基于嵌入式系統的電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁設計

摘要：交流充電樁是電動(dòng)汽車(chē)充電系統的主要設備之一。在此以基于Cortex—M3內核的微處理器為核心，結合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-Ⅱ，完成了電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁的設計與實(shí)現。對系統各個(gè)硬件模塊的原理和結構進(jìn)行了描述，并詳細闡述了應用軟件的任務(wù)優(yōu)先級安排和各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性設計。該交流充電樁工作穩定、計量準確、操作簡(jiǎn)單、安裝布設方便，系統的可擴展性強，且已通過(guò)相關(guān)機構鑒定。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；交流充電樁；嵌入式系統Cortex—M3；μC／OS-Ⅱ

汽車(chē)是現代生活中不可或缺的交通工具，但隨著(zhù)能源危機和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴峻，傳統燃油汽車(chē)的發(fā)展面臨著(zhù)越來(lái)越大的壓力。電動(dòng)汽車(chē)憑借其在環(huán)保和節能等方面的優(yōu)勢，已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。然而，電動(dòng)汽車(chē)要想得到快速廣泛的普及，便捷高效的電能補給網(wǎng)絡(luò )建設是重要的前提之一。充電系統為電動(dòng)汽車(chē)運行提供能量補給，是電動(dòng)汽車(chē)的重要基礎支撐系統，也是電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的重要環(huán)節。交流充電樁是指固定安裝在電動(dòng)汽車(chē)外，與交流電網(wǎng)連接，為電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機提供交流電源的供電裝置。

1 總體方案設計
本文研制了一種落地式交流充電樁，外觀(guān)如圖1所示，該交流充電樁安裝方便，使用簡(jiǎn)單，可布設于充電站、停車(chē)場(chǎng)等室內或室外場(chǎng)所。

1．1 功能需求分析
首先，作為電動(dòng)汽車(chē)電能補給裝置，系統必須采取必要的安全防護措施，向車(chē)載充電機可靠地輸出高質(zhì)量的交流電能，同時(shí)保障操作人員及設備的電氣安全。其次，準確的電能計量及收費是系統的基本功能，要滿(mǎn)足分時(shí)段多費率的使用要求。最后，一個(gè)友善的人機接口界面及便捷的操作流程設計，能夠給用戶(hù)留下愉快的使用體驗，從而使產(chǎn)品更容易為市場(chǎng)所接受。
1．2 模塊化結構設計
根據交流充電樁的功能需求，對系統進(jìn)行了模塊化設計，包括交流輸入控制模塊、交流輸出控制模塊及中央管理模塊，如圖1所示。
各模塊主要實(shí)現的功能如下：
(1)交流輸入控制模塊。實(shí)現交流電能的計量，交流供電控制，電氣安全防護等。
(2)交流輸出控制模塊。實(shí)現充電電纜連接判斷，與車(chē)載充電機進(jìn)行通信。
(3)中央管理模塊。實(shí)現人機交互、用戶(hù)身份識別、計量收費、數據管理和通信、交流輸入／輸出模塊控制，以及故障診斷等功能。

2 交流輸入／輸出控制模塊設計
2．1 交流輸入控制模塊
交流輸入控制模塊由斷路器、保護裝置、電能計量裝置、交流接觸器及急停按鈕等裝置組成，硬件框圖如圖2所示。

斷路器和保護裝置提供對操作人員及電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機的電氣安全防護，當出現意外情況時(shí)，如電涌、過(guò)壓、漏電等，保護裝置能及時(shí)響應，切斷電能輸出。此外，在緊急情況下，可使用安裝在操作面板上的急停按鈕斷開(kāi)斷路器；異常檢測電路可檢測到斷路器的開(kāi)合狀態(tài)，并將其反饋到中央控制模塊。
計量裝置用于實(shí)現單次充電操作的消費電能計量，考慮到系統分時(shí)段多費率計費的需求，選用了智能電表。工作時(shí)，電表可通過(guò)RS 485接口向中央控制模塊發(fā)送消費電能、瞬時(shí)／平均電壓及電流數據。
交流接觸器位于電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用充電插座一側，當充電電纜準確連接后，用戶(hù)可通過(guò)中央管理模塊發(fā)送驅動(dòng)信號閉合接觸器，向車(chē)載充電機輸出交流電能。