CN107706982A - 集散型控制的充电桩控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集散型控制的充电桩控制系统，涉及充电桩控制系统技术领域。所述系统包括主控制器、功率分配器和VSC并联模块，充电桩中个电源模块的输出端与所述功率分配器的输入端连接，所述功率分配器的电能输出端分别与充电桩上的充电枪连接，所述充电枪以及电源模块的反馈输出端经CAN总线与所述主控制器上的CAN总线通讯模块连接，所述功率分配模块以及充电枪的控制端与所述主控制器的控制输出端连接，所述VSC并联模块的输入端接交流电源。所述系统通过使用CAN总线与各个模块进行通讯，使得各个模块之间相互连接成为一个整体，系统响应速度快、功率分配集成度高、控制方便。

Description

集散型控制的充电桩控制系统
技术领域
本发明涉及充电桩控制系统技术领域，尤其涉及一种集散型控制的充电桩 控制系统。
背景技术
2015年我国新能源汽车呈现爆发式增长，产量37.9万辆，同比增长3.5倍， 中国也成为全球最大的新能源汽车的增量市场。在未来五年全国新能源汽车将 达500万辆保有量的政策目标的预期之下，我们预计到2020年前新能源汽车产 量将会保持大约40％的年复合增速，未来五年继续高增长势头。2016年新能源 汽车产业的增长表现将更为突出。
随着新能源汽车行业的发展、国内环保意识不断加强，新能源产业获得了 国家及地方政府的高度重视，新能源汽车也受到广大车主的追捧，除了汽车本 身的技术和销量问题，配套设施的建设问题也越来越引发政策方面的关注。充 电桩作为新能源汽车推广的重要配套设施，其建设速度与新能源汽车的推广速 度存在密切联系，只有在充电桩数目放量后，新能源汽车才能得以大量使用。
目前市场上多采用一桩一控制的充电模式，通过电源模块将交流电转化为 直流，通过控制继电器的通断进行控制枪电流的输出，一台桩最多配置两把充 电枪，单枪工作时，最大功率可达到电源模块的总和，两枪同时工作时，并联 继电器断开，电源模块A只能给A枪供电，电源模块B只能给B枪供电，变 成了两个独立的系统，如图1所示，控制不方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种系统响应速度快、功率分配集 成度高的集散型控制的充电桩控制系统。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种集散型控制的充 电桩控制系统，其特征在于：包括主控制器、功率分配器和VSC并联模块，充 电桩中个电源模块的输出端与所述功率分配器的输入端连接，所述功率分配器 的电能输出端分别与充电桩上的充电枪连接，所述充电枪以及电源模块的反馈 输出端经CAN总线与所述主控制器上的CAN总线通讯模块连接，所述功率分 配模块以及充电枪的控制端与所述主控制器的控制输出端连接，所述VSC并联 模块的输入端接交流电源，所述VSC并联模块的输出端与充电桩中的电源模块 的电源输入端连接，所述VSC并联模块与主控制器之间通过CAN总线进行数 据交互。
进一步的技术方案在于：所述VSC并联模块包括若干个并联的VSC模块、 滤波电容以及△/Y型隔离变压器并，VSC模块采用单电感滤波，VSC模块之 间并联采用共交直流母线结构，交流侧并联后经过滤波电容C，再通过△/Y 型隔离变压器并网，VSC模块采用双闭环控制结构，同时采用基于dq变换的 锁相环同步电网电压。
进一步的技术方案在于：所述VSC模块包括一个滤波电容Ci、六个 MOSFET管模块以及三个电感L1，所述六个MOSFET管模块每两个相互串联 后再与滤波电容并联，第一个电感L1的一端接第一MOSFET管模块与第二 MOSFET管模块的结点，第二个电感L1的一端接第三MOSFET管模块与第四 MOSFET管模块的结点，第三个电感L1的一端接第五MOSFET管模块与第六 MOSFET管模块的结点，所述三个电感L1的另一端为所述VSC模块的输出端。
进一步的技术方案在于：所述系统还包括上位机，所述上位机与所述主控 制器之间双向连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述系统通过使用CAN总线 与各个模块进行通讯，使得各个模块之间相互连接成为一个整体，系统响应速 度快、功率分配集成度高、控制方便。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术中采用的一桩一控制的充电模式原理框图；
图2是本发明实施例所述系统的集散型控制模式的拓扑结构图；
图3是本发明实施例所述系统与现有技术的负载分别对比图；
图4是本发明实施例所述系统中充电枪和电源模块与主控制器之间的通讯 原理框图；
图5是本发明实施例所述系统中通信周期时间层次图；
图6是本发明实施例所述系统中VSC并联模块的原理图；
图7是本发明实施例所述系统中VSC并联模块的控制原理框图；
图8是本发明实施例所述系统中组态软件的数据处理流程图；
图9是本发明实施例所述系统中操作速率(T)、电源电压(V)以及功耗 (P)三折之间互相变化的关系图；
图10是本发明实施例所述系统中电压动态调整原理框图；
图11是本发明实施例所述系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。
本发明实施例公开了一种集散型控制的充电桩控制系统，包括主控制器、 功率分配器和VSC并联模块，充电桩中个电源模块的输出端与所述功率分配器 的输入端连接，所述功率分配器的电能输出端分别与充电桩上的充电枪连接， 所述充电枪以及电源模块的反馈输出端经CAN总线与所述主控制器上的CAN 总线通讯模块连接，所述功率分配模块以及充电枪的控制端与所述主控制器的 控制输出端连接，所述VSC并联模块的输入端接交流电源，所述VSC并联模 块的输出端与充电桩中的电源模块的电源输入端连接，所述VSC并联模块与主 控制器之间通过CAN总线进行数据交互。
所述系统主要针对充电站采用一桩多枪的集散控制模式，每把充电枪和电 源模块有着唯一的地址码，通过总线向主控制器反馈饱和度，主控制器发出信 号指令控制枪和电源模块的工作。如图2所示，为所述系统的集散型控制模式 的拓扑结构，系统最多能带128个桩体同时工作。
模块的转换效率指的是在输出额定电压时的转换效率值，再为达到模块的 额定输出电压时，电源模块降额输出，此时模块的实际转换效率远远达不到额 定输出电压时的转换效率值，大约为额定效率值的80％，本项目不只在硬件上 改进模块的转换效率，而是通过采用集散控制模式，利用CAN通讯识别出每 个充电模块的地址，操作站监控根据充电站实时功率需求，启动相应数量的充 电模块。使得在整个集散控制模式下，充电站转换效率实时最高。如图3所示， 集中管理的每个充电模块有唯一对应的地址码，在集散控制模式下，充电模块 通过CAN总线向集散系统反馈模块状态，包含实时工作状态下的电压、电流输出，在集散系统中按比例运算出每个充电模块工作饱和度，在充电站多桩体 同时使用时，系统可根据充电模块工作饱和度，重新分配输出，这样可以有效 的避免负载需求不满载时，多个模块同时降额工作的低效率转换；使得每个模 块都在额定功率下工作，都在最优的转换效率下运行，每个模块的转换效率都 达到98％以上，保证整个系统高效工作。
采用KPCI-8110(总线)驱动程序在内部通过中断来处理大量且速率快的 数据，自动将接收到的大量的数据保存在一个容量为10000字节的内存环形缓 冲池内，这个过程不需要用户的干预。用户只需要实时通过函数来查询缓冲池 内的数据量，在内存缓冲池数据溢出之前，再通过函数将数据及时读走，做到 数据的快速，无丢桢的通讯。通过CAN总线把充电枪(与车的通讯)、控制站 以及电源模块连接一起，构成整个通讯网络，如图4所示，总线宽度32位，同 步工作频率可达到33MHz，最高传输速率为132MB/S。
信息分割法的思想是将长度较长的数据分割为多段，仍然通过静态段传输， 而不是放到动态段来传输，用于集散型系统的数据传递。消息放到动态段传输 虽然可以降低静态段的负载率进而提高静态段的有效利用率，但是时间的确定 性无法保证。FlexRay通信周期内有两种媒体接入访问机制:一种是静态段内 使用的时分多址访问机制(TDMA)；另外一种就是动态段使用的基于最小时隙 的柔性时分多址接入方式(FTDMA)。FlexRay通信族群的时间等级划分从低 到高如图5所示，其中最高即通信周期层，由静态段(SS)、动态段(DS)、符 号窗口(SW)和网络空闲时间(NIT)4部分组成，构成它们的最小时间单位是 宏节拍(macrotick，MT)，每个时隙(slot)均由数个MT构成，DS内的最小 时隙是微时隙(MS)。FlexRay通信周期中的slot均由若干MT构成，MT本 身又由若干个微节拍(microtick)组成，而微节拍的大小则是由通信制器的外部 晶振或锁相环决定的。静态段由一些固定大小的静态时隙组成。动态段由一些 时长可变的微时隙组成。静态时隙和微时隙的时间长度都是宏节拍的整数倍， 宏节拍是网络级别的最小时间单位，即所有节点中宏节拍的大小均相同。宏节 拍的长度又是微节拍的整数倍。微节拍是节点级别的最小时间单位，不同节点 的微节拍长度可能不同。
为了最大程度地降低网络负载率U，可通过下面描述的方法进行消息的优 化分割:
(1)给定通信参数和消息参数；
(2)循环求解:for(i＝lmax；i≥lmin；i－－)；
(3)根据分割后的负载长度i计算对应的U和FID；
(4)若帧ID＜1 023，则保存i对应的U和FID；否则不保存，并跳出循 环；
(5)比较并记录最小值U'；
(6)循环结束:end；
(7)此时帧ID大于1 023或者i≤lmin；
(8)得到所有可行i对应的U，FID。
这里，lmax表示所有消息的最长值，lmin表示所有消息的最短值，通过 以上步骤就可以得出消息不同的分割长度i所对应的网络负载率U和FID并 确定最优网络负载率。
假设一个消息集包含n个消息，这些消息的长度分别为l1，l2，l3，…，l n。其发送周期分别为T1，T2，T3，…，Tn。若将这些消息分割成长度为i的 数据进行传输，则总线的负载率为：
式中，li表示长度为l的消息分割成负载段长度为i的消息帧的个数；Ti， MT表示长度为i的数据帧的所占用的MT数
表1通信参数
表2分割前后网络负载率对比
针对储能功率调节系统中共交直流母线电压源换流器(VSC)模块并联运 行易产生高频环流的问题，设计了基于CAN总线的载波同步并联控制方法。 首先分析了载波交错对VSC模块并联系统环流的影响，揭示高频环流形成的 机理。然后利用CAN总线时间基准参考实现模块间较高精度的载波同步，同 时在传统主从控制的基础上引入模块自主监控机制，改进主模块的确定方式， 解决同步控制复杂、冗余性不佳的问题，保证模块间相对独立运行，有效实现 模块间高频环流的抑制。VSC模块并联系统示意图如图6所示，VSC模块采用单电感滤波，模块间并联采用共交直流母线结构，交流侧并联后经过滤波电 容，再通过△/Y型隔离变压器并网。VSC模块采用典型的双闭环控制结构， 同时采用基于dq变换的锁相环同步电网电压。
并联系统由上位机和N个相同的VSC模块构成，并通过CAN总线互相 连接。上位机接受上层调度并向各模块发送功率指令，各模块通过竞争遴选出 一个主模块，其余均为从模块，主从模块间进行载波同步信息的交互，并在主 从模块故障时，通过模块自主监控机制解决故障，保证模块间载波同步，提高 系统的可靠性，如图7所示。
集散控制系统的组态软件编写，对于整个系统的功能实现是至关重要的。 组态软件通过I/O Server从现场I/O现场设备获取实时数据，对数据进行必要 的加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照控制 策略和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整 控制参数。对于需要保存的历史数据进行存储，并提供历史数据的检索功能， 下图直观地表示出了组态软件的数据处理流程。
由图8可看出，实时数据库是组态软件的核心和引擎，历史数据的存储与 检索、事故报警处理与存储、数据运算处理、数据库冗余控制、I/O数据连接 都是由实时数据库系统完成。图形界面系统、I/O Server等组件以实时数据库为 核心，通过高效的内部协议相互通信，共享数据。
电压动态调整技术的作用是来减少云系统中处理任务请求时产生的能耗。 电压动态调整技术就是在云系统中的计算节点处理任务请求的过程中，动态的 调整计算节点处理器的电压和频率等配置参数的值的大小，在不影响计算节点 处理器产生能耗最大值的前提下，尽量达到更加有效地减少系统硬件设备的能 量消耗的目标。
云系统中，计算节点处理一个任务请求的完成时间基本上是固定的，处理 完一个任务请求所用的功耗与处理器的电压大小的平方是成正比的，所以，如 果能够实现减小电压就能够实现减少功耗的目的。图9描述了操作速率(T)、 电源电压(V)以及功耗(P)三折之间互相变化的关系。
电压动态调整技术运用了CMOS数字电路可以在一个大的电压值范围内 工作，并且CMOS电路的功耗与电压的平方成正比的特性，动态调整电压的大 小实现优化能耗的目标。图10表示的是一种电压动态调整机构，描述了电压动 态调整技术是在一个控制算法的控制下对处理器(CPU)进行操作的。时钟和 电压都有一个控制器来控制，控制器的作用就是控制着时钟和电压改变的时间 点以及值改变的幅度大小。这些电路可以对时钟和电压提供一定大小范围内的 值，所进行的对时钟和电压改变的操作都是在一些离散的时间点上，而不是连 续的时间点。
嵌入式系统以嵌入式微处理器为核心，运行嵌入式μClinux操作系统。通 过键盘进行人机对话；数据通过IE浏览器进行显示；重要数据和设置的设备参 数可以以文件形式保存在Flash存储器中；采集数据可以以文件形式保存在 SDRAM中；报警信息可通过网口向上位机传输，用户通过显示界面查看设备 状态，设置设备参数，对数据的查询、回收，实现远程监控、远程维护。系统 结构图如图11所示。
硬件平台我们将选用FS44BOX，其采用Samsung公司出品的一款基于 ARM7TDMI内核的32位RISC结构。使用0.25um的CMOS工艺，其偏上资 源包括2.5V供电的ARM7TDMI内核，8KBCHACHE，2通道DMA，2通道 UART，5通道PWM定时器和1通道内部定时器，71通用I/O端口，LCD控 制器，8通道外部中断输入，8通道10位ADC输入，带PLL的片内时钟发生 器，其主频为66MHz等，开发板上还集成有2M NOR FLASH，16M NAND FLASH，8M SDRM，10M网口，2个串口，1个DE接口等。

Claims (4)

1.一种集散型控制的充电桩控制系统，其特征在于：包括主控制器、功率分配器和VSC并联模块，充电桩中个电源模块的输出端与所述功率分配器的输入端连接，所述功率分配器的电能输出端分别与充电桩上的充电枪连接，所述充电枪以及电源模块的反馈输出端经CAN总线与所述主控制器上的CAN总线通讯模块连接，所述功率分配模块以及充电枪的控制端与所述主控制器的控制输出端连接，所述VSC并联模块的输入端接交流电源，所述VSC并联模块的输出端与充电桩中的电源模块的电源输入端连接，所述VSC并联模块与主控制器之间通过CAN总线进行数据交互。
2.如权利要求1所述的集散型控制的充电桩控制系统，其特征在于：所述VSC并联模块包括若干个并联的VSC模块、滤波电容以及△／Y型隔离变压器并，VSC模块采用单电感滤波，VSC模块之间并联采用共交直流母线结构，交流侧并联后经过滤波电容C，再通过△／ Y 型隔离变压器并网，VSC 模块采用双闭环控制结构，同时采用基于dq 变换的锁相环同步电网电压。
3.如权利要求2所述的集散型控制的充电桩控制系统，其特征在于：所述VSC模块包括一个滤波电容Ci、六个MOSFET管模块以及三个电感L1，所述六个MOSFET管模块每两个相互串联后再与滤波电容并联，第一个电感L1的一端接第一MOSFET管模块与第二MOSFET管模块的结点，第二个电感L1的一端接第三MOSFET管模块与第四MOSFET管模块的结点，第三个电感L1的一端接第五MOSFET管模块与第六MOSFET管模块的结点，所述三个电感L1的另一端为所述VSC模块的输出端。
4.如权利要求1所述的集散型控制的充电桩控制系统，其特征在于：所述系统还包括上位机，所述上位机与所述主控制器之间双向连接。
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