韋家正,覃 喜

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)

0 引言

我國在“十三五”規(guī)劃中提出綠色環(huán)保節(jié)能減排新的發(fā)展目標(biāo),把新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè).[1]充電樁的普及是保證電動汽車可持續(xù)發(fā)展的最重要基礎(chǔ)設(shè)施之一.目前我國電動汽車充電樁的配置相對落后,一定程度上影響了電動汽車的普及.

隨著國家對電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大力推進(jìn),產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步跟上發(fā)達(dá)國家步伐,充電樁作為電動汽車的“加電站”,在一定時期內(nèi)具有很大市場需求.但現(xiàn)階段我國大部分充電樁都是獨(dú)立工作、采用RFID、IC技術(shù)刷卡等方式充電,缺乏統(tǒng)一管理及操作便捷性.隨著我國移動支付的普及,掃碼支付模式已經(jīng)成為一種較流行的支付方式,本課題研究內(nèi)容是在這種機(jī)遇下,結(jié)合當(dāng)前我國電動汽車蓬勃發(fā)展的需求,研究設(shè)計一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交流充電樁,為廣大新能源汽車用戶提供節(jié)能、高效、便捷的使用體驗.因此,本文研究的交流充電樁符合市場發(fā)展的需求,具有廣泛的市場應(yīng)用前景,對我國電動汽車的發(fā)展和普及具有重要意義.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 充電樁的工作原理

充電樁是一種電動汽車動力電池的充電裝置,充電過程使用專用充電接口為動力電池提供電能輸入,充電樁具有人機(jī)交互、信息交互、用電計量等功能,根據(jù)充電方式分為交流和直流充電樁兩大類.交流充電樁不需要充電機(jī)電路,充電機(jī)集成在電動車內(nèi),具有構(gòu)造簡單、成本低、安全性好等優(yōu)點(diǎn),但是充電功率較小,主要安裝在公用停車場及私人車庫,目前小型車多采用交流充電樁充電.直流充電樁自帶充電機(jī)電路,一般采用三相四線制供電,安裝在大型充電站內(nèi),主要供給電動大巴車充電,輸出功率較大,充電速度較快.

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架

該系統(tǒng)由硬件電路模塊、軟件在線充電系統(tǒng)、手機(jī)APP軟件等模塊構(gòu)成.用戶通過手機(jī)APP軟件掃碼支付充電,實(shí)現(xiàn)無人看守共享自助式充電,手機(jī)APP軟件可實(shí)現(xiàn)對充電樁充電過程的實(shí)時監(jiān)控,時刻了解充電量及產(chǎn)生的費(fèi)用,同時可以查看附近充電樁是否有空位,方便用戶尋找選擇合適空位充電.采用4G/5G 移動網(wǎng)絡(luò)通信模塊作為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn),實(shí)現(xiàn)交流充電樁與遠(yuǎn)程服務(wù)器平臺之間的無線通信.分布式充電樁通過服務(wù)器充電管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和監(jiān)控.該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 充電樁控制裝置與網(wǎng)絡(luò)管理平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Flow chart of system scheme design

2 硬件電路設(shè)計

2.1 總體硬件電路設(shè)計

充電樁硬件主要由交流電氣部分、MCU 主控部分、充電接口三大部分構(gòu)成.交流電氣部分由空氣斷路器、漏電保護(hù)器、交流電能計量表、交流接觸器和輔助斷路器等部分構(gòu)成,該部分主要實(shí)現(xiàn)交流電的通斷控制和安防保護(hù)功能作用;MCU 主控部分主要由微處理及外圍電路構(gòu)成,該模塊主要實(shí)現(xiàn)和服務(wù)器之間建立通信、人機(jī)交互、信息檢測、計量數(shù)據(jù)讀取及故障診斷等功能;充電接口預(yù)留給電動車接入,讓交流電氣部分和MCU 主控部分構(gòu)成系統(tǒng)充電主回路.交流充電樁硬件組成如圖2所示.

MCU 主控硬件電路采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的嵌入式微處理器STM32F103RCT6 作為控制核心,該處理器片內(nèi)集成12位ADC 模塊、PWM 脈寬調(diào)制器、通用串行接口等外設(shè)資源.在圖2中,STM32通過RS485總線模塊實(shí)現(xiàn)對智能電表數(shù)據(jù)的讀取;LCD 觸摸屏實(shí)現(xiàn)用戶信息輸入和人機(jī)交互顯示界面;繼電器模塊和緊急停止開關(guān)實(shí)現(xiàn)對交流接觸器通斷控制;STM32通過檢測CC、CP信號和控制CP信號完成充電過程控制導(dǎo)引功能;充電插座接口標(biāo)號中:①為火線L,④為零線N,⑤為地線PE,⑥為充電連接確認(rèn)CC,⑦為控制導(dǎo)引CP.

圖2 充電樁硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure diagram of charging pile

2.2 RS485總線接口電路

STM32微處理器通過RS485 總線接口電路實(shí)現(xiàn)對智能電表信息的讀取,RS485總線接口電路如圖3所示.主要由MAX3485芯片及外圍電路構(gòu)成,該芯片可工作在3.3 V 電壓且兼容5 V 邏輯電平,能夠和STM32 電平無縫對接,完成對電表數(shù)據(jù)的讀取.MAX3485芯片的RX 和TX 引腳分別接至STM32串口3的接收RXD3和發(fā)送TXD3引腳;電路圖中R2為RS485總線的匹配電阻,在電表輸出端同樣需要并聯(lián)該匹配電阻來保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定.

圖3 RS485接口電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of RS485 interface circuit

2.3 控制導(dǎo)引原理圖的設(shè)計

該充電樁采用充電模式3連接方式B典型控制導(dǎo)引接口電路.充電樁的控制導(dǎo)引電路功能是實(shí)現(xiàn)充電樁電動車之間實(shí)現(xiàn)信息交換.依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)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》的要求,典型的控制導(dǎo)引電路如圖4 所示.[2]

充電樁可通過測量圖4檢測點(diǎn)4的電壓值判斷供電插頭與供電插座是否連接完好.[3]通過檢測點(diǎn)3與PE間的電阻值判斷車輛插頭與車輛插座是否完好連接,當(dāng)未連接時CC 和PE 斷開,電阻為無窮大;[4]半連接時S3處于斷開狀態(tài),CC 和PE 之間的電阻為R C加R4阻值之和;完全連接后S3處于閉合狀態(tài),CC和PE之間的電阻為R C阻值.CP線上檢測點(diǎn)1的電壓值根據(jù)充電過程分三種狀態(tài),典型值分別為12 V、9 V、6 V,充電樁通過這三種不同的電壓值來判斷充電狀態(tài),電壓高低由線纜連接狀態(tài)、S1和S2、電阻R1、R2、R3決定.[5]

圖4 典型的控制導(dǎo)引電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of Typical control guidance circuit

狀態(tài)1:充電電纜端口沒有完全連接,包括供電接口和車輛接口,開關(guān)S2斷開,S1默認(rèn)連接+12 V,此狀態(tài)不能進(jìn)行充電,此時檢測點(diǎn)1的電壓:

狀態(tài)2:充電線纜已完全連接,開關(guān)S2為斷開狀態(tài),此時不能進(jìn)行充電.由圖4可知,檢測點(diǎn)1的電壓U1由電阻R1、二極管D1、電阻R3串聯(lián)分壓得到,由歐姆定律推算出以下串聯(lián)分壓U1的值:

公式(1)中,U為標(biāo)稱電壓,[2]因此U=+12 V,R1、R3、二極管壓降U D取國家標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)稱值,[2]R1=1000Ω,R3=2740Ω,U D=0.7 V,代入公式(1)計算出U1=8.978 V ≈9.0 V.

狀態(tài)3:充電線纜已完全連接,開關(guān)S2閉合,車輛已經(jīng)做好充電準(zhǔn)備,此時可以進(jìn)行充電.電阻R3和R2并聯(lián)得到等效電阻R,根據(jù)電阻的并聯(lián)公式可以計算出R的值:

再根據(jù)電阻R1、二極管D1、等效電阻R串聯(lián)分壓原理得到測點(diǎn)1的電壓U1的值:

根據(jù)電阻R2標(biāo)稱值1300Ω,[2]把公式(2)代入公式(3)計算得到U1=5.995 V ≈6.0 V.

2.4 PWM 產(chǎn)生模塊電路設(shè)計

根據(jù)以上原理分析及國家標(biāo)準(zhǔn)要求,[2]要設(shè)計峰值為±12 V 的雙極性PWM 信號提供給CP總線.雙極性PWM 電路原理見圖5.脈寬調(diào)制PWM 驅(qū)動信號由STM32 內(nèi)部產(chǎn)生,經(jīng)過高速光電耦合器驅(qū)動Q1、Q2三極管交替導(dǎo)通,從而輸出峰值為±12 V 的PWM 波,R1為光耦發(fā)射管的限流電阻,R4為圖4中的電阻R1,Q1和Q2構(gòu)成典型的互補(bǔ)功率放大電路.

圖5 雙極性PWM 電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of Bipolar PWM circuit

PWM波輸入電平、TLP105發(fā)射管、Q1和Q2、CP總線電壓四者狀態(tài)關(guān)聯(lián)如表1所示:

表1 工作狀態(tài)關(guān)聯(lián)表Tab.1 Work status association table

2.5 CP電壓采集模塊電路設(shè)計

STM32微處理器要采集電壓CP 信號,需要設(shè)計強(qiáng)電和弱電之間的線性隔離電路來提高抗干擾能力和穩(wěn)定性.該電路設(shè)計選用安華高生產(chǎn)的線性光電耦合器HCNR200芯片,該芯片具有隔離電壓峰值高(最大值為1414 V)、輸入電壓跟隨線性度好(典型值為0.01%)等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的線性隔離,電路原理圖所圖6所示.

圖6中R2和R5構(gòu)成電阻分壓電路,CP信號經(jīng)過電阻分壓后衰減至原來的0.25倍,國家標(biāo)準(zhǔn)中CP最大輸入電壓為12.6 V,[2]根據(jù)電阻分壓原理計算輸入電壓Vin=12.6×0.25=3.15 V,STM32內(nèi)部的ADC采集電壓范圍為0～3.3 V,輸入電壓值可以直接使用STM32內(nèi)部ADC模塊采集.光耦和運(yùn)放及外圍器件構(gòu)成典型的光電壓模式下的電流檢測電路,整個電路的增益為典型值1,因此,圖6中輸入電壓Vin和輸出電壓Vout相等,光耦的左邊模擬電路和右邊數(shù)字電路供電完全獨(dú)立隔離.輸出電壓Vout連接至STM32模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入接口.

圖6 CP信號電壓采集電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of CP signal voltage acquisition circuit

2.6 供電設(shè)備CC信號檢測電路設(shè)計

供電設(shè)備的供電插頭與供電插座之間的連接狀態(tài)檢測電路原理圖如圖7所示.當(dāng)插座和插頭未連接時,CC 與PE 斷開,光耦內(nèi)部發(fā)射二極管截止,由于有上拉電阻R7的存在,電路輸出端口CC_check電壓為高電平;當(dāng)插座和插頭完好連接時,CC與PE 連接,二極管導(dǎo)通,光耦接收管導(dǎo)通,CC_check電壓被拉低接地,因此輸出為低電平.STM32通過判斷CC_check電平即可識別插座和插頭是否連接.

圖7 CC信號檢測電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of CC signal detection circuit

3 STM32軟件設(shè)計

STM32軟件設(shè)計包含觸摸屏交互式控制、電槍拔插檢測、電表數(shù)據(jù)讀取、4G 通信模塊的通信驅(qū)動、和服務(wù)器通信、執(zhí)行充電控制等.程序的整體流程圖如圖8所示.

4 軟件在線充電系統(tǒng)開發(fā)

在線充電系統(tǒng)軟件設(shè)計包含后臺管理、微信接入、充電樁管理、充電管理、充電樁地圖搜索、財務(wù)管理等內(nèi)容.后臺管理完成人員賬號、角色、權(quán)限的管理等.微信服務(wù)包含配置、菜單管理、自定回復(fù)等功能.通過使用充電樁搜索和地圖功能,方便用戶定位及查看充電樁的工作狀態(tài).在線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖9所示.

圖8 軟件程序流程圖Fig.8 Flow chart of software program

圖9 在線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 System structure diagram of online charging

5 手機(jī)APP軟件

移動終端APP功能主要有地圖定位、預(yù)約充電、掃碼連接、在線結(jié)算、實(shí)時查詢、充電提醒等功能.用戶通過APP可快捷搜索到附近充電樁的狀態(tài),在線查看充電過程,提升充電效率.快速充電系統(tǒng)支持支付寶、微信等主流移動支付方式實(shí)現(xiàn)24小時自助服務(wù),當(dāng)用戶成功為自己的車輛充電后,平臺會實(shí)時檢測車輛的電量系統(tǒng),當(dāng)車輛充滿電后,平臺會提醒用戶充電中車主無須原地等待.

6 結(jié)語

本文分析了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,詳細(xì)介紹交流充電樁傳導(dǎo)方式控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理.闡述了一款符合市場需求交流充電樁的設(shè)計,設(shè)計構(gòu)架和模塊電路滿足預(yù)期目標(biāo).產(chǎn)品開發(fā)已投入到本地多個新能源出租車充電站使用,該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、操作方便、運(yùn)行可靠、用戶體驗良好等優(yōu)點(diǎn),滿足電動汽車一般充電要求,對本地新能源汽車產(chǎn)業(yè)的普及具有一定的推動作用,對交流充電樁的設(shè)計和進(jìn)一步開發(fā)具有可行性參考和借鑒作用.