1、本科毕业论文（设计）论文题目：电动汽车充电站电源输入系统设计摘 要随着我国的石油资源短缺和环境污染问题的加剧，发展具有零排放和节能环保电动汽车显得日益紧迫。目前各大汽车厂商专注的新能源汽车包括油电混合动力汽车氢燃料汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车,但从发展的潜力和对环境保护的彻底性上,纯电动汽车将是最终也是最完美的解决方案。当前,我国在纯电动汽车技术上已走在世界的前列,已经比较妥善地解决了电池容量、续航能力、电池充电技术、驾驶感受等相关问题,并且在小众市场上已经开始部分运营,大规模市场推广指日可待。然而作为车主而言,在纯电动汽车本身已经符合其日常使用的需要时,相关的配套设施建设和售后服务支持是其
2、选择电动车的重要参考之一,其中的重中之重便是充电解决方案的合理组合和良好运营,这也是电动汽车被市场认可并走向大规模应用的关键之一。关键字: 环境污染；清洁能源；电动汽车AbstractAs Chinas oil resource shortages and the worsening environmental pollution, zero emissions and the development energy-saving electric car is becoming increasingly urgent. Major car manufacturers now focus on
3、new energy vehicles, including hybrid cars, hydrogen fuel cars, fuel cell vehicles and pure electric vehicles, but the development potential and the thoroughness of environmental protection, the pure electric vehicles will be ultimately The perfect solution. At present, China is technically in a pur
4、e electric vehicles have come in the forefront of the world has been more appropriate solution to the battery capacity, battery life, battery charging technology, driving experience and other related issues, and in niche markets have begun to part of the operation, a large Scale marketing reach. How
5、ever, as the owner concerned, pure electric vehicles is already in line with the needs of their everyday use, the relevant supporting facilities and after-sales service support for electric vehicles of their choice is an important reference of one of the most important solution is to charge To be re
6、asonable, and good operation, which is recognized by the market of electric vehicles and one of the key to large-scale application.Keywords: environmental pollution; clean energy; electric vehicles 目 录1 绪论11.1 电动汽车发展的必然性11.2 我国发展电动汽车业的优势21.3 当前制约电动汽车发展的主要障碍21.4 电动汽车充电站将成为电动汽车产业赖以发展的配套设施32 电动汽车充电装置结构
7、的分析32.1 电动汽车充电站主要系统分类32.2 电动汽车充电方式分类32.3 电动汽车充电机的分类和适配电池类型42.3.1 直流充电机42.3.2 交流充电机42.3.3 充电机适应电池类型43 电动汽车充电站电源输入系统43.1 电动汽车充电站电源输入流程图44 电动汽车充电站双电源切换开关的设计54.1 电动汽车充电站双电源切换开关的选择54.2 PLC可控双电源开关的设计64.2.1 PLC可控双电源开关总体结构图64.2.2 PLC可控双电源开关结构图分析64.2.3 电气控制过程分析74.3 PLC型号的选择94.4 特殊功能模块的选择104.4.1 技术参数104.4.2 F
8、X2N-4A/D模块的接线方式114.4.3 缓冲寄存器及设置124.4.4 I/O口设计134.4.5 系统外部连线电路设计145 电动汽车充电网站双电源切换开关控制软件的设计145.1 PLC控制系统程序设计主要步骤145.2 流程图设计155.3 梯形图设计165.4 PLC程序语句表176 结束语18致谢18参考文献191 绪论电动汽车充电站是指为电动汽车充电的站点，与现在的加油站相似。随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律，电动汽车作为新能源战略和智能电网的重要组成部分，以及国务院确定的战略性新兴产业之一，必将成为今后中国汽车工业和能源产业发展的重点。然而，电动汽车产业是一项系统工程，
9、电动汽车充电站则是主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。1.1 电动汽车发展的必然性近年来中国汽车工业发展迅速，汽车的产量、销售量在逐年增加，2008年全球汽车产量6922万辆，其中乘用车4992万辆，中国汽车产量达719万辆，其中乘用车523万辆，产量首次超过德国位居世界第三，仅次于日本和美国;2009年全球汽车产量7326万辆，其中乘用车5320万辆，中国汽车产量888万辆，其中乘用车638万辆;2010年全球汽车产量7052万辆，其中乘用车5263万辆;中国汽车产量934万辆，其中乘用车673万辆。2011年随着通用汽车的破产和重组，汽车世界面临着更大的挑战，在未来几年里
10、，中国汽车工业也同样将面临更大的挑战。汽车工业飞速发展的同时，对石油资源的需求量也越来越大，据估算，目前汽车所消耗的石油约占到全球石油年产量的一半。2010年中国国内生产原油18972.8万吨，同比增长2.3%，而原油净进口量达20067万吨，同比增长9.5%，石油净进口量在国内油品消费量中所占比例己升至接近52%。世界汽车保有量每年数以千万辆的速度增长，地球上现已探明的石油储量将在50年内消耗殆尽;石油将是制约汽车工业发展的瓶颈。与此同时，内燃机燃烧所产生的有毒、有害气体也对大气环境造成了破坏。我国一些大中型城市，车辆众多，道路拥挤，造成发动机长时间工作在怠速工况，其排放有毒有害气体增多，严
11、重污染大气。尽管目前在内燃机上己经广泛采用的燃油喷射、点火正时、怠速稳定、废气再循环等电子控制技术在一定程度上提高和改善了内燃机的性能，使得整车排放和油耗有所降低，有毒有害气体排放量减少，但仍未能从根本上解决问题。在这种情况下，寻找替代能源，发展新型动力汽车就成为维持汽车工业稳定发展的当务之急。有限的石油资源以及日益恶化的环境等问题，迫使汽车工业必须寻求更加节能的新能源汽车，以减少对石油的依靠和对环境的污染，保证汽车工业的长期稳定发展。研发新能源汽车成为当今社会的热点。新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成技术原理先进、具有新技术、新结构的
12、汽车。新能源汽车包括混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车以及其他新能源汽车等。新能源汽车主要是指广泛意义上的电动汽车，研究的热点主要有混合动力电动汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车等。纯电动汽车在新能源汽车中，具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面有不可比拟的优势，是汽车发展的重要方向。国家已于2009年7月1日正式实施新能源汽车生产企业及产品准入管理规则，该规则的实施将极大促进新能源汽车的发展，电动汽车的发展必将迎来一个新时期。电动汽车作为目前新能源汽车的主要发展方向之一，已受到世界各国政府及学术界的广泛关注。1.2 我国发展电动汽车业的优势（1）技术
13、优势决定电动汽车产业成熟度的关键因素是动力电池技术，目前中国企业在电池技术方面处于领先地位，已经成为世界最大的车用动力电池供应国。特别是深圳比亚迪、深圳雷天、天津力神等专业电池生产厂家，在电池方面已积累了大量的产业经验，已经开发出安全、稳定、容量大、寿命长的动力电池，并实现了规模化生产。雷天公司的锂电池已对欧美批量出口，天津力神的动力电池已装在国产电动汽车上向美国出口，而比亚迪开发出的锂铁电池在技术和成本上已经领先于日本和美国的公司。（2）成本优势电动汽车不仅是技术密集型产业，也是劳动密集型产业，我国的劳动力成本明显低于发达国家，使我国汽车企业的生产成本具有比较优势。比亚迪首款插入式混合动力汽
14、车F3DM车型在国内的售价约为15万元，仅是丰田混合动力车主力车型普锐斯在中国售价的一半。（3）资源优势除传统的钢铁、有色金属以外，生产电动汽车所消耗的最重要资源的是生产电池的原料料锂和生产电机的原材料稀土。我国是世界锂资源第三大国，而稀土资源更占世界总储量的一半。（4）市场优势中国拥有全球最大、增长速度最快的汽车市场，2009年我国汽车产量接近1400万辆，并且未来还将保持年均10%以上的增长速度。中国汽车市场为电动汽车产业的发展提供了巨大的空间。1.3 当前制约电动汽车发展的主要障碍尽管电动汽车在技术研发和产业化培育方面发展十分迅速，以电力汽车作为传统汽车的替代方案也基本上没有异议，但是目
15、前电动汽车在产业化方面还存在一些不可忽视的障碍。（1）电池技术需要进一步发展。（2）产业发展所需的初始规模还未形成。（3）配套充电设施建设滞后。（4）国家对产业的组织协调力度不够，标准缺乏。1.4 电动汽车充电站将成为电动汽车产业赖以发展的配套设施在技术和价格的坚冰逐步消融的过程中，最后一项制约电动汽车产业发展的因素便是配套充电设施的建设。从电动汽车的结构来看，主要包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等，其中电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。不论是插电混合动力汽车还是纯电动汽车，都离不开充电站的支持。日前纯电动车的续航里程一般
16、都在300公单以下，可插电混合动力因为能使用石化燃料，续航里程会更大一些。两种形式的车型一般都支持允电站的快充模式和使用家庭电源的慢充模式。如果只是在城市里上下班使用，而且拥有自己的专属车库，采用慢充模式也完全能够满足需求。但如果要进行远距离的长途旅行或者没有专属的车库停放车辆，对于日前基于蓄电池供应能量的电动汽车而言，充电站则是唯一的选择。2 电动汽车充电装置结构的分析2.1 电动汽车充电站主要系统分类电动汽车充电站光电转换系统电动汽车充电站电源整流系统电动汽车充电站滤波系统电动汽车充电站电源输入系统电动汽车充电站电能计费系统电动汽车充电站单片机控制系统电动汽车充电站控制系统2.2 电动汽车
17、充电方式分类根据国内电动车充电站的建设情况，充电站的运营模式基本上可以分为“整车充电”与“电池更换”两种模式。整车充电模式是目前国家研究试验的重点，这种模式把电池与车辆作为一个整体来考虑，其规模化发展的关键是能够研制生产出“容量大、成本低、充电快、寿命长”的电池产品，在便捷性上满足用户的需求，具体又包括常规充电和快速充电两种类型。电池更换模式是通过换电站给汽车更换电池的方法代替漫长的充电过程。一辆汽车需要配备两块电池，当一块电池用完后自动切换到另一块，此时可到换电站将用完的电池换下，装上满电的电池。而换下的电池由电站统一充电和维护，前提是充电站要有相当数量的备用电池。这个方法优点是快速，用户换
18、完电池就可以上路，比加油都快。但由于每个厂家出产的电动汽车的电池规格不同，这个方法想要普及会非常困难。2.3 电动汽车充电机的分类和适配电池类型2.3.1 直流充电机直流充电机：指采用直流充电模式为电动汽车动力蓄电池总成进行充电的充电机。直流充电模式是以充电机输出的可控直流电源直接对动力蓄电池总成进行充电的模式。2.3.2 交流充电机交流充电机：指采用交流充电模式为电动汽车动力蓄电池总成进行充电的充电机。交流充电模式是以三相或单相交流电源向电动汽车提供充电电源的模式。交流充电模式的特征是：充电机为车载系统。2.3.3 充电机适应电池类型充电机适应电池类型：充电机至少能为以下三种类型动力蓄电池中
19、的一种充电：锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池。3 电动汽车充电站电源输入系统电动汽车充电站电源输入系统是电动汽车充电站的主要系统之一。电源输入的来源有电网电缆输电和光电转换装置输电。分别为电网电力输入系统和光电输入系统。3.1 电动汽车充电站电源输入流程图电动汽车充电站电源输入流程如图1所示，分析如下。（1）在正常情况下，电网电力输入系统和光电输入系统互相独立。电缆输电通过变压器变压和谐波的处理为交流充电桩输电，变压后通过整流和滤波为直流充电桩输电。光电转换装置则是将电力通过处理在蓄电池里储存为直流充电桩输电，蓄电池的电力经过逆变，为交流充电桩输电。（2）在电网电力停电的情况下，电缆无法输
20、送电力，出于为客户的考虑，充电不能停止。这时，需要通过自动切换开关将光电输入系统的电力及时的输送至电网电力充电系统中。由上述分析可知，电源输入系统的重点关键在于电网电力输入系统和光电输入系统之间的自动切换。电网电力直流充电桩整流,滤波逆变滤波蓄电池滤波交流充电桩光电装换装置直流充电桩整流,滤波变压器自动切换开关交流充电桩变压器图1 电源输入流程图4 电动汽车充电站双电源切换开关的设计4.1 电动汽车充电站双电源切换开关的选择双电源切换控制主要用于三相交流供配电控制。这类电源切换控制多数采用继电器逻辑控制电路实现，其特点是：其输入有两路供电电源 A和B对负载供电。正常工作时，电源A对负载供电，电
21、源B作为备用电源；当电源A发生故障时，控制系统能快速切断故障电源A，使备用电源B接通。由此存在的问题如下。（1）无缺相保护功能。当发生任一相或两相缺相时，由于控制系统没有缺相检测和保护切换措施，造成缺相的故障电源不能切断，正常供电电源不能及时投入，又没有相应的信号提示，这样会导致负载长时间缺相运行，造成严重后果。（2）故障电源恢复正常时，系统不能自动进行反切换，要靠人工操作反切换到正常工作状态。（3）由于采用继电器逻辑控制电路实现，器件和电路的故障率高。采用PLC控制时，其缺相保护主要采取的技术方案是：设置有三相缺相检测信号回路，该三相缺相检测信号回路直接取自于三相电源的主回路，即用中间继电器
22、分别接于电源主回路A和B的U相、V相和W相单相回路中，中间继电器常开触点分别作为PLC的输入信号，即作为编制PLC的A和B三相缺相检测逻辑控制程序时的输入条件。其次，利用PLC的特殊功能模块，可以实现对电源电压的精确的检测，从而又可以实现对电源的欠压和过压检测。4.2 PLC可控双电源开关的设计4.2.1 PLC可控双电源开关总体结构图在基于的双电源开关的过程中，必须只能有一个电源与负载接通，且在一路电源故障时要实现自动切换。那么根据设计要求，可设计PLC可控双电源开关总体结构方案如图2所示。电网电源AA故障则BA无缺相则输入FX2N-4A/D过压与欠压检测PLC缺相检测光电转换电源BB无缺相
23、则输入负载图2 PLC可控双电源开关总体结构图4.2.2 PLC可控双电源开关结构图分析在PLC可控双电源开关总体结构图中，A为主电源，B为备用电源，分别与PLC连接，作为PLC输入检测信号。首先进行主电源A的输入检测，当PLC检测A无任意相缺相时，相应的逻辑开关会闭合，使FX2N-4A/D接受经过PLC基本单元检测后传过来的无缺相的电压信号，则随后进行A电源的三相回路欠压检测，如果此时主电源A良好的话，相应的状态指示灯会亮，说明此刻主电源状态良好，同时主电源与负载接通。在主电源A出现故障后（即主电源A出现缺相或者欠压时），此时会使备用电源B启动，同时主电源会自动断开。备用电源B启动后，同样要
24、进行三相回路的缺相检测和欠压检测，检测过程同A。检测无故障后，随即实现备用电源与负载的接通。4.2.3 电气控制过程分析根据总体方案框图，主电路检测电路如图3所示，备用电源检测电路如图4所示，电源欠压检测如图5所示。图3的电气控制过程图中，KA1，KA2，KA3分别作为主电源A的三相检测（如图3所示），有且当KA1，KA2，KA3线圈同时得电时（即无任意相缺相），才会驱动KM3线圈，使动和触点KM3闭合，从而进行A的三相欠压检测（如图5所示）。又当三相欠压检测后，电压在设定范围内时，驱动KA4，使触点KA4闭合，此时主电源状态显示灯HL1亮，说明此时A电源状态良好，同时驱动KA5线圈，使动合触
25、点KA5闭合，允许A电源的投入使用。而后KA5闭合时，使KM1得电，负载与电源A接通。其次，主电源检测回路（图3）中的常闭触点KA5与备用电源检测回路（图4）中的三相检测回路相连接。目的是，如果主电源A状态良好的话，那么常闭触点KA5会得电断开，同时在备用电源检测回路（图4）中的三相检测回路中，也会由于KA5的作用，不会进行备用电源的输入检测，避免备用电源的误动，从而实现控制系统的连锁保护作用。图3 主电源检测回路图4所示的是备用电源检测回路，KA6，KA7，KA8分别作为备用电源B的三相检测，有且当KA6，KA7，KA8线圈同时得电时（即无任意相缺相），才会驱动KM4线圈，使动合触点KM4闭
26、合，从而进行备用电源B的三相欠压检测（如图5所示）。又当三相欠压检测模块FX2N-4A/D检测到电压在设定范围内时，驱动KA9,使触点KA9闭合，此时备用电源B状态显示灯HL2亮，说明此时B电源状态良好，同时驱动KA10线圈，使触点动合KA10闭合，允许B电源的投入使用。图4 备用电源检测回路图5 电源欠压检测回路4.3 PLC型号的选择目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的 PLC 产品，所以要全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不可盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可从以下几个方面来考虑： （1）对输入
27、/输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。 要先弄清除控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的1520 留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。 另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60；PLC 每个输出点的驱动能力也是有限的，有的PLC其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。 PLC的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PLC平均每点的价格
28、较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的PLC 。 （2）对存储容量的选择 对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点输出总点数乘5字/点来估算；计数器/定时器按（35）字/个估算；有运算处理时按（510）字/量估算；在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入/（或输出）一路模拟量约需（80100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的50100留有裕量。在缺乏经验设计时，选择容量时留有裕量要大些。 （3）对I/O响应时间的选择 PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输
29、出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在23个扫描周期）等。对开关量控制的系统， PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。 （4）根据输出负载的特点选型 不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。 （
30、5）对在线和离线编程的选择 离线编程示指主机和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。编程状态时，CPU只为编程器服务，而不对现场进行控制。专用编程器编程属于这种情况。在线编程是指主机和编程器各有一个CPU，主机的CPU完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。 （6）据是否联网通信选型 若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通
31、信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。 （7）对PLC结构形式的选择 在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。 由以上几个基本原则和对图3、图4、图5的分析可知作为输入信号的触点有KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8共六个触点，作为输出信号的有KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4共六个触点，所以可选用FX2N-16MR基本单元，输入和输出点数分别为8个。4.4 特殊功能模块的选择4.4.1 技术参数因为要对三相电源的三线检测，所以选用带4点模拟量输入的模数转换特殊功能模块FX2N-4A/D。FX2N-4A/D为12位高精度模拟量输入模块，具有4输入A/D转换通道，输入信号类型可以是电压（-10+10V）、电流（-20+20mA）和电流（+4+20mA），每个通道都可以独立地指定为电压输入或电流输入。且FX2N系列可编程控制器最多可连接8台FX2N-4A/D。FX2N-4A/D模拟量输入
