唐玉建 陳 河 高金鵬 李 濤

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一種面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的設計

唐玉建 陳 河 高金鵬 李 濤

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200）

本文介紹了一種以CORTEX-M3芯片為核心結合Keil RTX實時操作系統(tǒng)完成的交流充電樁的設計。分析了交流充電樁嵌入式軟件在Keil RTX實時操作系統(tǒng)下多任務編程的實現(xiàn)流程，介紹了充電樁嵌入式軟件通過多任務編程完成充電任務并檢測輸入信號異常及相應異常處理的方法。實驗表明CORTEX-M3芯片為核心結合Keil RTX實時操作系統(tǒng)完成交流充電樁的設計具有良好的穩(wěn)定性和故障檢測處理能力。

電動汽車；交流充電樁；互聯(lián)網(wǎng)

電動汽車的動力來源為電力，具有環(huán)保高效、節(jié)約能源的優(yōu)點[1-3]。然而充電難的問題已經(jīng)成為電動汽車進一步拓展市場的絆腳石。據(jù)悉，在我國各地，還廣泛存在著充電樁配備不足，利用率不高等現(xiàn)象，這樣以來，縱然購置了電動汽車，也長期飽受充電難的困擾，將勢必影響車主的使用體驗，也必將影響電動汽車的整體評價，進而也會影響到電動汽車在我國的進一步推廣。

充電樁是電動汽車發(fā)展中必不可少的基礎設施，其重要性日益凸顯[4-5]，但是當前社會上的充電樁大都不能聯(lián)網(wǎng)，在充電過程中用戶也不能隨時查看充電樁的充電信息，充電樁運營公司不能實時監(jiān)控充電樁的運行狀態(tài)，當充電樁需要進行功能更新時，必須要工作人員去現(xiàn)場才能更新，用戶查找空閑充電樁也不方便，直接降低了充電樁的使用效率，建設一個電動汽車智能服務平臺[6-7]，為電動汽車用戶提供一個互聯(lián)網(wǎng)訪問渠道，實現(xiàn)電動汽車用戶的核心業(yè)務查詢功能，以及充電預約、路線規(guī)劃、政策法規(guī)展示、網(wǎng)上客服等輔助功能，并提供用戶手機客戶端訪問，是解決這些問題的有效辦法[8-10]，電動汽車通過合理安排充電時段，能響應可再生能源的不穩(wěn)定性負荷，減少可再生能源的浪費[11-12]。通常交流充電樁占用的土地面積較小，且管理成本也比較低，一般在城市的停車場、住宅小區(qū)等車流量和車輛停放密度比較大的區(qū)域進行建設，以滿足電動汽車的充電需求。同時，交流充電樁一般采用的是慢充模式，電流比較小，安全性能較高，在一定程度上能夠延長電動汽車電池的壽命[13]。

因此本文在面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電系統(tǒng)[14]的基礎上提出了一種面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的設計。

1 充電樁系統(tǒng)構成

智能充電樁是基于智能云平臺通過手機APP端進行控制和監(jiān)控的新型交流充電樁，人機交互操作界面由傳統(tǒng)的充電樁體屏幕顯示，變?yōu)榭蛻羰謾C終端顯示形式，使客戶信息更加安全，遠程控制更加方便快捷，解決了常規(guī)充電樁手動開啟、手動付費、手動結算的過程，充電樁具備完善測控保護功能，可以實時與客戶手機客戶端通信，保證信息的準確性、實時性。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[14]。充電樁系統(tǒng)交互如圖1所示。

圖1 充電樁系統(tǒng)交互示意圖

2 充電樁硬件設計

MCU采用低功耗，高性價比的CORTEX-M3系列芯片，通過RS 485接口與電能表通信，實現(xiàn)電流、功率、電能信號的采集。并采用低功耗的WiFi模塊，實現(xiàn)與服務器數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

1）MCU單元。為充電裝置的控制核心，完成邏輯判斷與信息分發(fā)，采用低功耗，高性價比的ARM CORTEX-M3系列芯片，型號為STM32107。片上集成了豐富的外圍功能模塊，便于設計高性能低成本的嵌入式應用系統(tǒng)，芯片通過串口與WiFi通信模塊通信，通過RS 485總線與電能表通信。MCU通過驅動電路與接觸器相連實現(xiàn)充電電能輸出的通斷控制與反饋檢測，通過驅動電路與車載充電機相連實現(xiàn)與車載充電機的信息輸出與反饋檢測。通過片上的Flash，實現(xiàn)用電信息的存儲、保存采集的用電歷史數(shù)據(jù)以及重啟事件、故障或告警事件等[14]。

2）電能表。電能表是一種可以監(jiān)測電流、電壓、功率、電量等電參數(shù)的專用裝置，電能表串接在交流供電線路上，數(shù)字電表與MCU之間通過RS 485通信方式完成數(shù)據(jù)交互。

3）WiFi通信模塊。采用低功耗的WiFi模塊，實現(xiàn)與無線網(wǎng)關的數(shù)據(jù)通信進而實現(xiàn)充電裝置開關狀態(tài)遠程控制、電流、功率、電能信息的上報。

4）保護單元。包括防雷器和漏電保護器，防雷器用于防止雷電或其他內(nèi)部過電壓侵入設備造成損壞，漏電保護器用于在設備發(fā)生漏電故障以及有致命危險的人身觸電保護。

5）電源轉換模塊。用于將交流電能轉換為直流電能，提供不同電壓等級的直流電，為充電裝置中的其他電路提供電源[14]。

6）接觸器。作為實現(xiàn)充電裝置的輸出電能通斷的執(zhí)行部件，由MCU經(jīng)驅動電路進行控制。

7）急停開關。作為充電裝置的緊急制動裝置，具備最高優(yōu)先級，當充電樁工作發(fā)生異常時強行終止工作。

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖

3 充電樁嵌入式系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件分為應用區(qū)軟件和BOOT區(qū)兩部分，采用模塊化設計思想，如圖3所示。應用區(qū)軟件完成充電樁相關的各種功能，包括數(shù)據(jù)通信功能、接觸器通斷電功能、電能量數(shù)據(jù)采集等功能，采用多任務模塊化的軟件設計方法，使設計過程變得更加簡單，方便后續(xù)功能擴展，軟件的實時性、穩(wěn)定性和可靠性都有很高的保障，開發(fā)周期也會相應地縮短。BOOT軟件主要完成充電樁應用區(qū)軟件的在遠程級功能，方便后期應用區(qū)軟件的維護。

圖3 充電樁軟件架構示意圖

3.1 BOOT區(qū)程序

該程序模塊完成對應用區(qū)程序遠程升級和從BOOT區(qū)程序跳轉到應用區(qū)程序的功能。模塊處理流程如圖4所示。

圖4 BOOT區(qū)程序流程圖

3.2 應用區(qū)程序

應用區(qū)程序完成充電相關的各種功能，包括告警信息、按鍵信息采集、LED燈控制、與服務器通信（協(xié)議接收解析和打包發(fā)送）、用電參數(shù)采集等信息，以及相關的驅動。

根據(jù)充電樁應用的實時性和多任務需求，方便后期維護和結構創(chuàng)建，軟件編程選用Keil RTX實時操作系統(tǒng)，Keil RTX是免版稅的確定性實時操作系統(tǒng)，適用于ARM和Cortex-M設備。使用該系統(tǒng)可以創(chuàng)建同時執(zhí)行多個功能的程序，并有助于創(chuàng)建結構更好且維護更加輕松的應用程序[15]。

1）充電樁應用區(qū)軟件架構

根據(jù)充電樁的需求，應用區(qū)軟件使用Keil RTX實時操作系統(tǒng)，節(jié)拍定時器設為10ms，共包含三個任務：告警判定任務、充電控制任務和用電參數(shù)采集任務。告警判定任務設為三個任務中最高級任務優(yōu)先級，充電控制任務次之，用電參數(shù)采集任務再次之。

告警判定任務完成所有告警信息的采集判定，任務每10ms遍歷一次所有的告警信息，在充電過程中發(fā)生意外時可以在第一時間切斷電源輸出保證充電過程的安全性，且保證時間判定符合GB/T 18487.1的要求。充電控制任務完成與服務器通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并根據(jù)服務器命令和充電流程控制接觸器和指示燈狀態(tài)。用電參數(shù)采集任務通過與電能表通信完成充電參數(shù)（電壓、電流、電能等）的采集。

圖5所示為充電樁應用區(qū)軟件架構圖，應用區(qū)軟件使用Keil RTX操作系統(tǒng)編程，首先初始化并建立各個任務然后啟動操作系統(tǒng)進行任務調(diào)度，令告警判定任務、充電控制任務和用電參數(shù)采集任務同時進行。

圖5 充電樁應用區(qū)軟件架構圖

2）充電樁應用區(qū)軟件數(shù)據(jù)流圖

如圖6所示，告警判定任務實時采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等。告警判定任務根據(jù)采集的信息判斷告警并輸出給充電控制任務。用電參數(shù)采集任務采集電能表信息對另外兩個任務輸出電壓、電流、電能信息。充電控制任務接收服務器信息、告警判定任務輸出的告警信息和用電參數(shù)采集任務采集的電壓、電流、電能信息并輸出接觸器控制信息、指示燈控制信息和上報服務器的信息。

圖6 充電樁數(shù)據(jù)流圖

3）充電樁軟件告警判定任務流程

如圖7所示，告警判定任務首先初始化外部電路I/O口等，每隔10ms循環(huán)一次采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等根據(jù)GB/T 18487.1的要求判斷是否產(chǎn)生告警信息，產(chǎn)生告警時如果正在充電則立即停止充電并且記錄告警信息然后將告警信息發(fā)送給充電控制任務。

圖7 告警判定任務流程圖

4）充電樁軟件充電控制任務流程

如圖8所示，充電控制任務首先初始化外部電路等，首先判斷服務器是否已經(jīng)連接，如果服務器沒有連接則需要重新連接服務器，啟動任務后第一次連接上服務器需要檢查有無保存的充電樁上次充電沒有上報的充電結果，如果有需要上報上次充電的結果，然后更新與服務器連接狀態(tài)。

正常與服務器連接時，需要定時發(fā)送心跳報文（檢測充電樁與服務器的連接狀態(tài)）、校時報文（保證充電樁與服務器的時間一致）和狀態(tài)字變化報文（保證服務器記錄的狀態(tài)和充電樁的狀態(tài)一致）。此種狀態(tài)視為充電樁待機狀態(tài)，可以隨時接受服務器指令進行充電。

每隔10ms循環(huán)一次采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等根據(jù)GB/T 18487.1的要求判斷是否產(chǎn)生告警信息，產(chǎn)生告警時如果正在充電則立即停止充電并且記錄告警信息然后將告警信息發(fā)送給充電控制任務。

圖8 充電控制任務流程圖

5）充電樁軟件用電參數(shù)采集任務流程

如圖9所示，告警判定任務實時采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等，告警判定任務根據(jù)采集的信息判斷告警輸出給充電控制任務。用電參數(shù)采集任務采集電能表信息對另外兩個任務輸出電壓、電流、電能信息，充電控制任務接收服務器信息、告警判定任務輸出的告警信息和用電參數(shù)采集任務采集的電壓、電流、電能信息輸出接觸器控制信息、指示燈控制信息和上報服務器的信息。

圖9 用電參數(shù)采集任務流程圖

充電樁軟件與服務器通信流程如圖10所示，充電樁上電、重新啟動或離線時發(fā)送登錄報文，成功登陸后充電樁將自身狀態(tài)置為在線狀態(tài)。如果充電樁在運行過程中連續(xù)一定時間沒有接收到服務器端的心跳確認信息則充電樁將自身狀態(tài)置為離線狀態(tài)并重新開始登錄。

登陸分為冷啟動登陸和因心跳超時而離線后充電樁發(fā)起的登錄，登陸是服務器與充電樁之間進行數(shù)據(jù)交互的基礎。登錄后方可進行其他的命令交互。

心跳：心跳為樁主動發(fā)起的，每間隔一定時間主動向服務發(fā)送一個簡短的報文，表明充電樁在線，服務器接受到這個報文后對充電樁應答。心跳正常表明充電樁在線，如果心跳超時則說明充電樁離線，需要重新登錄。

4 實驗過程及結果分析

按照圖11搭建實驗電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，利用測試工裝仿真電動汽車。

4.1 功能實驗

1）在搭建好實驗電路的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機客戶端控制充電樁開始充電。在開始充電到結束充電過程中，用示波器檢充電樁及工裝上各個點的狀態(tài)跳轉和間隔時間，結果如圖12所示。圖12中信號源1為圖11中①處的電壓，信號源2為圖11中①處的電流，信號源3為圖11中檢測點1處的電壓。

開始充電時檢測點1處的電壓先由12V變?yōu)?V而后變?yōu)?V，充電樁在檢測點1電壓變?yōu)?V后2.4s開始正式對外供電；充電過程中通過手機APP查看充電樁供電的電壓、電流和電量等信息，與實際測量值對比基本一致；結束充電時檢測點1處的電壓由6V變?yōu)?V后，充電樁立刻切斷對外供電，說明充電樁遠程充電功能正常。

2）通過服務器端對正常運行的且處在空閑狀態(tài)的實驗充電樁進行在線升級，升級后通過服務器查看實驗充電樁的版本號，可以看到其版本號已經(jīng)更新，說明充電樁在線升級功能正常。

4.2 故障實驗

1）按照圖11實驗電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機客戶端控制充電樁開始充電。在充電過程中，斷開圖11中⑦處，如圖13充電樁在49.25ms后斷開K1和K2，符合GB/T 18487.1的要求。圖13中信號源3為圖11中①處的電壓，信號源1為圖11中①處的電流，信號源4為“檢測點2”處的電壓，實驗證明了當充電槍與充電樁鏈接斷開時，充電樁可以及時停止斷開交流電壓輸出。

圖10 充電樁與服務器通信流程圖

圖11 實驗電路圖

2）按照圖11實驗電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機客戶端控制充電樁開始充電。在充電過程中，斷開圖11中⑥處，充電樁在37ms后斷開K1和K2，符合GB/T 18487.1的要求。

圖12 充電過程實驗示波器截圖

圖13 插槍鏈接斷開實驗示波器截圖

3）按照圖11實驗電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機客戶端控制充電樁開始充電。在充電過程中，斷開S2（檢測點1的電壓值為9V）時，充電樁在57ms后斷開K1和K2，符合GB/T 18487.1的要求。

5 結論

本文分析了一種面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的硬件設計與軟件設計。該系統(tǒng)以CORTEX-M3為控制核心，實現(xiàn)了充電樁程序遠程升級、遠程控制、電能計量、運行狀態(tài)遠程監(jiān)測、充電保護和充電信息上傳等功能。面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁是基于云平臺互聯(lián)網(wǎng)充電樁系統(tǒng)的一部分，該充電樁在實際運行了一年多的時間里運行良好，能滿足大部分電動汽車的慢速充電要求。本文對面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的設計分析，對于充電樁的設計借鑒和推進電動汽車的普及具有一些作用。

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Design of software and hardware for an AC charging pile internet-oriented

Tang Yujian Chen He Gao Jinpeng Li Tao

(Beijing Nari Smart-chip Microelectronics Technology Ltd, Changping District, Beijing 102200)

A kind of AC charging pile using CORTEX-M3 chip is introduced in this paper. This paper analyzes the implementation process of the multitask programming for the embedded software of AC charging pile using the Keil RTX real-time operating system. This paper introduces the method of using multi task programming to complete charging task of charging pile embedded software, to detect the abnormal input signal and to deal with them. Experiments show that the design of AC charging pile based on CORTEX-M3 chip and Keil RTX real-time operation system has good stability and good ability of fault detection and fault handling.

electric vehicle; AC charging pile; internet

2018-03-09

唐玉建（1984-），男，本科，中級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)信息化及控制。