安科瑞電氣有限公司

摘要：現(xiàn)階段由于充電站內(nèi)的電費(fèi)計(jì)量模塊不能接入電網(wǎng)公司電表系統(tǒng)，電網(wǎng)公司需額外加裝電表獲取充電數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了一種基于儲(chǔ)能電表的充電站，整合電表與充電站的重復(fù)功能模塊。利用STM32F103C8T6微控制器結(jié)合控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線完成充電站與儲(chǔ)能電表之間的電氣連接和交互控制，并進(jìn)行了樣機(jī)開發(fā)驗(yàn)證。結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)充電站，基于儲(chǔ)能電表的充電站可以簡(jiǎn)化充電站結(jié)構(gòu)，降低充電站制造、安裝成本，更好地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車和電網(wǎng)間的互聯(lián)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；儲(chǔ)能電表；充電站；樣機(jī)開發(fā)

0引言

近年來我國(guó)電動(dòng)汽車(ElectricVehicle，EV)銷量持續(xù)猛增，根據(jù)預(yù)測(cè)2021年中國(guó)新能源汽車銷量或?qū)⒊^180萬輛，相較2020年銷量同比增長(zhǎng)明顯。一方面持續(xù)增長(zhǎng)的EV充電負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生新的充電高峰，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊，另一方面，EV充電負(fù)荷有很強(qiáng)的時(shí)空靈活性和儲(chǔ)能特性，可作為電網(wǎng)的后備電源。這就對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度和EV的配套充電設(shè)施性能提出了更高的要求。為充分發(fā)揮EV移動(dòng)儲(chǔ)能特性，緩解EV充電對(duì)電網(wǎng)的不利影響，電網(wǎng)公司需要掌握EV的實(shí)時(shí)充電信息。

現(xiàn)有的充電站內(nèi)部雖然有獨(dú)立的電費(fèi)計(jì)量模塊，但是由于電網(wǎng)公司對(duì)其計(jì)量結(jié)果并不認(rèn)可，因此未接入到電網(wǎng)公司電表系統(tǒng)，使得電網(wǎng)公司無法直接獲取準(zhǔn)確的EV充電數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的解決方案是在充電站端口額外加裝一塊電網(wǎng)公司電表。由于加裝電表和充電站在電費(fèi)計(jì)量功能的重復(fù)性，這種方案不僅增加了充電設(shè)施體積還增加了充電設(shè)施制造、安裝成本。

針對(duì)此問題，考慮到儲(chǔ)能電表以智能芯片為核心，具有電能計(jì)量、自動(dòng)控制、信息交互等功能的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于儲(chǔ)能電表的充電站，對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能電表進(jìn)行改裝，拓展充電站控制功能，完成充電站和電表的有機(jī)結(jié)合。首先在儲(chǔ)能電表中加入充電控制模塊，然后使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork，CAN)總線連接電表和充電槍等器件，通過儲(chǔ)能電表的控制模塊對(duì)充電過程進(jìn)行控制，并加裝漏電保護(hù)裝置、急停按鈕以及防護(hù)外殼等器件。將儲(chǔ)能電表拓展為一個(gè)完整的充電站。本文介紹了基于儲(chǔ)能電表的充電站硬件組成部分，隨后進(jìn)行樣機(jī)開發(fā)驗(yàn)證，之后總結(jié)現(xiàn)有方案的不足，展望了技術(shù)發(fā)展方向。

1基于儲(chǔ)能電表的充電站硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車要完整的實(shí)現(xiàn)充電流程，離不開電能輸送裝置和電能計(jì)量裝置。現(xiàn)有的充電站和加裝在其端口的電網(wǎng)公司電表有很多相同功能模塊，具體如圖1所示。

相同的功能模塊不僅使充電設(shè)施整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，更增加了制造成本。在設(shè)計(jì)過程中考慮基于可接入電網(wǎng)公司系統(tǒng)的儲(chǔ)能電表進(jìn)行拓展，使其具備充電站控制功能，將充電站和電表進(jìn)行整合。基于儲(chǔ)能電表的充電站主要包括儲(chǔ)能電表、充電站和前端斷路器三部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。從電網(wǎng)側(cè)引入的火線和零線依次接入儲(chǔ)能電表和充電站，以便儲(chǔ)能電表對(duì)于通過火線和零線輸入的電能進(jìn)行采樣和計(jì)量及充電站向EV輸出電能。

1.1儲(chǔ)能電表部分

基于DDSY1352型單相儲(chǔ)能智能電能表進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，儲(chǔ)能電表的主控單元采用STM32F103C8T6微控制器作為核心控制器件，控制RS485通信模塊、電源模塊、液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)、采樣模塊以及充電站完成相應(yīng)功能。主控單元組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電源模塊采用MC33063ADR2G電源芯片，經(jīng)過內(nèi)置降壓器降壓后，為其他各功能模塊提供電能，其主要電路如圖4所示。

通信模塊方面，在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下為了設(shè)備間的通信，選用無線傳輸距離更遠(yuǎn)、傳輸速率更高、支持多站通信的RS485通信模塊。儲(chǔ)能電表中的采樣模塊經(jīng)過分壓電阻、采樣電阻、電流互感器獲得電壓信號(hào)、火線電流信號(hào)和零線電流信號(hào)用于電能計(jì)量。LCD屏可顯示充電費(fèi)用、充電時(shí)長(zhǎng)、充電電量、充電狀態(tài)等內(nèi)容。時(shí)鐘復(fù)位電路用以保證時(shí)間的準(zhǔn)確性。對(duì)于電表和充電站之間的連接及控制問題，使用實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)的CAN總線連接實(shí)現(xiàn)。此外儲(chǔ)能電表內(nèi)部還設(shè)有一組繼電器，微控制單元(MicrocontrollerUnit，MCU)可通過控制繼電器的開合來控制充電站輸出電能。在實(shí)際應(yīng)用過程中，MCU根據(jù)卡片感應(yīng)信號(hào)、電能電量計(jì)量信號(hào)以及按鍵信號(hào)等信號(hào)，綜合判斷是否滿足設(shè)定的充電電量、充電時(shí)長(zhǎng)、充電費(fèi)用等結(jié)束充電條件或者判斷充電站是否出現(xiàn)異常狀態(tài)。MCU根據(jù)判斷結(jié)果控制繼電器的開合。

1.2充電站部分

充電站主要包括充電槍、讀卡器、蜂鳴器以及數(shù)據(jù)傳輸單元(DataTransferUnit，DTU)四部分。儲(chǔ)能電表控制模塊中MCU通過相互獨(dú)立地電連接并控制充電槍和讀卡器進(jìn)而完成對(duì)充電站的控制。充電槍的輸入端通過線束連接儲(chǔ)能電表采樣模塊輸出端的火線和零線，充電槍的輸出端(槍頭)可插入EV的充電接口。讀卡器用于讀寫用戶卡片的卡片感應(yīng)信息，并且將卡片感應(yīng)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的卡片感應(yīng)信號(hào)并傳輸至MCU控制器。充電站還設(shè)有一個(gè)蜂鳴器用于提示充電站運(yùn)行狀態(tài)。基于儲(chǔ)能電表的充電站分為單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版兩種版本，其中網(wǎng)絡(luò)版為了完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，設(shè)有DTU轉(zhuǎn)換器，可插入SIM(SubscriberIdentityModule)卡進(jìn)而接入無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)充電站與客戶端、服務(wù)端的互聯(lián)。

1.3前端斷路器

為了用電的安全性，基于儲(chǔ)能電表的充電站設(shè)置一個(gè)前端斷路器。考慮到直流充電站的應(yīng)用越來越廣泛，選擇對(duì)直流電和交流電都起保護(hù)作用，保護(hù)范圍更*的A型斷路器。

2樣機(jī)開發(fā)驗(yàn)證

2.1樣機(jī)介紹

基于儲(chǔ)能電表的充電站電表部分相較于普通電表，設(shè)置了雙層防護(hù)殼以及漏電保護(hù)器，進(jìn)一步提升了安全防護(hù)能力。其中*層防護(hù)殼帶有物理鎖，工作人員可使用鑰匙開鎖打開*層防護(hù)殼操作漏電保護(hù)器，*層防護(hù)殼使用螺絲固定。電表的LCD顯示屏具有兩種顯示模式，即自動(dòng)循環(huán)顯示模式和按鍵觸發(fā)顯示模式。當(dāng)按鍵被觸發(fā)時(shí)，形成按鍵信號(hào)的同時(shí)背光燈自動(dòng)啟動(dòng)，便于操作人員進(jìn)行操作。在用戶操作時(shí)，蜂鳴器根據(jù)用戶不同的操作狀態(tài)、充電站運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)出不同的蜂鳴聲。在電表側(cè)面設(shè)置一個(gè)急停裝置，在緊急情況下可按下紅色按鈕直接斷開充電站與電網(wǎng)的連接，及時(shí)停止充電，保護(hù)用戶生命、財(cái)產(chǎn)安全，避免事故進(jìn)一步惡化。在上述經(jīng)過改裝的儲(chǔ)能電表基礎(chǔ)上采用CAN總線連接充電線槍等器件*終構(gòu)成完整的充電站，具體如圖5所示。

2.2樣機(jī)測(cè)試

在樣機(jī)開發(fā)后，為驗(yàn)證基于儲(chǔ)能電表的充電站安全性，對(duì)其進(jìn)行過壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)等項(xiàng)目測(cè)試，具體測(cè)試要求如表1所示。測(cè)試結(jié)果顯示基于儲(chǔ)能電表的充電站具備良好的安全性能，可以穩(wěn)定地為EV充電。

3實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，單機(jī)版基于儲(chǔ)能電表的充電站為即插即用式。用戶將充電槍插入EV，充電站開始為EV充電直至電滿后自動(dòng)斷開。用戶可在電表的LCD屏上查詢充電狀態(tài)、充電時(shí)間、充電電壓、充電電流等具體充電信息。網(wǎng)絡(luò)版基于儲(chǔ)能電表的充電站配備客戶端支持用戶設(shè)定充電需求、查看充電詳細(xì)信息，用戶在充電前需下載相應(yīng)APP(Application)，其使用流程如圖6所示。

用戶需要充電時(shí)，首先在客戶端查看附近可用充電站具體位置。用戶到達(dá)相應(yīng)位置后，首先將充電槍插入EV，然后使用APP掃描充電站身二維碼設(shè)定充電需求，充電APP界面如圖7所示，并將啟動(dòng)命令發(fā)送至云端服務(wù)器。

具體操作界面如圖7a)所示。確認(rèn)信息后服務(wù)器將啟動(dòng)命令發(fā)送到充電站DTU，充電站收到指令后啟動(dòng)充電。在充電過程中用戶可以查看充電時(shí)間、充電電量、充電功率、充電電壓等詳細(xì)充電信息，具體界面如圖7b)所示。充電結(jié)束后，用戶會(huì)收到充電結(jié)算清單，包括具體充電電量、充電費(fèi)用等信息，具體如圖7c)所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，基于儲(chǔ)能電表的充電站在保證充電穩(wěn)定性和充電效率的情況下相較傳統(tǒng)充電站額外加裝電網(wǎng)公司電表的方式，制造、安裝成本可以降低約15%，并且基于儲(chǔ)能電表的充電站相較于普通充電站所需空間更小，可適應(yīng)空間相對(duì)狹小的環(huán)境。

4 Acrel-2000MG充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1平臺(tái)概述

Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求，總結(jié)國(guó)內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電站運(yùn)行狀態(tài)及健康狀況，是一個(gè)集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，促進(jìn)可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)；有效實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了全新的解決方案。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個(gè)能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個(gè)層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和站控層。站級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2平臺(tái)適用場(chǎng)合

系統(tǒng)可應(yīng)用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.3系統(tǒng)架構(gòu)

本平臺(tái)采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即站控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

5充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機(jī)界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計(jì)值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，使管理人員實(shí)時(shí)掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲(chǔ)能單元運(yùn)行功率設(shè)置等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)告警，并支持定期的電池維護(hù)。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電站及總體負(fù)荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲(chǔ)能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲(chǔ)能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計(jì)列表等。

5.1.1光伏界面

5.1.2儲(chǔ)能界面