陳 磊 梁怡靜 黎向陽(yáng)

西安特銳德智能充電科技有限公司 陜西 西安 710065

1 智能充電系統(tǒng)的總體要求

智能充電裝置以其操作方便，性能穩(wěn)定，應(yīng)用可靠，維護(hù)維修方便已經(jīng)成為電動(dòng)汽車所需的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也逐漸得到大家的關(guān)注，如何使充電裝置更加智能、可靠、有效成為當(dāng)前科研工作人員普遍關(guān)注的重點(diǎn)。在電動(dòng)汽車的智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電能主要通過(guò)電網(wǎng)傳遞到相應(yīng)的充電裝置進(jìn)行中轉(zhuǎn)，而在這一過(guò)程中充電裝置則發(fā)揮著中轉(zhuǎn)電能的積極作用，這就要求我們的充電樁裝置應(yīng)該具備良好的安全性、便捷性、高效性?；谶@樣的設(shè)計(jì)需求，本文分別從軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)二個(gè)方面進(jìn)行了陳述。

2 電動(dòng)汽車智能充電樁的充電方式

2.1 交流式充電 交流式充電就是與交流電網(wǎng)進(jìn)行連接，通常采用220V 或者380V 的交流電來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的充電，交流方式的充電過(guò)程較長(zhǎng)，同時(shí)在進(jìn)行電源連接的過(guò)程中需要充電裝置具有較強(qiáng)的安全性。其次，由于充電時(shí)間長(zhǎng)，降低了客戶的駕駛體驗(yàn)，給客戶帶來(lái)的諸多不便，因此交流式充電一般用于小型電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車的充電之中。

2.2 直流式充電 直流式充電就是直接為電動(dòng)汽車電池充電，對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)在這一過(guò)程中由于直流充電不需要電流轉(zhuǎn)化裝置，因此減少了電動(dòng)汽車的載荷，降低了電動(dòng)汽車的自身重量，同時(shí)在使用充電裝置的過(guò)程中提高了充電功率，減小了充電時(shí)間，給予了客戶更優(yōu)良的體驗(yàn)。但直流充電對(duì)電網(wǎng)的要求比較高，因此在布置充電樁時(shí)需要考慮對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)。

3 電動(dòng)汽車交流充電樁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由上文知，不論是從技術(shù)層面還是應(yīng)用層面來(lái)看，電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與定位，既要保證充電的高效性、可靠性、安全性，還應(yīng)該能夠滿足絕大部分環(huán)境的需求，因此綜合來(lái)看交流充電的方式，相對(duì)于更換電池組和非接觸式充電的成本更小，可靠性更高。

3.1 主控制器選擇 作為整個(gè)充電系統(tǒng)控制的核心，本文的主控制器選擇了ST M32F107 VCT6微控制器，該型號(hào)的控制器具有良好的互聯(lián)性，工作頻率在72 MHz，包含了是2個(gè)12位的ADC，4個(gè)通用的16位計(jì)時(shí)器和一個(gè)PWM 定時(shí)器，同時(shí)還包含有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，這為控制器與其他外部設(shè)備的連接提供了基礎(chǔ)。其次，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)。

3.2 充電電壓測(cè)量電路 本設(shè)計(jì)中還設(shè)計(jì)了電壓測(cè)量環(huán)節(jié)，通過(guò)互感器將電壓轉(zhuǎn)化成比例轉(zhuǎn)化成電流，進(jìn)而完成小信號(hào)的測(cè)量，例如在對(duì)220V的電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，互感器可以將其變?yōu)?-5 mA 的電流，通過(guò)小電流的轉(zhuǎn)變降低了檢測(cè)系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，降低了大電阻分流的影響。同時(shí)，由于采信號(hào)為交流電，信號(hào)有正負(fù)之分，因此在測(cè)量電路中還設(shè)置有A/D 轉(zhuǎn)換模塊，將其轉(zhuǎn)化為0～3.6伏的電壓，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)化將交流電壓變成直流電壓進(jìn)行采樣，解決了A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍的問(wèn)題，擴(kuò)大了轉(zhuǎn)化器的檢測(cè)范圍，同時(shí)有利于后續(xù)同步采樣的實(shí)現(xiàn)。

3.3 控制導(dǎo)引電路與功能模塊 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(guò)程的監(jiān)測(cè)等任務(wù)。MCU 通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)不同的電壓值來(lái)判斷所處狀態(tài)。其次，設(shè)計(jì)了功能模塊，功能模塊的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高充電樁的工作效率，同時(shí)擴(kuò)展了充電樁的性能，進(jìn)一步滿足了用戶的需求和體驗(yàn)，其主要包括主控模塊、人機(jī)交互模塊、IC卡模塊、計(jì)費(fèi)模塊、通信模塊、安全模塊等。在進(jìn)行主程序開發(fā)的過(guò)程中，還可以為充電裝置搭配相應(yīng)的功能程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電樁與客戶通信設(shè)備之間的信息交互。其次，通過(guò)安全模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的加密，進(jìn)而保護(hù)用戶隱私與用戶信息安全，使其不被外界竊取。

3.4 環(huán)境和電磁設(shè)計(jì) 由于充電樁通常被布置于室外，因此在進(jìn)行充電樁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還應(yīng)該考慮其抵抗極端自然環(huán)境的能力，同時(shí)由于電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)采用交流充電的方式，同時(shí)還應(yīng)該具備相應(yīng)的抗電磁干擾能力，能夠抵抗常用電子設(shè)備的弱電磁干擾，進(jìn)而保證整個(gè)充電過(guò)程的平穩(wěn)、安全、可靠。

4 電動(dòng)汽車交流充電樁控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電動(dòng)汽車交流充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該完成系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)該包含初始化、自檢信息識(shí)別、連接確認(rèn)、充電過(guò)程時(shí)監(jiān)控等功能，如在用戶信息識(shí)別單元，可采用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶信息的讀取、結(jié)算和確認(rèn)；在充電監(jiān)測(cè)部分，可采用對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)際監(jiān)測(cè)與分析，及時(shí)確定充電電纜的連接狀態(tài)和充電裝備的帶電狀態(tài)，其次還可以設(shè)置與其他電路模塊之間的監(jiān)測(cè)程序，以便應(yīng)對(duì)充電系統(tǒng)的突發(fā)射頻情況，保護(hù)充電設(shè)備和受電設(shè)備的安全?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

圖1 控制系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，智能充電樁的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且綜合的過(guò)程，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中工程技術(shù)人員既要考慮充電樁的工作效率、安全性、可靠性，同時(shí)還要考慮充電裝置的適用性，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)不擴(kuò)大充電裝置的適應(yīng)能力，進(jìn)而為電動(dòng)汽車的智能充電控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)積極的促進(jìn)作用。