王新艷,李晶華,李藝超

(1.天津職業(yè)大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，天津 300410; 2.天津市動(dòng)核心科技有限公司，天津 300240)

0 引言

隨著環(huán)境污染的加重，以及高性能電池技術(shù)、大規(guī)模集成電路等的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)又逐漸進(jìn)入大眾視野。國(guó)內(nèi)以及美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，政府、各大汽車(chē)公司均投入了人力、財(cái)力用于電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)充電的基礎(chǔ)設(shè)施，市場(chǎng)現(xiàn)有5種充電接口標(biāo)準(zhǔn)，使得充電市場(chǎng)比較混亂。為了保證充電樁市場(chǎng)的規(guī)范性，我國(guó)制定電動(dòng)汽車(chē)充電接口及通信協(xié)議國(guó)標(biāo)[1-3]，以便于消費(fèi)者享受電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)的便捷。

近年來(lái)，關(guān)于交流充電樁的研究較多。文獻(xiàn)[4]完成了充電過(guò)程連接確認(rèn)、控制導(dǎo)引、識(shí)別最大充電電流等實(shí)時(shí)采集功能；文獻(xiàn)[5]和[6]僅描述了一些設(shè)計(jì)方案與思路，未給出具體的設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[7]基于STM32F103RCT6的充電樁硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)硬件模塊的原理進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller，PLC)為控制器的交流充電控制系統(tǒng)，解決了充電電動(dòng)汽車(chē)充電計(jì)費(fèi)問(wèn)題。上述研究對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的充電樁的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)提供了指導(dǎo)建議，但是對(duì)于交流充電供電設(shè)備的檢測(cè)卻較少。因此，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)國(guó)標(biāo)中控制導(dǎo)引功能電路的研究，利用組態(tài)軟件技(Monitor and Control Generated System，MCGS)組態(tài)技術(shù)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)系統(tǒng)，以STM32F103為核心搭建車(chē)輛端充電模擬檢測(cè)裝置作為下位機(jī)，配合完成充電連接過(guò)程中控制導(dǎo)引功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)不同型號(hào)、版本的電動(dòng)汽車(chē)交流供電設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)上位機(jī)界面，可直觀地顯示被測(cè)供電設(shè)備地充電連接狀態(tài)與信號(hào)的電氣參數(shù)，也可用于交流供電設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢修。

1 控制導(dǎo)引功能檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 充電模式3連接方式C的控制導(dǎo)引檢測(cè)原理圖

控制導(dǎo)引功能檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要由充電接口、邏輯門(mén)電平標(biāo)準(zhǔn)(transistor-transistor logic,TTL)轉(zhuǎn)RS485通信模塊、R2/R3電阻選擇網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏、信號(hào)采集與處理單元組成。其中，信號(hào)采集與處理單元主要由充電連接確認(rèn)(connection confirm，CC)信號(hào)采集、控制導(dǎo)引功能(Control Pilot，CP)信號(hào)采集、STM32F103最小系統(tǒng)等組成。軟件系統(tǒng)模塊主要有單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與通信程序、MCGS通信驅(qū)動(dòng)程序、MCGS控制策略和MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)組成。其中，充電接口選用符合GB/T 20234.2-2015 《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電用連接裝置 交流充電接口》的車(chē)輛端七芯插座；信號(hào)采集電路用于CC和CP的變換、整形，處理為單片機(jī)可安全識(shí)別的信號(hào)；單片機(jī)負(fù)責(zé)采集信號(hào)的分析處理，并將數(shù)據(jù)打包傳送，同時(shí)還要接收上位機(jī)發(fā)送的指令驅(qū)動(dòng)S2開(kāi)關(guān)閉合；TTL轉(zhuǎn)RS485通信模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)與觸摸屏之間安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸；電阻選擇網(wǎng)絡(luò)是用于模擬車(chē)輛端檢測(cè)電阻，可模擬車(chē)輛端S2閉合狀態(tài)，同時(shí)也可以切換不同阻值用于檢測(cè)控制導(dǎo)引信號(hào)的電路參數(shù)是否處于國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)；觸摸屏在本設(shè)計(jì)中可視為上位機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互與檢測(cè)邏輯分析。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

充電模式3連接方式C的控制導(dǎo)引檢測(cè)原理如圖2所示。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在充電槍插入車(chē)輛插座的過(guò)程中，車(chē)輛充電模擬檢測(cè)裝置通過(guò)測(cè)量CC與PE之間的電阻值來(lái)確認(rèn)當(dāng)前充電連接裝置(電纜)的額定容量，同時(shí)還判斷車(chē)輛插頭與車(chē)輛插座是否完全連接。通過(guò)測(cè)量CP檢測(cè)點(diǎn)1的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號(hào)占空比確認(rèn)當(dāng)前供電設(shè)備的最大供電電流。在本設(shè)計(jì)中，為了判斷供電設(shè)備CP信號(hào)在檢測(cè)電阻出現(xiàn)偏差時(shí)的電路參數(shù)是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在二極管D1之前增加了CP檢測(cè)1的信號(hào)測(cè)量。信號(hào)采集模塊將這些信息通過(guò)RS485通訊傳送到上位機(jī)，上位機(jī)的組態(tài)界面將直觀地顯示當(dāng)前的操作狀態(tài)與信號(hào)參數(shù)。與國(guó)標(biāo)規(guī)定的電路參數(shù)的對(duì)比，若信號(hào)正確，通過(guò)指令按鈕發(fā)送S2閉合指令，單片機(jī)接收該指令并驅(qū)動(dòng)S2開(kāi)關(guān)閉合，將R2投入到電路連接中。供電設(shè)備監(jiān)測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)1的電平變化，控制K1、K2開(kāi)關(guān)閉合輸出交流220 V，輸出指示燈點(diǎn)亮，充電連接過(guò)程結(jié)束。

上位機(jī)還可以在充電連接過(guò)程中或者充電連接完成后，通過(guò)指令控制選擇開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，選擇不同的R3與R2的阻值，其阻值的變化會(huì)影響到供電設(shè)備的檢測(cè)點(diǎn)1的CP信號(hào)幅值，國(guó)標(biāo)要求供電設(shè)備的CP信號(hào)在導(dǎo)引狀態(tài)1-3的電壓值誤差在± 0.8 V 以內(nèi)。如果超出此值，可能導(dǎo)致電動(dòng)車(chē)輛與供電設(shè)備的誤差容限不匹配，無(wú)法進(jìn)行正常充電。以此判斷CP信號(hào)的電路參數(shù)是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最終給出檢測(cè)結(jié)果。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 觸摸屏選型

基于組態(tài)軟件McgsPro開(kāi)發(fā)的組態(tài)工程需要運(yùn)行于昆侖通態(tài)的MCGSTPC系列嵌入式一體化工控機(jī)(簡(jiǎn)稱觸摸屏)。其G系列的TPC1570Gi是一套以先進(jìn)的Cortex-A53 4核CPU為核心的高性能觸摸屏，產(chǎn)品采用了15.6英寸(1英寸 =25.4 mm)高亮度TFT液晶顯示屏，具有良好的電磁屏蔽行，其通信接口豐富，有2路RS485、1路RS232、1路LAN。本系統(tǒng)選用RS485接口與下位機(jī)通訊。

2.2 車(chē)輛端充電模擬裝置設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用基于ARM CortexTM-M3內(nèi)核的低功耗STM32F103單片機(jī)。芯片具有豐富的外設(shè)，具有1路區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制(controller area network,CAN)、支持12位ADC轉(zhuǎn)換、 3個(gè)通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART)、3路16位帶捕獲功能的定時(shí)器、時(shí)鐘頻率可達(dá) 72 MHz，完全滿足系統(tǒng)需求。

連接確認(rèn)信號(hào)主要檢測(cè)充電槍的CC端與地線(protection earthing,PE)端之間的電阻值，所以需要CC信號(hào)檢測(cè)電路提供信號(hào)源，當(dāng)有充電槍連接到車(chē)輛充電端口時(shí)將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值。電阻值的大小同時(shí)還代表了連接裝置(電纜)的額定容量，由于供電設(shè)備不同，CC端與PE端之間的電阻取值范圍在100～3 600 Ω之間。為滿足整個(gè)電阻值范圍內(nèi)的測(cè)量精度，由單片機(jī)根據(jù)采集的AD值的區(qū)間決定采集信號(hào)的分壓比。實(shí)現(xiàn)當(dāng)采集電路在小信號(hào)時(shí)直接連接運(yùn)算放大器，大信號(hào)時(shí)先分壓后連接與運(yùn)算放大器，在整個(gè)電阻值范圍內(nèi)能輸出安全可靠的電壓值。

CP采集電路主要是在充電連接階段與充電過(guò)程中，對(duì)供電設(shè)備輸出的PWM波整形，使其為滿足單片機(jī)檢測(cè)端口的電平要求。準(zhǔn)確地采集PWM信號(hào)的頻率與占空比是可靠充電的重要保障。為了提高采集電路的抗干擾性，采用RC濾波與門(mén)限電壓比較輸出的電路結(jié)構(gòu)，避免了干擾信號(hào)帶來(lái)的誤觸發(fā)。國(guó)標(biāo)要求PWM信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間在不帶電纜空載的情況下保持在2 μs 以內(nèi)。帶電纜并加載情況下，最大時(shí)間不超過(guò) 10 μs。因此，RC濾波電路的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格地計(jì)算其時(shí)間常數(shù)。

由控制導(dǎo)引檢測(cè)原圖可知R2/R3電阻網(wǎng)絡(luò)與S2開(kāi)關(guān)放置在車(chē)輛端，在充電連接階段與充電過(guò)程中，其電路結(jié)構(gòu)的變化直接影響到供電設(shè)備檢測(cè)點(diǎn)1的電平變化。供電設(shè)備根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)1的電平變化判斷當(dāng)前充電連接狀態(tài)和是否輸出交流電壓。在國(guó)標(biāo)中對(duì)供電設(shè)備充電導(dǎo)引電路的電氣參數(shù)有準(zhǔn)確的規(guī)定，利用選擇開(kāi)關(guān)選擇不同的R2和R3阻值，根據(jù)供電設(shè)備對(duì)電氣參數(shù)變化的響應(yīng)判斷其是否滿足國(guó)標(biāo)要求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)

單片機(jī)的程序編寫(xiě)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想。軟件主要由主程序、外設(shè)初始化與CC信號(hào)采集、CP信號(hào)采集、串口通信數(shù)據(jù)處理等部分組成，系統(tǒng)主流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主流程圖

CC信號(hào)采集子程序通過(guò)量程的選擇，對(duì)該量程下的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)(analog to digital,AD)轉(zhuǎn)換，為獲取穩(wěn)定的AD值進(jìn)行數(shù)字濾波，當(dāng)前交流充電樁CC與PE線間阻值即可得出。

通過(guò)定時(shí)器及輸入捕捉功能即可計(jì)算得出PWM信號(hào)的頻率與占空比參數(shù)值，此PWM波即為CP信號(hào)。為簡(jiǎn)化計(jì)算頻率方式，在進(jìn)行定時(shí)器初始化時(shí)，時(shí)鐘配置為1 MHz，則一個(gè)計(jì)數(shù)值為1 μs，配置TIM5為上升沿捕捉方式，將中斷開(kāi)啟。中斷子函數(shù)對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行賦值，并捕捉相鄰的兩個(gè)PWM波上升沿，以標(biāo)記一個(gè)周期進(jìn)行波形參數(shù)采集。

3.2 MCGS通信腳本驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備間的連接紐帶，可將外部硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取至MCGS，進(jìn)而對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)控。如表1與表2所示，分別是觸摸屏與單片機(jī)的通信協(xié)議位定義。在本設(shè)計(jì)中,由于通信模塊的的數(shù)據(jù)傳輸采用獨(dú)立的通信協(xié)議，因此需自行編寫(xiě)腳本驅(qū)動(dòng)程序。使用如圖4所示的MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具，將編寫(xiě)的腳本驅(qū)動(dòng)安裝至“用戶定制設(shè)備”目錄下，供設(shè)備窗口選用即可。

表1 觸摸屏下發(fā)通信協(xié)議表

表2 單片機(jī)上傳通信協(xié)議表

圖4 組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)工具

3.3 MCGS功能策略腳本程序

MCGS采用如圖5所示的多線程工作方式，保證運(yùn)行系統(tǒng)的高效率。充電連接過(guò)程檢測(cè)流程如圖6所示，通信驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)上電后直接啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)的邏輯判斷與控制在MCGS的循環(huán)策略中執(zhí)行的。圖7與圖8所示的CC與CP信號(hào)檢測(cè)流程圖中，在循環(huán)策略中不斷地將單片機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并與國(guó)標(biāo)中規(guī)定的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較，按照充電連接的控制時(shí)序發(fā)送相應(yīng)控制命令，實(shí)現(xiàn)控制導(dǎo)引功能檢測(cè)，完成充電連接。

圖5 多線程工作模式

圖6 充電連接過(guò)程檢測(cè)流程圖

為了檢驗(yàn)充電設(shè)備的控制導(dǎo)引功能對(duì)不同狀態(tài)參數(shù)的響應(yīng)情況，在策略窗口中還編寫(xiě)了用戶策略，該策略被窗口界面的按鍵調(diào)用執(zhí)行，發(fā)送命令去控制選擇開(kāi)關(guān)將不同阻值的電阻投入電路，影響檢測(cè)點(diǎn)參數(shù)。通過(guò)供電設(shè)備的響應(yīng)情況來(lái)判斷控制導(dǎo)引的電路參數(shù)是否滿足國(guó)標(biāo)要求。

在運(yùn)行策略窗口創(chuàng)建名稱為“充電連接標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)”的用戶策略。新增策略行采用腳本程序?qū)崿F(xiàn)充電設(shè)備的連接確認(rèn)信號(hào)CC端與PE端之間的電阻值是否滿足國(guó)標(biāo)電氣標(biāo)準(zhǔn)的判斷。因?yàn)楣╇娫O(shè)備不同，連接裝置(電纜)的額定容量不同，在不同的連接階段需要將采集的當(dāng)前電阻值與國(guó)標(biāo)規(guī)定的每一組參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，將比對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)保存便于測(cè)試報(bào)告調(diào)用。當(dāng)測(cè)試人員在相應(yīng)界面點(diǎn)擊選擇了“標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)”按鈕，在后臺(tái)任務(wù)的腳本程序里判斷該按鈕動(dòng)作，則采用調(diào)用函數(shù)!SetStgyMode(充電連接標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè))調(diào)用該用戶策略。

圖7 充電連接信號(hào)檢測(cè)流程圖

圖8 控制導(dǎo)引信號(hào)檢測(cè)流程圖

在運(yùn)行策略窗口創(chuàng)建名稱為“控制導(dǎo)引標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)”的用戶策略。新增策略行采用腳本程序?qū)崿F(xiàn)充電設(shè)備的控制導(dǎo)引信號(hào)CP在不同的連接階段的電氣參數(shù)是否滿足國(guó)標(biāo)的判斷。在程序里通過(guò)條件判斷的方式將當(dāng)前檢測(cè)點(diǎn)1的電平值與不同連接階段的國(guó)標(biāo)規(guī)定值進(jìn)行比對(duì)，每個(gè)階段的比對(duì)是否合格通過(guò)“OK標(biāo)志”數(shù)據(jù)位置“1”進(jìn)行存儲(chǔ)。最終判斷“OK標(biāo)志”是否等于0X0F判斷在整個(gè)充電連接階段CP信號(hào)的電平變化是否滿足國(guó)標(biāo)要求。當(dāng)測(cè)試人員在相應(yīng)界面點(diǎn)擊選擇了“標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)”按鈕，在后臺(tái)任務(wù)的腳本程序里判斷該按鈕動(dòng)作，則采用調(diào)用函數(shù)!SetStgyMode(控制導(dǎo)引標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè))調(diào)用該用戶策略。

3.4 MCGS畫(huà)面組態(tài)

控制導(dǎo)引功能檢測(cè)系統(tǒng)的界面組態(tài)主要有標(biāo)準(zhǔn)查詢界面、圖形化監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，故障測(cè)試界面等。標(biāo)準(zhǔn)查詢界面將國(guó)標(biāo)規(guī)定的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、充電時(shí)序圖等組態(tài)到界面里，方便技術(shù)人員隨時(shí)查詢。圖形化監(jiān)控界面設(shè)計(jì)了包含控制導(dǎo)引檢測(cè)原理的圖元，不同的連接狀態(tài)下采用流動(dòng)塊指示信號(hào)流動(dòng)路徑，充電連接過(guò)程的文字描述等。數(shù)據(jù)監(jiān)控界面主要是當(dāng)前通信數(shù)據(jù)的顯示。故障測(cè)試界面主要用于故障點(diǎn)的設(shè)置與電阻參數(shù)的修改命令。組態(tài)好界面后需要將動(dòng)畫(huà)圖元與相關(guān)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)效果。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

深圳巴斯巴科技發(fā)展有限公司的充電模式2控制盒是一種便攜式的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備，其充電線纜也集成了控制和保護(hù)作用的控制系統(tǒng)。采用控制導(dǎo)引功能檢測(cè)裝置對(duì)其產(chǎn)品EVB13-001N型號(hào)的控制盒進(jìn)行測(cè)試。

充電連接CC信號(hào)的測(cè)量如圖9所示，上位機(jī)顯示電阻值RC為681 Ω，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)查詢電阻值RC為680 Ω±3%的電纜容量為16A?？刂茖?dǎo)引信號(hào)CP的PWM波的測(cè)量如圖10所示，CP的PWM頻率為1 001 Hz，占空比為21.6%，當(dāng)前供電設(shè)備允許輸出的最大供電電流，按照國(guó)標(biāo)計(jì)算公式：

IMAX=(D×100)×0.6=(21.6%×100)×0.6=12.96A

(1)

EVB13-001N型號(hào)的控制盒的銘牌標(biāo)注采用的是國(guó)標(biāo)16A交流直頭充電槍?zhuān)敵鲭娏髦禐?3A，PWM21.7%，與控制導(dǎo)引功能檢測(cè)裝置測(cè)量值一致。國(guó)標(biāo)中控制導(dǎo)引電路的參數(shù)規(guī)定輸出頻率為1 000 Hz，誤差范圍為970～1 030 Hz; 輸出占空比誤差在1%以內(nèi)。因此，本設(shè)計(jì)的控制導(dǎo)引功能滿足國(guó)標(biāo)要求。

圖9 上位機(jī)充電連接信號(hào)界面

圖10 上位機(jī)充電控制導(dǎo)引信號(hào)界面

5 結(jié)語(yǔ)

以MCGS組態(tài)技術(shù)搭建的電動(dòng)汽車(chē)交流充電設(shè)備控制導(dǎo)引功能檢測(cè)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好、速度快，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的人機(jī)交互方式簡(jiǎn)單，監(jiān)控界面的動(dòng)畫(huà)顯示與實(shí)際操作同步，直觀地顯示了充電連接過(guò)程的狀態(tài)變化與關(guān)鍵信號(hào)的電氣參數(shù)。其故障測(cè)試功能也可檢測(cè)當(dāng)前供電設(shè)備的控制導(dǎo)引電路的電氣參數(shù)是否與國(guó)標(biāo)規(guī)定的電氣參數(shù)相一致。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制導(dǎo)引功能檢測(cè)系統(tǒng)適用于檢測(cè)是否符合GB/T 18487.1—2015規(guī)定的電動(dòng)汽車(chē)交流供電設(shè)備，包括纜上控制與保護(hù)裝置、交流充電樁、非車(chē)載充電機(jī)等；同時(shí)也可以作為新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)在交流充電教學(xué)過(guò)程的實(shí)訓(xùn)裝置。