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揭秘 | 充电桩接口技术

本文将介绍两种国标充电桩接口——交流充电桩接口和直流充电桩接口,并围绕常用的交流充电接口,介绍相关的接口技术。想要了解的朋友们千万不要错过哦~

一、充电桩接口基本介绍


跟传统油车相比,纯电动车有很多优点,这里就不一一列举,但纯电动车有一个麻烦的地方是需要考虑充电时间长短和电池使用寿命。混合动力领域有好多折中方案比如插电式,增程式等,这样不需要较大的电池容量,相比于纯电动车,缩短了充电等待时间(并且使用汽油/柴油而提高了续航里程)。


而在纯电动车领域,很难单方面优化充电时间或电池使用寿命,鱼和熊掌不可兼得,因为电池的寿命和充电倍率大小有关,一般情况下充放电倍率越大,循环使用次数就越小。


为了保证电池的循环充电次数能在800~1000之间,通常充电倍率应该在0.5C~0.25C之间,采用国家电网供电,利用车载充电机为动力电池充电,这属于慢充方案,配套的公共设施是交流充电桩。


交流充电桩接口


为了应对紧急情况,希望在15~30min分钟内能把电池充满到最大容量的80%,对应的充电倍率应该在2C~4C之间,这属于快充方案,配套的公共设施是直流充电桩。直流充电桩对电池损害比较大,车主花费在更换电池上的成本就会增大,所以如果不是很紧急的情况,应该尽量减少直流充电桩的使用(土豪随意)。


直流充电桩接口


国内外的充电桩原理大同小异,但外形略有区别,如下:




二、详解交流充电桩的接口技术


交流充电桩通过车载充电机为电池充电,相对于直流充电桩而言,交流充电桩成本低,结构简单,对蓄电池更友好,适合大范围面积进行普及推广,接下来将由浅入深介绍一下交流充电桩的接口技术。


交流充电桩(包括国标和非国标)的主要功能就是将单相电或者三相电引出来,充电桩只起到电流中转站的作用,后续的整流+DC/DC变换都是由车载充电机完成。


国标交流充电桩就是在上图所示的原始交流充电桩基础上,添加了一些商业化模块(比如人机交互界面、计费模块、报警模块等)和控制引导电路,控制引导电路是交流充电桩接口技术的核心内容。并且为了单相电和三相电都能兼容,国标交流充电桩接口最终采用的7端子结构,其端子分布方式如下图所示:



各端子功能定义:



充电模式3连接方式B的典型控制导引电路图:



控制导引电路主要作用是用来确认充电接口和充电插座是否连接,然后在充电过程中进行周期性检测,以判断继续充电还是停止充电等。


下面详细介绍控制导引电路的工作原理:

1. 连接确认

(1)车辆控制装置通过检测PE和监测点3之间的电阻值来确认车辆插头和车辆插座是否连接;

(2)充电桩侧的供电控制装置通过检测监测点4或检测点1的电压值来判断供电插头和供电插座是否连接。


2. 充电开始

当车辆接口和供电接口都确认连接后,充电桩将开关S1从12V连接状态切换到PWM状态,并等待车辆控制装置闭合开关S2,此时测检点1峰值电压9V,CP端产生1KHz的PWM波,其占空比代表充电桩额定电流大小。当车辆侧开关S2闭合,代表车辆已经充电准备就绪了,此时检测点1的电压峰值为6V。确认车辆就绪后,充电桩闭合接触器K1和K2,使交流回路导通,充电开始。整个过程中检测点1的电压状态如下:



3. 充电过程周期检测

在充电过程中,充电桩对检测点进行周期性检测,以确认充电连接装置的连接状态和车辆是否处于可充电状态,检测周期不大于50ms。

(1) 在充电过程中,充电控制装置不断检测检测点4和检测点1,如果检测到供电接口断开,则供电控制装置开关S1切换到12V并断开交流供电回路;

(2) 在充电过程中,车辆控制装置不断检测检测点2和检测点3,如果判断车辆接口断开,则车辆控制装置控制车载充电机停止充电,并断开开关S2。


4.充电结束

大致原理如上所述,控制导引电路是充电桩接口技术的灵魂,这对于电动汽车设计者以及使用者至关重要,更为详细的内容请参考国标GBT 20234-2011。

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可编程序控制器

可编程序控制器

可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品,逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制。因而称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。

一、基本结构

虽然可编程序控制器的生产厂家很多,产品型号也各不相同,但其基本结构和工作原理大致相同。图1所示为PLC的典型结构,图2所示为PLC的逻辑结构示意图。

1)CPU

即中央处理器,是PLC的核心部件,起着控制和运算的作用。它能够执行程序完成所需的各种操作,处理输入信号,发送输出信号等。目前小型PLC中多为8位CPU,在高档机中已采用16位或32位CPU。

2)存储器

用于存放程序和数据。它主要可分为两大类:读写存储器RAM;只读存储器ROM。

3)输入输出接口电路

这是PLC与外围设备之间联系的桥梁。输入接口电路接收的输入信号有开关量和模拟量(后者要经过A/D转换),这些可以是按钮开关、选择开关、行程开关、限位开关或传感器输出的量。为了防止电磁干扰进入PLC内部,输入采用了光耦合电路。

输出接口电路也采用了光电隔离,并且有三种形式,即继电器、晶体管和晶闸管,以适应不同的要求。

通过接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。执行部件有电磁装置、接触器和其他执行机构。

二、工作原理

PLC与一般的微机的工作方式是不同的,而且与继电接触器的“并行”方式也不一样,它是采用循环扫描的工作方式。

图3为PLC工作过程示意图。图上表示了一个完整的扫描过程。它分为采样输入、程序执行和输出刷新三个阶段。

采样输入阶段:PLC首先对各个输入端进行扫描,将各输入端的状态送到输入状态寄存器中。

程序执行阶段:PLC中的微处理器逐条执行指令,按要求对输入的状态和原运算结果状态进行处理(包括逻辑、算术运算),并把结果送相应的状态寄存器。

输出刷新阶段:输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接收的电压或电流信号,以驱动被控设备。

以上执行的三个阶段称为一个扫描周期。PLC在完成一个扫描周期后,又重复这个过程。如此周而复始。值得注意的是,由于PLC是采用扫描工作方式,如果PLC正在程序执行阶段,其输入量发生变化,则对应的输入状态寄存器的内容是不会变化的,当然输出信息也就不会随之改变了。必须到执行下一个扫描周期的采样输入阶段,PLC才会采入新的输入数据。由此可见,PLC的循环扫描周期是一个较为重要的指标。一般来说,采样输入和输出控制阶段只需几毫秒时间,故PLC的扫描周期主要取决于程序的执行时间,通常为几十毫秒。

对于慢速控制系统,相应速度不是主要的,所以扫描周期的长短,没有多少影响,相反却能避免某些瞬间干扰,提高了抗干扰能力。对于实时性强的控制系统,响应速度要求较高,这时扫描周期就需慎重考虑。这样就应精心编制程序,尽可能减少执行指令所需要的时间。必须指出,在一些中、高档PLC中,由于控制功能强,控制程序长,所以中、高档PLC采用定时采样和直接输入采样指令。

三、主要性能指标

1)输入/输出(I/O)点数

这是最重要的一项技术指标,是指PLC外部输入、输出端子数。

2)扫描速度

以ms/K为单位,即执行1K步指令所需的时间。1步占1个地址单元。

3)存储容量

通常用K字(KW)或K字节(KB)、K位来表示。这里1K=1024。有的PLC用“步”来衡量,1步占用1个地址单元。它表示PLC能存放多少用户程序。

4)指令系统

它表示出该PLC软件功能的强弱。指令越多,编程功能就越强。

5)内部寄存器(继电器)

PLC内部有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等,还有许多辅助寄存器可供用户使用。因此寄存器的配置也是衡量PLC功能的一项指标。

内部寄存器常冠以“继电器”的名称,目的是在概念上与继电接触器控制电路相同,便于用户理解。例如输入输出继电器是与输入输出点对应的那部分内存单元,它决定了PLC可能配置的最多I/O点数。内部辅助继电器与中间继电器一样,合理使用可实现输入与输出之间的复杂的变换,它的数量也反应了PLC处理能力。

6)其他

PLC除了主控模块外,还可配接实现各种特殊功能的高功能模块,例如A/D模块、D/A模块、高速计数模块、远程通信模块等。

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