动停止充电；想要充一定的电量，可以选择定量充电，设置需要充电的电量值，电量达到后自动停止充电；想要充一定金额的电量，可以选择定额充电，设置需要充电的金额值，达到设定金额的电量，充电机自动停止充电；自动充满，当电池充满后会自动停止充电。
设置充电参数需要对电动汽车的充电需求要有一定的了解，合理的设置参数，才能更好的充电。如果参数设置的不合理可能会影响充电效果，达不到预期的目的。因为充电设备允许的输出电压和电流值的范围都会比电池管理的需求值大，这样才能智能快速的进行充电。当设置参数过大时，充电机的实际输出电压和电流值可能会比设置的充电参数值要小，因为为了保护电动汽车的电池，电池管理系统不允许充电机的充电电流值高于其允许的最大充电电流值。如果参数设置太小，可能会延长充电时间。
当用户选择充电服务后，程序会跳转到充电子程序。此时需要在参数设置界面输入自己想要的充电参数，点击上一步则返回选择服务界面，点击下一步，系统会检测参数设置是否正确，如不正确则提示“参数设置错误，请重新设置”，正确则进入充电方式选择界面。可供选择的有定时充电，需要输入具体的时间；定量充电，需要输入充电电量；定额充电，组要输入充电金额；自动充满，无需设置。之后进入连接充电枪界面。此时需要把充电枪与电动汽车的充电接口连接好，系统会自动检测充电枪是否与车辆充电接口进行连接，在一分钟内会持续进行检测，如果超时检测还没有通过则会提示“未检测到车辆连接”，连接确认通过后会与车载电池管理系统进行通讯。如果通讯不上系统会判断是否通讯超时，如果没有超时，系统会再次进行通讯，如果通讯超时会提示“通讯超时”，通讯上后互相发送报文，充电机获取电池管理的充电参数后会与设定的充电参数进行逻辑比较分析，当设定值大于电池管理的允许最大参数值是会以电池管理的参数为标准充电，当小于电池管理的允许最大参数值，选取设定的充电参数进行充电，配置完成后会提示是否充电。如果点击取消则会提示“取消充电”并返回欢迎界面，点击确认则会进入到绝缘检测程序。绝缘检测不通过会提示“绝缘故障，禁止充电”，如果检测通过则会进入充电流程，充电流程图如图4-2所示。
图4-2 刷卡充电流程图
Fig4-2 Manually Charging Flow Chart
2.2 充电流程的设计
在初始充电阶段，电池组的电压低，电池管理的SOC也比较低，可以接受以较大电流进行充电，此时智能控制系统会根据充电参数以大电流来对电池进行快速充电。
充电过程中充电机会与电池管理进行不间断通讯，可以获得电池总电压、电池最高单体电压、电池温度、预计充满时间等电池信息并可以进行查询，如果通讯超时，就会立即停止输出并显示“与电池管理通讯异常”。
充电机的充电模块在充电时会产生大量的热，温度采样电路会将充电机内部的温度值送到控制单元。当温度高于55℃时，为了保护充电机能正常、安全和可靠运行，智能控制系统会自动降低充电机的输出功率，以减少充电模块产生的热量。当温度降到正常时，智能控制系统会重新调整输出参数，充电机自动回复到正常输出。当检测到温度高于安全设定值之后会自动停止输出，并显示“温度过高”的故障信息。
图4-3 充电流程图
Fig4-3 Charging Flow Chart
充电机在充电过程中会与充电模块进行通讯，智能控制充电模块的输出，并监控每一个充电模块的工作状态是否正常，是否有故障信息。充电模块根据收到的指令，调整输出电压和电流值，并自动进行均流。当单个模块有故障但并不会影响整体安全输出时如模块温度过高、输入异常等，系统会自动关闭故障模块并存储故障信息，等充电结束后处理。而智能控制系统会自动调整输出参数，增加其它模块的输出以达到输出要求。如果出现输出过压短路、过压等会影响整体输出或可能引起严重后果的故障则会立即停止输出并声光报警，故障诊断流程图如图3-5所示。
当电池的SOC达到90%以后或电池电压值达到充电机的输出电压设定值后，智能控制系统会自动转换充电模式，降低输出电流，以小电流对电池进行充电，进入均衡充电模式。如果起始充电时电池电压就很高，SOC也超过了90%，充电机则会直接进入小电流均衡充电模式。当充电机检测到用户选择停止充电功能或充电达到自动停机条件时，充电机会迅速减少电流至停机电流，停止充电。充电流程图如图4-3所示。
2.3 故障诊断流程的设计
为了能充分保护充电时的充电设备、电动汽车和用户的人身安全，充电机设计了故障诊断系统，在充电过程中进行实时监控，当系统出现异常或故障时，可以迅速找到原因并进行及时处理。
故障诊断分两部分：一部分是充电机整体故障诊断处理，另一部分是充电模块故障诊断处理，流程图如图4-4所示。
图4-4 故障诊断流程图
Fig4-4 Trouble Shooting Flow Chart
当数据采集汇总到智能控制单元后，首先要判断是属于模块故障数据信息还是整机故障数据信息。如果是整机故障数据信息，首先判断是否有故障，如果有故障则产生故障代码，然后停机、在人机交互界面显示故障信息、故障指示灯点亮并且蜂鸣器报警提示。如果属于模块故障数据信息，判断是否有故障，如果存在故障则判断故障是属于重大故障还是不影响整体输出的故障。重大故障则直接停机、显示故障并进行声光报警提示。不影响整体输出的故障则判断是否是个别充电模块的故障，个别充电模块故障的直接关闭故障模块，其余的则正常工作，如果是有多个模块有故障则直接停机。
结语：
本文主要介绍了大功率充电机的智控制系统的软件设计，充电流程和故障诊断均采用智能控制，智能控制系统能实时监控充电机的工作状态，具有完善的故障自诊断保护功能，将采样数据和通讯数据进行汇总、逻辑分析和处理，根据结果控制并调节各部分的工作状态。通过高智能化和自动化管理，充电机可以对电动汽车进行快速、高效和安全充电。
参考文献：
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[4]严辉 电动汽车充电站监控系统研究[D]. 华北电力大学，2009.
论文作者:于勤录
论文发表刊物:《河南电力》2018年7期
论文发表时间:2018/9/12
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