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(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100141)

引 言

電動汽車在行駛過程中，不會造成排氣污染，對環(huán)境保護(hù)和空氣潔凈都是十分有益的。但是因為動力蓄電池技術(shù)的原因，大部分電動汽車充滿電后最大行駛距離只有300～400公里，較傳統(tǒng)汽車有較大劣勢。目前，國內(nèi)對于動力蓄電池的充電方式主要分為：交流充電和直流充電兩種方式。交流充電部署方便，但是充電速度慢。直流充電又被稱為快速充電方式，根據(jù)新國標(biāo)GB/T18487.1-2015等5項國家標(biāo)準(zhǔn)要求[1-3]，充電電流最大不超過125 A。實際應(yīng)用中也可以達(dá)到接近100 A的充電電流，這樣使得大部分電動汽車在直流充電模式下，大約半小時就可以完成動力蓄電池電量從30%到80%的充電過程。

為了解決市場上充電接口不統(tǒng)一，電動汽車使用不便的問題,質(zhì)檢總局、國家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合國家能源局、工信部、科技部等五部委在2015年12月28日發(fā)布新修訂的《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：一般要求》(GB/T18487.1-2015)等5項國家標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)全面提升了充電接口的安全性與兼容性[1]。為了滿足電動汽車安全快速充電的需求，按照新國標(biāo)設(shè)計電動汽車直流充電樁具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以STM32F103VE[4]單片機(jī)為控制核心，控制輸出主電源、安全保障模塊以及電動汽車CAN總線通信。WinCE觸摸顯示模組負(fù)責(zé)充電計費與用戶界面的功能。[5]STM32F103VE與WinCE觸摸顯示模組通過串口進(jìn)行連接，由STM32單片機(jī)進(jìn)行充電底層控制，可以保證充電過程中的安全，如遇到異常情況可以迅速停止充電。使用WinCE觸摸顯示模組設(shè)計用戶界面并進(jìn)行計費工作，保證了用戶界面的美觀并且提升了可靠性。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 底層控制板設(shè)計

底層控制板由輸出電源控制、安全檢測監(jiān)控、電動汽車CAN總線通信等底層控制邏輯硬件組成。

2.1.1 STM32F103VE最小系統(tǒng)

圖2 CAN總線電路設(shè)計

底層控制板采用STM32F103VE芯片[4]，它集成了多種外設(shè)模塊，包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、多達(dá)11個定時器、3路SPI接口、5個USART串口、2路I2C總線接口、CAN總線接口(2.0B主動)、USB2.0全速接口、SDIO接口。

STM32F103VE芯片通過豐富的外設(shè)通信總線和I/O資源實現(xiàn)了對于充電樁底層硬件的控制。CAN總線用于與電動汽車BMS系統(tǒng)進(jìn)行通信。A/D轉(zhuǎn)換器用于充電槍狀態(tài)的識別和充電電壓與電流的反饋。通過SPI總線對連接輸出主電源的D/A芯片進(jìn)行控制。USART分別用于與WinCE觸摸顯示模組和充電狀態(tài)顯示模塊通信。STM32F103VE豐富的I/O資源為控制和檢測電子鎖、泄放控制、IMD模塊等提供了極大的方便。

2.1.2 CAN總線設(shè)計

此部分采用了ISO1050芯片，它是一款采用氧化硅絕緣隔柵的CAN轉(zhuǎn)發(fā)器，完全符合或優(yōu)于ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范，可達(dá)到2 500 VRMS隔離。同時，還具有長達(dá)25年的使用壽命。通過這部分電路，STM32F103VE實現(xiàn)與電動汽車BMS的通信[3]。CAN總線部分電路如圖2所示。

2.1.3 輸出主電源控制

輸出主電源控制部分由D/A轉(zhuǎn)換芯片和線性光耦隔離電路組成。D/A芯片采用了TLV5638，它具有2路獨立的12位D/A轉(zhuǎn)換器，可以同時控制輸出主電源的電壓和最大輸出電流。

線性光耦隔離電路是將控制電路與輸出主電源之間的電氣連接隔離開，防止輸出主電源端的電磁信號對控制電路干擾。線性光耦采用HCNR201，它是AVAGO公司推出的高性能模擬光電耦合器。它內(nèi)部有一個高性能AlGaAs LED和兩個高度匹配的光二極管。它非常適合于需要穩(wěn)定性、線性度良好的模擬信號隔離。輸出主電源控制電路如圖3所示。

圖3 輸出主電源控制電路

2.1.4 充電槍CC1接口

根據(jù)新國標(biāo)GB/T18487.1-2015的《附錄B直流充電控制導(dǎo)引電路與控制》中的要求，充電樁要通過充電槍中CC1觸頭的電壓值判斷充電樁與電動汽車是否確認(rèn)連接[1]。根據(jù)《附錄B直流充電控制導(dǎo)引電路與控制》可知，CC1觸頭的電壓最大值為12.8 V，最小值為3.2 V，所以將CC1觸頭的電壓信號進(jìn)行衰減后，通過放大倍數(shù)為2的運放電路進(jìn)行放大[6]。充電槍CC1接口電路如圖4所示。

圖4 充電槍CC1接口電路

2.1.5 狀態(tài)量輸入電路

狀態(tài)量是指類似于充電槍鎖止開關(guān)反饋信號、急停開關(guān)信號，這類只有2種狀態(tài)的信號。狀態(tài)量輸入電路主要是將狀態(tài)量信號輸入到STM32F103VE中。狀態(tài)量輸入電路如圖5所示。

圖5 狀態(tài)量輸入電路

2.1.6 狀態(tài)量輸出電路

狀態(tài)量輸出電路是控制類似于充電槍鎖止等裝置。狀態(tài)量輸出電路采用了H11L1光耦進(jìn)行隔離。狀態(tài)量輸出電路如圖6所示。

圖6 狀態(tài)量輸出電路

2.2 用戶交互部分設(shè)計

用戶交互部分是由WinCE觸摸顯示模組、嵌入式打印機(jī)、三相電能表、RFID刷卡模塊組成。

WinCE觸摸顯示模組采用了北京藍(lán)海微芯科技有限公司的LJD-eWinV5-ET(K)7 型嵌入式觸控一體機(jī)，它采用7寸觸摸LED背光液晶屏幕，預(yù)裝正版WinCE 6.0系統(tǒng)。它作為一個可顯示的終端控制設(shè)備，擁有4路RS-232接口，用于與底層控制板、打印機(jī)、三相電能表、刷卡模塊進(jìn)行通信[7]。這種顯示界面與控制系統(tǒng)分離的結(jié)構(gòu)使各個系統(tǒng)更獨立，防止相互之間過于依賴，同時也使系統(tǒng)升級更為方便。

嵌入式打印機(jī)采用了北京煒煌科技發(fā)展有限公司的WH-E24打印機(jī)，它采用針式打印方式，具有可靠性高等特點。嵌入式打印機(jī)與WinCE觸摸顯示模組通過RS-232接口連接。

三相電能表采用了北京海灣智能儀表有限公司的DTS(X)1366型三相電子式有功無功電能表。它可以對系統(tǒng)輸入三相電能進(jìn)行計量，并通過RS-485接口與外部通信。本系統(tǒng)中采用RS-485接口與WinCE觸摸顯示模組連接，通信上采用《DL/T 645-2007 多功能電能表通信協(xié)議》。

RFID刷卡模塊采用了廣州慧斯佳智能科技有限公司的HSJ800B讀卡模塊，采用RS-232接口與WinCE觸摸顯示模組連接。HSJ800B讀卡模塊屏蔽了非接觸式IC卡片底層的操作細(xì)節(jié)，降低了開發(fā)復(fù)雜度。非接觸IC卡采用FM1208卡片，具有安全性高、通用廣泛等特點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作流程

用戶在給電動汽車充電時，需要先選擇充電金額，然后將充電卡貼緊刷卡區(qū)域，并進(jìn)行用戶密碼認(rèn)證。將充電槍連接電動汽車直流充電接口，啟動充電系統(tǒng)[7-8]。

本充電樁軟件系統(tǒng)的主要功能是將底層控制板、WinCE觸摸顯示模組、RFID刷卡模塊、三相電能、嵌入式打印機(jī)等功能模塊連接在一起，共同完成系統(tǒng)功能，系統(tǒng)工作流程見圖7。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 分模塊設(shè)計

本充電樁的軟件采用了模塊化編程的方式，不僅使得軟件系統(tǒng)更加高效和可靠，而且使得軟件系統(tǒng)具有較好的可升級能力，對于產(chǎn)品日后升級維護(hù)具有重要意義。

由于充電樁系統(tǒng)軟件的運行平臺不同，主要功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 WinCE觸摸顯示模組程序

本充電樁軟件系統(tǒng)分為在WinCE觸摸顯示模組上運行和在基于STM32的底層控制板上運行兩部分。其中，WinCE觸摸顯示模組上主要運行人機(jī)交互部分的程序，主要完成充電過程中的信息顯示、用戶選擇、三相電能表的電能計量、用戶充電卡的計費和充電結(jié)賬清單的打印等內(nèi)容[5]。WinCE觸摸顯示模組的人機(jī)交互程序具有良好的用戶友好性，包括了從歡迎充電、充電金額選擇、刷卡確認(rèn)、密碼輸入、充電槍連接、充電通信導(dǎo)引、充電過程信息顯示、停止充電提示、刷卡結(jié)賬、打印充電清單等界面?？梢詭椭脩艏词共皇煜こ潆娺^程，也能在界面顯示信息的導(dǎo)引下順利充電。WinCE觸摸顯示模組的程序運行截圖如圖9所示。

圖9 WinCE觸摸顯示模組程序運行截圖

3.2.2 底層控制板程序

圖10 充電樁外觀圖

底層控制板程序運行在STM32F103VE上，它主要負(fù)責(zé)控制電動汽車的數(shù)據(jù)通信、充電主電源輸出電壓和電流控制、安全檢測控制和充電狀態(tài)控制等部分。由于STM32F103VE是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有高可靠性和控制能力強(qiáng)的特點，非常適合進(jìn)行底層模塊的控制。同時，由于它自帶CAN模塊，可以非常方便地和電動汽車通過CAN總線連接，按照GB/T 27930-2015國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。這部分程序基于μC/OS II嵌入式操作系統(tǒng)，在保證安全檢測控制部分運行要求的情況下，實現(xiàn)了良好的高實時性和多任務(wù)處理能力，對于日后的產(chǎn)品升級也具有非常大的優(yōu)勢。

4 系統(tǒng)實施情況

本電動汽車充電樁經(jīng)過測試,可以向北汽EV160、EV200和比亞迪E5等主流電動汽車進(jìn)行充電。項目應(yīng)用在山東省樂陵市部分充電站，從2017年4月至今運行正常，充電電流根據(jù)電動汽車BMS系統(tǒng)要求的不同，最大可以輸出至90 A，輸出主電源溫度不超過75 ℃。充電樁外觀如圖10所示。

結(jié) 語

本充電樁嚴(yán)格遵守了質(zhì)檢總局等五部委在2015年 12月28日發(fā)布新修訂的《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：一般要求》(GB/T18487.1-2015)等5項國家標(biāo)準(zhǔn)，研制了一種安全、穩(wěn)定、實用的電動汽車充電樁。運行結(jié)果表明，充電樁完全實現(xiàn)了目標(biāo)效果，提高了電動汽車充電樁的技術(shù)水平，展現(xiàn)了電動汽車未來廣闊的發(fā)展前景。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 18487.1-2015電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 20234.3-2015電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第3部分：直流充電接口[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 27930-2015電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[4] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[5] 孟祥軍,梁濤,王興光,等.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)與信息化,2011(6):58-61.

[6] 賈俊國, 倪峰. 電動汽車充電接口標(biāo)準(zhǔn)化研究[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 35(8): 76-80.

[7] 李洪峰,李紅霞,陳志剛,等.一種新型電動汽車充電樁技術(shù)方案探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2017,45(6):142-147.

[8] Yang. XD, Liang. XL, Zhang. YB, Z. Wenwei, et al.An application-specific WSN routing protocol for EV charging piles management system[C]//2015 34th Chinese Control Conference (CCC).Hangzhou:IEEE,2015:7651-7658.

孫濤(碩士研究生),主要研究方向為電動汽車BMS控制系統(tǒng)研發(fā)。