徐　坤，周子昂，吳定允，耿文波，李向東

(周口師范學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466001)

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電動汽車交流充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計

徐坤，周子昂，吳定允，耿文波，李向東

(周口師范學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466001)

摘要：分析了電動汽車交流充電樁的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計了以STM32處理器為核心的控制系統(tǒng)。闡述了交流充電接口的基本功能及充電過程狀態(tài)，完成了控制導(dǎo)引電路及充電狀態(tài)采集電路的設(shè)計。通過軟件設(shè)置脈寬調(diào)制器(PWM)模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊，實現(xiàn)了充電過程控制導(dǎo)引、連接確認、識別充電接口傳輸最大電流和充電連接狀態(tài)實時采集等功能。測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電動汽車；交流充電樁；脈寬調(diào)制器；控制導(dǎo)引

0引言

為了應(yīng)對空氣污染，電動汽車受到了廣泛的關(guān)注。全球主要的汽車制造商均積極投入電動汽車的研發(fā)與生產(chǎn)中，以推進汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級[1-3]。充電裝置對于電動汽車產(chǎn)業(yè)而言是不可或缺的重要設(shè)備，主要包括直流充電機和交流充電樁兩種形式[4]。交流充電樁因其占地面積小、一次建設(shè)費用少等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用[5]。

近年來，對交流充電樁的研究取得了較有價值的成果。文獻[6]借助于Freescale K60微控制器，以家庭應(yīng)用為背景，設(shè)計了一種交流便攜式電動汽車充電箱。文獻[7]對電動汽車交流充電接口電路進行研究，分析了接口等效電路模型，完成了充電接口連接狀態(tài)等功能測試。文獻[8]設(shè)計了以可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為控制器的交流充電控制系統(tǒng)，解決了電動汽車的充電計費問題。文獻[9]結(jié)合實時操作系統(tǒng)μC/OSⅡ，設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的電動汽車交流充電樁。上述研究對于電動汽車充電設(shè)備的開發(fā)和生產(chǎn)提供了良好的指導(dǎo)建議，然而，充電設(shè)施的產(chǎn)業(yè)化運行對充電樁提出了低成本、易維護和智能化等更高的要求。因此，本文提出了基于STM32處理器STM32F107的電動汽車交流充電樁控制系統(tǒng)及設(shè)計方案，采用射頻識別(radio frequency identification,RFID)卡進行信息認證和消費結(jié)算，既適用于公共停車場，也可在個人家庭車庫中使用。同時，利用STM32F107較強的網(wǎng)絡(luò)支持功能，設(shè)計了Internet接口，便于系統(tǒng)的維護和升級。該設(shè)計方案遵循GB/T 20234第1部分和第2部分規(guī)定的電動汽車傳導(dǎo)充電連接裝置和交流充電接口的相關(guān)要求[10-11]。

1硬件系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，主要由3部分構(gòu)成：交流輸入控制部分，實現(xiàn)交流供電控制、電能的計量和安全防護等功能；交流輸出控制部分，完成充電電纜連接確認、控制導(dǎo)引與車載充電機通信等；中央控制部分，實現(xiàn)系統(tǒng)檢測、人機交互、計量收費、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)通信以及故障診斷等功能。其中，交流輸入控制部分和交流輸出控制部分構(gòu)成系統(tǒng)充電主回路。交流充電樁硬件組成如圖l所示。

硬件系統(tǒng)采用嵌入式微處理器STM32F107為控制核心，該處理器是意法半導(dǎo)體公司推出的全新STM32系列微處理器中的一款產(chǎn)品。片內(nèi)集成包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)、脈寬調(diào)制器(pulse width modulation,PWM)及通用同步/異步收發(fā)器(universal synchronous asynchronous receiver and transmitter，USART)接口等外設(shè)資源。借助這些外設(shè)資源極大地簡化了電路設(shè)計的復(fù)雜度，因而，在工業(yè)控制和多媒體設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1　交流充電樁硬件組成圖

圖1中，RS485總線接口實現(xiàn)智能電量計量模塊與處理器STM32[10]之間通信接口轉(zhuǎn)換，完成對充電電壓和電流的讀取；交流接觸器驅(qū)動電路和急停按鈕實現(xiàn)交流接觸器主觸點的接通和斷開，實現(xiàn)交流充電電能的控制；連接確認(connection confirmation,CC)電路和控制導(dǎo)引(control pilot,CP)電路用于實現(xiàn)交流充電樁充電電纜連接和充電過程控制導(dǎo)引功能；標號①至⑦代表插座的7個接觸點，其中：L為火線；N為零線；PE為接地保護；CC為連接確認；CP為控制導(dǎo)引；NC1和NC2留作擴展用。

2硬件電路設(shè)計

2.1RS485總線接口電路

圖2　RS485總線接口電路

處理器STM32F107通過RS485總線接口電路實現(xiàn)與電能計量模塊間的信息交互，RS485總線接口電路如圖2所示。采用MAX485芯片完成處理器串口通信到RS485總線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能消費數(shù)據(jù)的讀取功能。其中：MAX485芯片的RO和DI引腳分別接至STM32F107串口1的接收RXD1和發(fā)送TXD1引腳；R4為差分數(shù)據(jù)信號引腳A和B之間的匹配電阻，阻值為120 Ω；C1為0.1 μF的濾波電容。該電能計量模塊遵循DL/T 645—2007通信規(guī)范，數(shù)據(jù)幀傳輸格式如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)幀傳輸格式

數(shù)據(jù)域DATA包括數(shù)據(jù)標識、數(shù)據(jù)和密碼等,其內(nèi)容由控制碼來決定。數(shù)據(jù)傳輸時逐字節(jié)加33H處理，接收時減33H處理。校驗碼CS為從幀起始符開始到校驗碼之前的所有字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)二進制算術(shù)和，不計超過256的溢出值。所有數(shù)據(jù)項均先傳送低位字節(jié)，后傳送高位字節(jié)。

2.2控制導(dǎo)引原理與電路設(shè)計

圖3　典型控制導(dǎo)引接口等效原理圖

充電模式3連接方式B的典型控制導(dǎo)引接口等效原理圖如圖3所示。充電樁與充電電纜的連接確認電路及充電樁與車載充電機之間的控制導(dǎo)引電路，是充電樁與充電機、電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)實現(xiàn)信息交換的前提條件。

控制導(dǎo)引CP線上檢測點1的電壓大小是交流充電樁判斷車輛連接狀態(tài)的依據(jù)，該點電壓主要由充電電纜連接狀態(tài)、開關(guān)S2的狀態(tài)以及電阻R1、R2、R3的大小決定。根據(jù)充電過程，將其分為3個狀態(tài)[12]。

狀態(tài)1：充電電纜沒有完全連接，包括充電樁端接口和車輛端接口，開關(guān)S2斷開，此狀態(tài)不能進行充電，此時檢測點1的電壓U1為標稱電壓，U1=+12 V。

狀態(tài)2：充電電纜插頭已完全連接，開關(guān)S2為斷開狀態(tài)(車輛已經(jīng)做好充電準備)，不能進行充電。由圖3可知，檢測點1 的電壓U1由下式?jīng)Q定：

(1)

其中：R1和R3取國家標準中的標稱值[10-11]，分別為1 000 Ω和2 740 Ω；U為標稱電壓[10-11]，U=+12 V；UD為二極管D1的管壓降，約為0.7 V。此狀態(tài)檢測點1的電壓U1≈8.99 V。

狀態(tài)3:充電電纜插頭已完全連接，車輛已經(jīng)做好充電準備，開關(guān)S2閉合，可以進行充電。此時，檢測點1 的電壓U1由式(2)和式(3)計算得出：

(2)

(3)

其中：R2的標稱值[10-11]為1 300 Ω。因此，在U為+12 V時，U1≈5.99 V。

圖4　控制導(dǎo)引電路

PWM電平狀態(tài)LED狀態(tài)Q1導(dǎo)通情況Q2導(dǎo)通情況CP線輸出電壓/V高電平滅導(dǎo)通截止+12低電平亮截止導(dǎo)通-12

通過上述分析，控制導(dǎo)引電路要求具有輸出穩(wěn)定+12 V和雙極性的PWM信號的功能，工作在PWM狀態(tài)時，要求峰值和谷值電壓分別為+12 V和-12 V。接口電路如圖4所示，借助STM32F107集成的PWM引腳，通過高速光電耦合器6N135隔離后，經(jīng)過Q1、Q2組成的推挽功率放大電路放大，從CP端口輸出。其中：R5具有限流作用，以保護6N135中的LED，阻值為220 Ω；R7為該模塊電路的輸出匹配電阻，依據(jù)GB/T 20234.2[11]的要求，阻值為1 000 Ω。在PWM波邏輯電平狀態(tài)的控制下輪番輸出+12 V和-12 V，在PWM占空比為50%的情況下，忽略Q1、Q2的管壓降，PWM電平與CP線輸出電壓對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

2.3控制導(dǎo)引參數(shù)采集電路

參數(shù)采集電路實現(xiàn)充電樁和充電設(shè)備之間狀態(tài)、供電功率等信息的采集功能，主要由集成運放HA17904構(gòu)成的電壓跟隨器電路和線性放大光電耦合器HCPL7840構(gòu)成的線性隔離放大電路組成。控制導(dǎo)引參數(shù)采集電路原理如圖5所示。

在圖5中，HCPL7840內(nèi)部集成輸入放大電路和光電耦合電路，輸入阻抗高、線性度好，具有1 000倍左右的電壓放大倍數(shù)，能不失真?zhèn)鬏敽练夒妷汉碗娏餍盘枺捎貌罘中盘栞敵龇绞?。肖特基二極管D2和電阻R8構(gòu)成電壓鉗位電路，將由CP端口輸入的信號電壓鉗位為0～12 V。此外，電阻R9和R10組成線性電壓衰減電路，取值分別為10 000 Ω和270 Ω，使采集信號電壓衰減到320 mV以下，實現(xiàn)HCPL7840輸入阻抗匹配及端口VIN+對輸入電壓大小的要求。C3～C6為濾波電容，參數(shù)均取0.1 μF。差分輸出的電壓信號分別送入主控制器STM32F107的ADC端口ADC1和ADC2，由該控制器內(nèi)部集成的ADC模塊對輸入信號實時采樣、合成CP狀態(tài)電壓信號△U，其大小由VOUT+與VOUT-兩者的差值計算得出，即信號差分傳輸時，接收到的信號是兩者的差值。通過對△U分析，以確定電動汽車交流充電過程中所處的各個狀態(tài)。其中，VOUT+和VOUT-是HCPL7840的差分信號輸出端；R12和C7構(gòu)成RC濾波電路，R13和C8構(gòu)成RC濾波電路，以便在差分信號采樣前，濾除高頻成分的干擾。

圖5　控制導(dǎo)引參數(shù)采集電路

2.4交流接觸器驅(qū)動及急停按鈕識別電路

圖6　交流接觸器驅(qū)動及急停按鈕識別電路

圖6為交流接觸器驅(qū)動及急停按鈕識別電路。交流接觸器線圈通過繼電器KB的常開觸點以及按鈕SW的常閉觸點接到220 V電壓的L端和N端。只要處理器GPIO端口輸出高電平，在R14、R15和Q3構(gòu)成的放大電路的驅(qū)動下，繼電器KB觸點閉合，從而交流接觸器線圈帶電，導(dǎo)致其主觸點閉合，交流輸出控制部分有電能輸出。若GPIO端口為低電平，則可使正在輸出的電能切斷。在一些突發(fā)狀況下，處理器沒有主動切斷電能時，可以人為按下急停按鈕SW，切斷電能輸出。此時按鈕常開觸點閉合，導(dǎo)致端口INT為低電平，該端口接到處理器STM32F107的外部充電觸發(fā)引腳上，從而引發(fā)處理器中斷，完成急停按鈕被按下的動作識別，并做出相應(yīng)的處理。

圖6中，快速恢復(fù)二極管D3為繼電器KB的線圈提供續(xù)流回路，對繼電器起到保護作用；電阻R16、R17、電容C9及二極管D4組成中斷信號調(diào)理電路，以減少干擾信號通過處理器中斷引腳對處理器的干擾，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。其中，R16和R17取值分別為30 000 Ω和3 300 Ω，C9取值為0.1 μF。

3系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)程序主要由系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、用戶信息識別、系統(tǒng)連接確認和充電過程實時監(jiān)測等部分組成。在用戶信息識別部分，采用射頻識別技術(shù)實現(xiàn)用戶信息讀取、確認和結(jié)算。在充電過程實時監(jiān)測部分，主要是對CP信號進行實時采樣和處理分析，及時確定充電電纜的連接狀態(tài)和受電設(shè)備狀態(tài)。同時，也對設(shè)備其他電路模塊進行監(jiān)測，以對突發(fā)狀況及時處理，保護充電設(shè)備和受電設(shè)備安全。系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

4系統(tǒng)測試

本控制系統(tǒng)在奇瑞汽車股份有限公司生產(chǎn)的純電動乘用車(型號為SQR7000BEVJ00)上完成充電測試。并采用泰克公司(Tektronix)生產(chǎn)的示波器DPO7254C實現(xiàn)波形觀測，該示波器模擬帶寬2.5 GHz,采樣速率高達40 G/s。同時，借助于計算機串口調(diào)試工具，完成通信數(shù)據(jù)測試及功能分析。

圖7　系統(tǒng)程序流程圖

4.1電能計量模塊測試

處理器STM32F107通過串口經(jīng)RS485通信接口實現(xiàn)與電能計量模塊間電能的讀取及信息交互。

處理器發(fā)出讀電量數(shù)據(jù)幀：FE 68 29 25 01 12 14 40 68 01 02 43 C3 8E 16，其中，地址字段29 25 01 12 14 40表示讀取模塊的地址；8E為校驗和。電量模塊收到讀電量數(shù)據(jù)命令后，發(fā)出應(yīng)答數(shù)據(jù)幀：FE 68 29 25 01 12 14 40 68 06 43 C3 69 55 33 33 B5 16；電量數(shù)據(jù)為：69 55 33 33，該數(shù)據(jù)逐字節(jié)減去0x33后為：36 22 00 00，即當前電量為22.36 kWh。其中：FE為設(shè)備激活字符，數(shù)據(jù)發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，先發(fā)1個或幾個字節(jié)的FE，使數(shù)據(jù)接收方做好接收數(shù)據(jù)的準備；B5為校驗和。

4.2控制導(dǎo)引狀態(tài)及采樣分析

控制導(dǎo)引電路檢測點1處，電壓U1的有效值為各個狀態(tài)(狀態(tài)1、狀態(tài)2和狀態(tài)3)電壓標稱值±0.8 V，測試結(jié)果如表3所示。由表3可看出：3個狀態(tài)的電壓實際測試值均在有效范圍之內(nèi)，且比標稱值偏低，主要原因為+12 V的電壓在功率管Q1上產(chǎn)生一定的管壓降所致。端口ADC1和ADC2分別為控制導(dǎo)引參數(shù)采集電路的差分信號輸出端，也是主控制器ADC采樣的輸入端口，△U為VOUT+與VOUT-之差，只要3個狀態(tài)對應(yīng)△U的值之間有足夠大的電壓差，就可以借以判斷設(shè)備所處的狀態(tài)。

表3　控制導(dǎo)引狀態(tài)及采樣端口電壓測試結(jié)果

圖8　控制導(dǎo)引電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換波形圖

本系統(tǒng)設(shè)置ADC模塊一次采樣位數(shù)為8位，在對應(yīng)的采樣電壓為0～5 V時，電壓分辨率為5/255 V，約等于0.0 196 V，即模擬電壓差大于0.02 V以上，就對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換結(jié)果。從表3可以看出：3個狀態(tài)所對應(yīng)的△U相差均在0.8 V以上，其AD轉(zhuǎn)換結(jié)果均有足夠的安全距離。因此，依據(jù)本設(shè)計電路采集的信號，可以較大地降低狀態(tài)誤判的概率。

4.3脈寬調(diào)制器狀態(tài)波形測試

控制導(dǎo)引電路工作在PWM狀態(tài)，采用示波器CH1通道觀測電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換波形，波形圖如圖8所示。圖8中，周期為1.000 ms，PK-PK為波形電壓峰-峰值。在初始化占空比為15%條件下，狀態(tài)1對應(yīng)波形電壓峰-峰值(PK-PK)為22.9 V，與表1中的狀態(tài)1相對應(yīng)，且正峰值電壓為11.45 V；充電電纜已經(jīng)完全連接，由狀態(tài)1轉(zhuǎn)到狀態(tài)2，波形峰-峰值為17.60 V，正峰值電壓為8.80 V；車輛端已做好充電準備，將開關(guān)S2閉合，由狀態(tài)2轉(zhuǎn)到狀態(tài)3，正峰值電壓為5.80 V；波形數(shù)據(jù)與表3實測數(shù)據(jù)基本一致。交流接觸器主觸點閉合，開始充電，主控制器實時檢測CP信號的狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，及時分開接觸器停止充電。

從測試結(jié)果來看，本文設(shè)計控制系統(tǒng)及各接口電路達到了GB/T 20234.2關(guān)于交流充電樁接口特性及控制導(dǎo)引的基本要求，電路輸出測試數(shù)據(jù)均在誤差允許范圍之內(nèi)。

5結(jié)束語

本文設(shè)計了以微處理器STM32F107為主控制器的電動汽車交流充電接口電路及控制系統(tǒng)。采用光電耦合器對數(shù)字部分和模擬部分進行隔離，有效減少了兩部分相互間的干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。實現(xiàn)了電動汽車交流充電時，對供電端插頭的連接確認及控制導(dǎo)引功能，并完成了充電狀態(tài)參數(shù)的實時采集。同時，也實現(xiàn)了電動汽車充電過程實時監(jiān)測、信號安全隔離、高效節(jié)能及智能化操作目標。該設(shè)計對于電動汽車充電設(shè)備研發(fā)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有一定的參考意義。

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中圖分類號：TM910.6

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-10-20

作者簡介：徐坤(1980-),男,河南鄲城人,講師,碩士,主要研究方向為信號與信息處理.

基金項目：河南省科技攻關(guān)計劃基金項目(142102210600);周口師范學(xué)院2015年度基金項目(ZKNUB215101)

文章編號：1672-6871(2016)03-0047-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.011