基于STM32F的電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁控制系統設計

0 引言
隨著(zhù)全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國政府及汽車(chē)企業(yè)普遍認識到節能和減排是未來(lái)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的方向，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)將是解決這兩個(gè)難題的最佳途徑。我國高度重視電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，國家相繼出臺了一系列標準來(lái)扶持和規范電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。但要實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)大面積普及我國還有很長(cháng)的路要走，需要解決的問(wèn)題還有很多。在最近發(fā)布的《節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)規劃》草案中指出將以純電動(dòng)汽車(chē)作為主要戰略取向。有關(guān)專(zhuān)家指出純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展存在三大瓶頸問(wèn)題：一是標準的缺失，二是配套政策的不完善，三是基礎設施的規劃和建設的有序推進(jìn)。本文所研究的電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁作為充電基礎設施的一部分對于推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的普及具有重要的意義。

1 電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁介紹
交流充電樁，又稱(chēng)交流供電裝置，是指固定在地面或墻壁，安裝于公共建筑(辦公樓宇、商場(chǎng)、公共停車(chē)場(chǎng)等)和居民小區停車(chē)場(chǎng)或充電站內，采用傳導方式為具有車(chē)載充電機的電動(dòng)汽車(chē)提供人機交互操作界面及交流充電接口，并具備相應測控保護功能的專(zhuān)用裝置。交流充電樁采用大屏幕LCD彩色觸摸屏作為人機交互界面，可選擇定電量、定時(shí)間、定金額、自動(dòng)(充滿(mǎn)為止)四種模式充電，具備運行狀態(tài)監測、故障狀態(tài)監測、充電分時(shí)計量、歷史數據記錄和存儲等功能。充電樁的交流工作電壓(220±15%)V，額度輸出電流(AC)為32 A(七芯插座)，普通純電動(dòng)轎車(chē)用交流充電樁充滿(mǎn)電大約需要6～8 h，充電樁更適用于慢速充電。交流充電樁一般由樁體、電氣模塊、計量模塊、賬務(wù)管理模塊四部分組成。根據安裝方式的不同，樁體可分為落地式和壁掛式兩種。落地式充電樁適合在各種停車(chē)場(chǎng)和路邊停車(chē)位進(jìn)行地面安裝；壁掛式充電樁適合在空間擁擠、周邊有墻壁等固定建筑物上進(jìn)行壁掛安裝，如地下停車(chē)場(chǎng)或車(chē)庫。

2 交流充電樁系統工作原理
依據GB/T 20234.2-2011《電動(dòng)汽車(chē)傳導充電用連接裝置；交流充電接口》中相關(guān)規定的要求，采用控制導引電路的方式來(lái)作為充電連接裝置的連接狀態(tài)及額定電流參數的判斷裝置。其典型的控制導引電路如圖1所示。

供電設備插頭與插座連接后，供電控制裝置通過(guò)圖1所示的檢測點(diǎn)4的電壓值判斷供電插頭與供電插座是否已完全連接。同時(shí)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛控制裝置通過(guò)測量檢測點(diǎn)3與PE間的電阻值判斷車(chē)輛插頭與車(chē)輛插座是否已完全連接。在完成插頭與插座連接狀態(tài)檢測后，操作人員對供電設備完成充電啟動(dòng)設置，則開(kāi)關(guān)S1從連接+12V狀態(tài)切換至PWM連接狀態(tài)，供電控制裝置發(fā)出PWM信號。供電控制裝置通過(guò)測量檢測點(diǎn)1的電壓值判斷充電連接裝置是否已完全連接。車(chē)輛控制端檢測無(wú)誤后閉合S2，供電控制裝置通過(guò)再次測量檢測點(diǎn)1的電壓值判斷車(chē)輛是否準備就緒，如滿(mǎn)足要求則通過(guò)閉合K使交流供電回路導通。

3 交流充電樁系統方案
系統由LCD觸摸屏、打印機、RS-485接口的電能表、漏電保護斷路器、交流接觸器、讀卡器和LED燈等基本部分組成。LCD觸摸屏可以提供友好的人機操作界面和快捷簡(jiǎn)單的操作方式，滿(mǎn)足客戶(hù)按照不同的方式對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電的要求，可以顯示當前充電狀態(tài)、充電電量和充電費用，友好的用戶(hù)界面可以讓客戶(hù)進(jìn)行相應的選擇。當采集的電壓超過(guò)過(guò)壓保護定值或低于欠壓保護定值，充電樁停止充電。漏電保護斷路器可保證在充電過(guò)程中發(fā)生漏電等緊急故障情況下停止充電。當發(fā)生意外狀況需要緊急停止充電時(shí)，可以通過(guò)急停按鈕來(lái)中斷充電。系統的電氣連接示意圖如圖2所示。

4 控制系統單元電路

4.1 主控制器選擇
主控制器選擇意法半導體的STM32F107VCT6微控制器。STM32F107VC互聯(lián)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz。該器件包含2個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標準和先進(jìn)的通信接口：多達2個(gè)I2C，3個(gè)SPI，2個(gè)I2S，5個(gè)USART、一個(gè)USB和2個(gè)CAN，該器件同時(shí)提供了以太網(wǎng)接口，極大的方便了電路設計。

4.2 串行接口電路
系統共使用了四個(gè)串行接口分別與LCD觸摸屏、熱敏打印機、讀卡器和RS-485接口的電能表通信。LCD觸摸屏和熱敏打印機為RS-232電平，經(jīng)過(guò)電平轉換與MCU通信，LCD觸摸屏與MCU的通信協(xié)議采用Modbus RTU通信協(xié)議，MCU作為主機，LCD觸摸屏作為從機。熱敏打印機根據打印機模塊提供的協(xié)議進(jìn)行通信。讀卡器為T(mén)TL電平，可以直接與MCU相連，采用讀卡器模塊提供的協(xié)議進(jìn)行通信。充電計量的電能表采用多功能單相表，電表選用2.0等級的電能表，電流規格為5(40)A。電表提供RS-485接口，通過(guò)DL/T 645-2007通信協(xié)議與MCU通信。通過(guò)讀取電能表的電能值作為充電樁的電能計量值，通過(guò)讀取電表電流和電壓值來(lái)判斷充電過(guò)程中是否出現過(guò)流和過(guò)壓的情況，并加以處理。電能表接口的電路圖如圖3所示。

4.3 CAN總線(xiàn)接口電路
根據《電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機與交流充電樁通訊協(xié)議》征求意見(jiàn)稿中的相關(guān)說(shuō)明，該征求意見(jiàn)稿推薦車(chē)載充電機與交流充電樁之間的通信系統采用CAN總線(xiàn)，所以設計CAN總線(xiàn)接口。數據鏈路層為物理連接之間提供可靠數據傳輸，本系統車(chē)載充電機與交流充電樁之間的數據幀格式符合CAN總線(xiàn)2.0B版本的規定，使用CAN擴展幀的29位標識符。具體每個(gè)位分配的相應定義和傳輸協(xié)議等功能符合SAE J1939—21的規定。

4.4 充電電壓測量電路
電壓測量首先需要通過(guò)測量互感器將電壓和電流轉換為可以測量的小信號。例如對220V的電壓信號的測量，采用的互感器變比為2 mA/5 mA，采用圖4所示的電路，可知在220V時(shí)互感器的輸出恰好為5mA。忽略大電阻分流的影響，則27 Ω相當于是一個(gè)采樣電阻。由于采樣的信號為交流電，信號有正負之分，而A/D轉換器的輸入范圍為0～3.6V，所以不能直接將采樣電壓輸入到A/D轉換器中。在運放的正輸入端接入一個(gè)正的參考電壓，再選擇合適的放大倍數，使輸出能夠在A(yíng)/D轉換器的輸入范圍即可很好的解決該問(wèn)題。采用準同步采樣后，數據采用矩形自卷積窗算出其有效值。

4.5 控制導引電路
控制導引電路完成充電前充電樁與電動(dòng)汽車(chē)的連接確認、供電功率及充電連接裝置載流能力的識別和充電過(guò)程的監測等任務(wù)。MCU通過(guò)檢測點(diǎn)不同的電壓值來(lái)判斷所處狀態(tài)，其電路原理圖如圖5所示。

5 樁體電氣部分設計
交流充電樁的電氣部分主要完成充電的控制與充電過(guò)程的保護等功能。具有漏電保護、短路保護、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護等保護功能。除短路和漏電保護外，其他保護功能通過(guò)充電控制器控制接觸器實(shí)現，以實(shí)現自恢復；短路和漏電保護選用帶漏電保護的微型斷路器實(shí)現。此外系統還具有防雷模塊，防雷模塊標稱(chēng)放電電流不小于20kA，保護電壓水平小于等于1.5 kV。單相供電時(shí)防雷模塊的接線(xiàn)方式選用P+N接線(xiàn)方式。充電樁具備急停按鈕，以便在緊急情況時(shí)能夠強行終止充電。

6 軟件設計
充電樁通過(guò)觸摸屏完成交互式控制，運行時(shí)如果進(jìn)行刷卡操作則觸發(fā)中斷進(jìn)行讀卡，確定卡的類(lèi)型進(jìn)行相關(guān)操作。充電模式提供多種選擇可以設置按時(shí)間、電量、金額充電，也可設置成直接充滿(mǎn)為止。程序的整體流程圖如圖6所示。

7 結論本文分析了交流充電樁控制系統的硬件設計與軟件設計，敘述了充電樁電氣部分的設計。該系統以STM32F107VCT6為控制核心，實(shí)現了人機交互、充電控制、電能計量、IC卡付費、票據打印、運行狀態(tài)監測、充電保護和充電信息存儲和上傳等多種完善的功能。該系統能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)一般的慢速充電要求，作為充電基礎設施的一部分對于推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的普及具有重要的意義。