基于STM32F的電動(dòng)汽車交流充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
隨著全球能源危機(jī)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，各國政府及汽車企業(yè)普遍認(rèn)識(shí)到節(jié)能和減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的方向，發(fā)展電動(dòng)汽車將是解決這兩個(gè)難題的最佳途徑。我國高度重視電動(dòng)汽車的發(fā)展，國家相繼出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)來扶持和規(guī)范電動(dòng)汽車的發(fā)展。但要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車大面積普及我國還有很長的路要走，需要解決的問題還有很多。在最近發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》草案中指出將以純電動(dòng)汽車作為主要戰(zhàn)略取向。有關(guān)專家指出純電動(dòng)汽車的發(fā)展存在三大瓶頸問題：一是標(biāo)準(zhǔn)的缺失，二是配套政策的不完善，三是基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)的有序推進(jìn)。本文所研究的電動(dòng)汽車交流充電樁作為充電基礎(chǔ)設(shè)施的一部分對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)汽車的普及具有重要的意義。

1 電動(dòng)汽車交流充電樁介紹
交流充電樁，又稱交流供電裝置，是指固定在地面或墻壁，安裝于公共建筑(辦公樓宇、商場、公共停車場等)和居民小區(qū)停車場或充電站內(nèi)，采用傳導(dǎo)方式為具有車載充電機(jī)的電動(dòng)汽車提供人機(jī)交互操作界面及交流充電接口，并具備相應(yīng)測控保護(hù)功能的專用裝置。交流充電樁采用大屏幕LCD彩色觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可選擇定電量、定時(shí)間、定金額、自動(dòng)(充滿為止)四種模式充電，具備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電分時(shí)計(jì)量、歷史數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)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)轎車用交流充電樁充滿電大約需要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(jì)量模塊、賬務(wù)管理模塊四部分組成。根據(jù)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場和路邊停車位進(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，如地下停車場或車庫。

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

供電設(shè)備插頭與插座連接后，供電控制裝置通過圖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)汽車車輛控制裝置通過測量檢測點(diǎn)3與PE間的電阻值判斷車輛插頭與車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(duì)供電設(shè)備完成充電啟動(dòng)設(shè)置，則開關(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(hào)。供電控制裝置通過測量檢測點(diǎn)1的電壓值判斷充電連接裝置是否已完全連接。車輛控制端檢測無誤后閉合S2，供電控制裝置通過再次測量檢測點(diǎn)1的電壓值判斷車輛是否準(zhǔn)備就緒，如滿足要求則通過閉合K使交流供電回路導(dǎo)通。

3 交流充電樁系統(tǒng)方案
系統(tǒng)由LCD觸摸屏、打印機(jī)、RS-485接口的電能表、漏電保護(hù)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(jī)操作界面和快捷簡單的操作方式，滿足客戶按照不同的方式對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的要求，可以顯示當(dāng)前充電狀態(tài)、充電電量和充電費(fèi)用，友好的用戶界面可以讓客戶進(jìn)行相應(yīng)的選擇。當(dāng)采集的電壓超過過壓保護(hù)定值或低于欠壓保護(hù)定值，充電樁停止充電。漏電保護(hù)斷路器可保證在充電過程中發(fā)生漏電等緊急故障情況下停止充電。當(dāng)發(fā)生意外狀況需要緊急停止充電時(shí)，可以通過急停按鈕來中斷充電。系統(tǒng)的電氣連接示意圖如圖2所示。

4 控制系統(tǒng)單元電路

4.1 主控制器選擇
主控制器選擇意法半導(dǎo)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)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(shè)計(jì)。

4.2 串行接口電路
系統(tǒng)共使用了四個(gè)串行接口分別與LCD觸摸屏、熱敏打印機(jī)、讀卡器和RS-485接口的電能表通信。LCD觸摸屏和熱敏打印機(jī)為RS-232電平，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)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(jī)，LCD觸摸屏作為從機(jī)。熱敏打印機(jī)根據(jù)打印機(jī)模塊提供的協(xié)議進(jìn)行通信。讀卡器為TTL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(jì)量的電能表采用多功能單相表，電表選用2.0等級(jí)的電能表，電流規(guī)格為5(40)A。電表提供RS-485接口，通過DL/T 645-2007通信協(xié)議與MCU通信。通過讀取電能表的電能值作為充電樁的電能計(jì)量值，通過讀取電表電流和電壓值來判斷充電過程中是否出現(xiàn)過流和過壓的情況，并加以處理。電能表接口的電路圖如圖3所示。

4.3 CAN總線接口電路
根據(jù)《電動(dòng)汽車車載充電機(jī)與交流充電樁通訊協(xié)議》征求意見稿中的相關(guān)說明，該征求意見稿推薦車載充電機(jī)與交流充電樁之間的通信系統(tǒng)采用CAN總線，所以設(shè)計(jì)CAN總線接口。數(shù)據(jù)鏈路層為物理連接之間提供可靠數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)車載充電機(jī)與交流充電樁之間的數(shù)據(jù)幀格式符合CAN總線2.0B版本的規(guī)定，使用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符。具體每個(gè)位分配的相應(yīng)定義和傳輸協(xié)議等功能符合SAE J1939—21的規(guī)定。

4.4 充電電壓測量電路
電壓測量首先需要通過測量互感器將電壓和電流轉(zhuǎn)換為可以測量的小信號(hào)。例如對(duì)220V的電壓信號(hào)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(dāng)于是一個(gè)采樣電阻。由于采樣的信號(hào)為交流電，信號(hào)有正負(fù)之分，而A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中。在運(yùn)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(shù)，使輸出能夠在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍即可很好的解決該問題。采用準(zhǔn)同步采樣后，數(shù)據(jù)采用矩形自卷積窗算出其有效值。

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

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

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

7 結(jié)論本文分析了交流充電樁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，敘述了充電樁電氣部分的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以STM32F107VCT6為控制核心，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、充電控制、電能計(jì)量、IC卡付費(fèi)、票據(jù)打印、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、充電保護(hù)和充電信息存儲(chǔ)和上傳等多種完善的功能。該系統(tǒng)能滿足電動(dòng)汽車一般的慢速充電要求，作為充電基礎(chǔ)設(shè)施的一部分對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)汽車的普及具有重要的意義。