基于嵌入式系統(tǒng)的電動(dòng)汽車交流充電樁設(shè)計(jì)

摘要：交流充電樁是電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。在此以基于Cortex—M3內(nèi)核的微處理器為核心，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，完成了電動(dòng)汽車交流充電樁的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，并詳細(xì)闡述了應(yīng)用軟件的任務(wù)優(yōu)先級(jí)安排和各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)。該交流充電樁工作穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、安裝布設(shè)方便，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，且已通過相關(guān)機(jī)構(gòu)鑒定。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；交流充電樁；嵌入式系統(tǒng)Cortex—M3；μC／OS-Ⅱ

汽車是現(xiàn)代生活中不可或缺的交通工具，但隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)展面臨著越來越大的壓力。電動(dòng)汽車憑借其在環(huán)保和節(jié)能等方面的優(yōu)勢(shì)，已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而，電動(dòng)汽車要想得到快速?gòu)V泛的普及，便捷高效的電能補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是重要的前提之一。充電系統(tǒng)為電動(dòng)汽車運(yùn)行提供能量補(bǔ)給，是電動(dòng)汽車的重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，也是電動(dòng)汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。交流充電樁是指固定安裝在電動(dòng)汽車外，與交流電網(wǎng)連接，為電動(dòng)汽車車載充電機(jī)提供交流電源的供電裝置。

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

1．1 功能需求分析
首先，作為電動(dòng)汽車電能補(bǔ)給裝置，系統(tǒng)必須采取必要的安全防護(hù)措施，向車載充電機(jī)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(shè)備的電氣安全。其次，準(zhǔn)確的電能計(jì)量及收費(fèi)是系統(tǒng)的基本功能，要滿足分時(shí)段多費(fèi)率的使用要求。最后，一個(gè)友善的人機(jī)接口界面及便捷的操作流程設(shè)計(jì)，能夠給用戶留下愉快的使用體驗(yàn)，從而使產(chǎn)品更容易為市場(chǎng)所接受。
1．2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)交流充電樁的功能需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，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(xiàn)的功能如下：
(1)交流輸入控制模塊。實(shí)現(xiàn)交流電能的計(jì)量，交流供電控制，電氣安全防護(hù)等。
(2)交流輸出控制模塊。實(shí)現(xiàn)充電電纜連接判斷，與車載充電機(jī)進(jìn)行通信。
(3)中央管理模塊。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、用戶身份識(shí)別、計(jì)量收費(fèi)、數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)
2．1 交流輸入控制模塊
交流輸入控制模塊由斷路器、保護(hù)裝置、電能計(jì)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(hù)裝置提供對(duì)操作人員及電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的電氣安全防護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，如電涌、過壓、漏電等，保護(hù)裝置能及時(shí)響應(yīng)，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斷路器；異常檢測(cè)電路可檢測(cè)到斷路器的開合狀態(tài)，并將其反饋到中央控制模塊。
計(jì)量裝置用于實(shí)現(xiàn)單次充電操作的消費(fèi)電能計(jì)量，考慮到系統(tǒng)分時(shí)段多費(fèi)率計(jì)費(fèi)的需求，選用了智能電表。工作時(shí)，電表可通過RS 485接口向中央控制模塊發(fā)送消費(fèi)電能、瞬時(shí)／平均電壓及電流數(shù)據(jù)。
交流接觸器位于電動(dòng)汽車專用充電插座一側(cè)，當(dāng)充電電纜準(zhǔn)確連接后，用戶可通過中央管理模塊發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉合接觸器，向車載充電機(jī)輸出交流電能。