基于STM32F的電動汽車交流充電樁控制系統(tǒng)設計

0 引言
隨著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，各國政府及汽車企業(yè)普遍認識到節(jié)能和減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的方向，發(fā)展電動汽車將是解決這兩個難題的最佳途徑。我國高度重視電動汽車的發(fā)展，國家相繼出臺了一系列標準來扶持和規(guī)范電動汽車的發(fā)展。但要實現(xiàn)電動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汽車作為主要戰(zhàn)略取向。有關(guān)專家指出純電動汽車的發(fā)展存在三大瓶頸問題：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(guī)劃和建設的有序推進。本文所研究的電動汽車交流充電樁作為充電基礎設施的一部分對于推進電動汽車的普及具有重要的意義。

1 電動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)，采用傳導方式為具有車載充電機的電動汽車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、定時間、定金額、自動(充滿為止)四種模式充電，具備運行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電分時計量、歷史數(shù)據(jù)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、計量模塊、賬務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《電動汽車傳導充電用連接裝置；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，供電控制裝置通過圖1所示的檢測點4的電壓值判斷供電插頭與供電插座是否已完全連接。同時電動汽車車輛控制裝置通過測量檢測點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，操作人員對供電設備完成充電啟動設置，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。供電控制裝置通過測量檢測點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1的電壓值判斷車輛是否準備就緒，如滿足要求則通過閉合K使交流供電回路導通。

3 交流充電樁系統(tǒng)方案
系統(tǒng)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單的操作方式，滿足客戶按照不同的方式對電動汽車進行充電的要求，可以顯示當前充電狀態(tài)、充電電量和充電費用，友好的用戶界面可以讓客戶進行相應的選擇。當采集的電壓超過過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，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12位的ADC、4個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C，3個SPI，2個I2S，5個USART、一個USB和2個CAN，該器件同時提供了以太網(wǎng)接口，極大的方便了電路設計。

4.2 串行接口電路
系統(tǒng)共使用了四個串行接口分別與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，LCD觸摸屏作為從機。熱敏打印機根據(jù)打印機模塊提供的協(xié)議進行通信。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(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)《電動汽車車載充電機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與交流充電樁之間的通信系統(tǒng)采用CAN總線，所以設計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擴展幀的29位標識符。具體每個位分配的相應定義和傳輸協(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。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(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。在運放的正輸入端接入一個正的參考電壓，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 控制導引電路
控制導引電路完成充電前充電樁與電動汽車的連接確認、供電功率及充電連接裝置載流能力的識別和充電過程的監(jiān)測等任務。MCU通過檢測點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 樁體電氣部分設計
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等功能。具有漏電保護、短路保護、過流、過壓、欠壓保護等保護功能。除短路和漏電保護外，其他保護功能通過充電控制器控制接觸器實現(xiàn)，以實現(xiàn)自恢復；短路和漏電保護選用帶漏電保護的微型斷路器實現(xiàn)。此外系統(tǒng)還具有防雷模塊，防雷模塊標稱放電電流不小于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，以便在緊急情況時能夠強行終止充電。

6 軟件設計
充電樁通過觸摸屏完成交互式控制，運行時如果進行刷卡操作則觸發(fā)中斷進行讀卡，確定卡的類型進行相關(guān)操作。充電模式提供多種選擇可以設置按時間、電量、金額充電，也可設置成直接充滿為止。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)的硬件設計與軟件設計，敘述了充電樁電氣部分的設計。該系統(tǒng)以STM32F107VCT6為控制核心，實現(xiàn)了人機交互、充電控制、電能計量、IC卡付費、票據(jù)打印、運行狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)能滿足電動汽車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電動汽車的普及具有重要的意義。