一种V2G充电桩开源控制系统科研测试平台

技术领域

本发明涉及充电桩开源控制技术领域，具体涉及一种V2G充电桩开源控制系统科研测试平台。

背景技术

电动汽车相较于传统燃油车而言，有节约化石能源、环境相对友好的优点，且电机相较于发动机而言转换效率更高；而随着电池技术的日益优化，其容量短板也可以逐渐被弥补，这使得电动汽车上的电池逐渐具备了高容量的特点。与此同时，电力电子功率变换器的快速发展使得快速充放电技术逐渐应用在电动汽车充电桩上，因而使得电池汽车可以作为一个可被快速充放电的移动型储能装置。在这样的背景下，对电动汽车用户而言，电动汽车的充放电管理，充电桩的汽车到电网（Vehicle-to-Grid，简称V2G）双向功率控制以及进入本地配电网的电能质量及价格管理都成为了国内外学者研究的热点。研究者们常采用类似于Matlab/Simulink的图形化仿真平台进行理论验证研究，而在工业化应用的进程中不仅需要理论验证，还需要在仿真之后进行大量的实物实验平台验证与测试。

现有实验平台有几种类型：1.在电源及负载方面，现有平台大都采用真实电池、接入本地配网，这些方式并不利于研究者们进行环境因素的排查和不同电池的快速更换，同时具有安全风险；2.在功率变换器方面，大多数平台采用成熟的DCAC和DCDC设备，这首先要求成熟设备具备双向功能，其次研究者们无法了解其底层控制机理，这对于上层研究而言也具有一定局限性的，而部分采用开源功率变换器的设备大都存在线束杂乱的缺陷，具有一定安全隐患；3.在控制器上，基本上采用一种基于DSP/FPGA的编程方式和实验方法，这需要耗费研究人员大量的时间进行编程，而且往往很难直观地发现控制过程中可能存在的问题，具有开发过程慢、研究不直观的缺陷，这也使刚入门的研究人员不易掌握，对于科研成果的迭代是极为不利的。因此，为降低科研的时间成本和提高开发效率，设计一种具有底层开源的高效、灵活、安全的科研测试平台愈发重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种V2G充电桩开源控制系统科研测试平台，克服了现有技术的不足，设计合理，实现一种具有灵活安全环境设置的充电桩V2G系统的底层开源控制的高效研究。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种V2G充电桩开源控制系统科研测试平台，包括实时仿真控制器和V2G充电桩，所述V2G充电桩包括开源DCDC双向变流器、开源DCAC双向变流器和滤波器，所述实时仿真控制器通过以太网与PC机相连接，所述实时仿真控制器通过以太网与电池模拟器相连接，所述电池模拟器通过开源DCDC双向变流器与开源DCAC双向变流器相连接，所述开源DCAC双向变流器通过滤波器与电网模拟器相连接，所述电网模拟器通过以太网与实时仿真控制器相连接，所述开源DCDC双向变流器与开源DCAC双向变流器模拟量电压信号和DIO信号均通过信号转接板接入到实时仿真控制器中。

优选地，所述DIO信号包括PWM、故障信号和使能信号。

优选地，所述PC机上进行图形化编程编译后获取sdf编译文件通过以太网下载到实时仿真控制器，所述实时仿真控制器与PC机内的测控软件相连接。

本发明提供了一种V2G充电桩开源控制系统科研测试平台。具备以下有益效果：采用电网模拟器和电池模拟器，配合远程通信可以实现工况、电池特性的设定，相较于传统使用电池和配网环境的平台而言，不仅使得不同种工况实现成为了可能，而且提升了实验电气环境的安全性；并采用实时仿真控制器，不仅具备DSP/FPGA的实时采集、计算和控制能力，而且其相对于传统的繁琐代码编程方式，采用基于图形化编程的方式，可使研究人员在完成Matlab/Simulink理论仿真验证后，可以在本发明的测控软件上将之快速转化，并进行实物实验及测试,有效地提升了理论验证到实物实验转化的效率；采用开源DCAC双向变流器、开源DCDC双向变流器和信号转接板，可使系统变量与软件接口快速完成对接，可避免在开源的情况下线束杂乱的现象，这对于平台的认识、研究的更换交接更为迅速，有效地提升了科研迭代的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1 本发明的结构示意图；

图中标号说明：

1、实时仿真控制器；2、V2G充电桩；3、PC机；4、电池模拟器；5、开源DCDC双向变流器；6、开源DCAC双向变流器；7、电网模拟器；8、信号转接板；9、滤波器；10、测控软件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种V2G充电桩开源控制系统科研测试平台，包括实时仿真控制器1和V2G充电桩2，所述V2G充电桩2包括开源DCDC双向变流器5、开源DCAC双向变流器6和滤波器9，所述实时仿真控制器1通过以太网与PC机3相连接，所述实时仿真控制器1通过以太网与电池模拟器4相连接，所述电池模拟器4通过开源DCDC双向变流器5与开源DCAC双向变流器6相连接，所述开源DCAC双向变流器6通过滤波器9与电网模拟器7相连接，所述电网模拟器7通过以太网与实时仿真控制器1相连接，所述开源DCDC双向变流器5与开源DCAC双向变流器6的输入及输出电压电流等模拟量电压信号和PWM、故障信号、使能信号等DIO信号均通过信号转接板8接入到实时仿真控制器1中。用户在所述PC机3上进行图形化编程编译后获取sdf编译文件通过以太网下载到实时仿真控制器1中，实时仿真控制器1与PC机3内的测控软件10建立连接，加载用户下载到实时仿真控制器1中的sdf编译文件，从而可以实时地进行科研测试。

在运行时，

用户在PC机3的测控软件10上通过指令进行实验工况设定，实时仿真控制器1将电动汽车包含充放电特性、初始容量及总容量的信息通过以太网传输到电池模拟器4上使之运行在设定模式下，通过以太网传输到电网模拟器7上使之模拟V2G充电桩预计所接入配网的电压特性。实时仿真控制器1通过信号转接板采集开源DCDC双向变流器5、开源DCAC双向变流器6及滤波器9上的模拟电压信号，使得用户可以在测控软件10上运行不同的模型对开源DCDC双向变流器5、开源DCAC双向变流器6进行基于PWM的闭环控制，使得V2G充电桩系统可以电动汽车接入充电桩后，根据其电量和充放电特性进行充电和放电的功率控制决策，电池接入的DCDC模块会将通过升压稳定开源DCAC双向变流器6的直流侧电压，开源DCAC双向变流器6经由滤波器9与电网模拟器7进行功率交换。在实验过程中可以实时修改控制参数和电网模拟器7及电池模拟器4的运行设定，在底层需要修改时，只需要在图形化的界面修改后重新编译，即可继续进行研究测试；从而满足科研的实时化、快速化、便利化需求。

本申请采用电网模拟器7和电池模拟器4，配合远程通信可以实现工况、电池特性的设定，相较于传统使用电池和配网环境的平台而言，不仅使得不同种工况实现成为了可能，而且提升了实验电气环境的安全性；并采用实时仿真控制器1，不仅具备DSP/FPGA的实时采集、计算和控制能力，而且其相对于传统的繁琐代码编程方式，采用基于图形化编程的方式，可使研究人员在完成Matlab/Simulink理论仿真验证后，可以在本发明的测控软件10上将之快速转化，并进行实物实验及测试,有效地提升了理论验证到实物实验转化的效率；采用开源DCAC双向变流器6、开源DCDC双向变流器5和信号转接板8，可使系统变量与软件接口快速完成对接，可避免在开源的情况下线束杂乱的现象，这对于平台的认识、研究的更换交接更为迅速，有效地提升了科研迭代的效率。

在本实施例中，实时仿真控制器1采用一台德斯拜斯的MicroLabBox，包括GNU编译器，CDP控制开发软件包，RTICAN接口模块，RTIEthernet以太网接口模板，1302T硬件。用于采集系统中各路电压及电流传感器经由处理输出的电压信号和经由信号转接板8所转接的驱动故障信号、过压信号、过流信号、过温信号，输出PWM信号及其使能信号、故障复位信号等；并加载底层控制程序并进行实时运算；与电池模拟器4和电网模拟器7进行实时通讯；与PC机2经以太网连接，使得测试软件10可以实时监控各变量。

在本实施例中，信号转接板8采用Unitech的SD800-1202，具备数字信号隔离保护功能，可兼容指定实时仿真控制器，模拟量采集信号不少于32路，输出模拟量电压信号不少于16路；PWM信号不小于24路，采用5V/20mA，死区时间约2us；数字信号/开关量输入不小于10路，5V/20mA，数字信号/开关量输入不小于10路，5V/20mA，差分信号输入不小于6对5V/20mA。以适配开源DCAC双向变流器6、滤波器9与实时仿真控制器1的信号接口形式；用于保护实时仿真控制器1的DIO数字信号通道不因与外部连接而产生损坏，避免长期的售后维修时间；并采用隔离优化等数字信号处理方式提升编码器、PWM等高精度数字信号的稳定性与抗扰性；采用定制化硬件死区设置的方式来为测控系统节省通道、减小软件死区的设定范围。

在本实施例中，开源DCDC双向变流器5和开源DCAC双向变流器6均采用Unitech的SD800系列，为用户提供一个PWM底层开源的DCDC变流器5和DCAC双向变流器6；可进行双向的功率控制；提供了硬件保护，设备使用更为安全。

在本实施例中，电网模拟器7的功率规格：61815，15kVA；电压规格：0~350V；频率规格：30Hz~100Hz/DC；3U高度具备最大15kVA之高功率密度设计；全触控面板搭配直观的UI设计；可选择单相、三相输出模式；能源回收功能，可提供100%额定电流回收能力；符合EV、PV inverter及Smart Grid相关产品测试应用；可设定电压和频率的输出变动率；可设定电压和电流的输出限制；可设定电压波形0~360度开关机角度；输出电压变化的同步TTL信号；LIST、STEP、PULSE模式做测试电源扰动(PLD)模拟；谐波和间谐波的失真波形合成；参数量测功能包括各阶电流谐波成份；全球通用的输入电压规格；标配远端介面USB、LAN；选配远端介面GPIB、CAN；可透过并联模式提供更大输出功率；以太网TCP/IP通讯。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。