cRIO平台助力电动汽车充电系统研发

　　摘要: NI CompactRIO加上基于NI LabVIEW软件平台的快速软件开发为各种快速原型和硬件在环仿真提供了有力工具。电动汽车的发展日新月异，其中充电系统的研发迫切地需要这种快速高效的研发模式——快速原型和硬件在环。

　　NI Compact RIO是快速原型的理想平台，它是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统，采用可重配置的I/O(Reconfigurable I/O： RIO)和FPGA 技术实现超高性能和可自定义功能。NI CompactRIO包含实时控制器和可编程的FPGA芯片，特别适合对可靠性有严格要求的独立嵌入式或分布式应用;还包含可热插拔的工业级I/O 模块，这些模块内置信号调理可直接和传感器/ 制动器连接。因为CompactRIO 具有低成本开放性架构，用户可以轻松访问到底层的硬件设备。而且，CompactRIO 嵌入式系统可以使用高效的LabVIEW 图形化编程工具进行快速开发。

　　按照《电动汽车充电站通用要求》的定义，充电站是由三台及以上电动汽车非车载充电机和(或)交流充电桩组成(至少有一台非车载充电机)，可以为电动汽车进行充电，并能够在充电过程中对充电机、动力蓄电池进行状态监控的场所。其系统包括：供电系统、充电系统、监控系统(包括：供电监控系统，充电监控系统和安全监控系统)，如图1所示。充电设备研发主要分为两部分：充电系统、监控系统。

　　硬件在环

　　硬件在环(HIL: hardware-in-the-loop)，又称半实物仿真，是指用硬件I/O模拟真实的受控设备行为来验证控制器的性能。监控系统作为的充电站中枢神经必须具备实时、可靠、稳定和安全的特性，在将控制器应用到实际系统前, 最好进行硬件在环仿真实验，该环节的引入能确保在开发周期早期就完成嵌入式软件的测试，以便及早地发现问题，从而降低解决问题的成本。

　　监控系统实现对充电机运行和动力蓄电池充电过程的监视、保护、控制、管理和事故情况下的紧急处理，以及数据的存储、显示和统计。监控充电设备研发举例

　　充电站的核心是充电机，监控系统是网络中枢，电动汽车的电池系统是服务对象，将快速原型和硬件在环技术一起应用到充电设备的研发系统中，必将极大地提高研发效率，降低研发成本。聚星仪器以LabVIEW为软件平台，以NI 的可重配置I/O为硬件平台构建了如图3所示的充电设备研发架构。

　　图3中各部分功能如下：

　　(1) 监控主站和供电监控系统

　　监控主站实现的功能包括：作为整个充电监控系统的监控、管理中心，完成所有充电机信息的采集和显示，充电机的控制和管理，以及整个充电监控系统数据的存储、管理和统计;

　　供电监控系统实现的功能包括：实时采集和记录供电系统运行信息，对供电状况、电能质量、开关状态、设备安全等进行监视和控制，保证对充电站的安全供电。

　　监控主站和供电监控系统采用一台工控机来实现，重点在软件功能。

      (2) 充电机

　　一台cRIO设备作为充电机系统的半实物模型，模拟充电机的各种功能，包括控制电压输出、电流输出，与电池系统的通信，并接受监控主站的监测与控制。

　　NI C系列平台包含50多个NI模块、50多个第三方模块，具有多种类型，包括模拟输入、模拟输出、数字输入、计数器/定时器、数字输出和脉冲生成、CAN通信、串口通信(包括RS232和RS485)。

　　(3) 电池系统

　　调试过程中需要一台标准的电动汽车的电池系统，这一部分按照《电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议》的要求与充电机交互通信。这一部分由一台cRIO设备作为标准的电源系统的半实物模型。

　　按照以上模块划分，分别调试成功之后，进入原型发布阶段。监控系统软件采用LabVIEW开发，LabVIEW开发系统有Windows版、MAC OS版和Linus版等多种版本，从而支持在多种操作系统的发布。

　　充电机、电池系统的通信功能和控制算法验证完毕之后，可以将原型平台直接作为发布平台，以节省发布时间，更快投放市场;也可以发布到其他平台，例如性价比更高的Single-Board RIO平台，并且无需修改代码。

　　总结

　　作为智能电网的一部分，电动汽车的充电是一个难题，因为给汽车充电需要很大的电流量和大功率的电源，产生的谐波对电网的安全和电能质量都是很大的考验。还有电子监控、充电机监控、计费计量等等智能型功能都需要来解决。电动汽车尤其是纯电动汽车要想成为主流，首要条件就是要有便捷的充电网点。充电站将会在不久的将来代替加油站、加气站所扮演的角色，在人们的生活中无处不在。上海聚星仪器基于NI LabVIEW软件平台和cRIO硬件平台为充电设备以及充电设施建设研发提供解决方案，助力中国电动汽车行业发展。