肖連軍，張鴻愷

(1.合肥學(xué)院 人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

汽車是現(xiàn)代社會(huì)主要交通工具之一，隨著全球工業(yè)化程度的推進(jìn)，環(huán)境污染和能源危機(jī)日益突出，電動(dòng)汽車作為一種新能源汽車，具有排放污染小、噪聲污染低等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展也越來越受到全世界各個(gè)國家的重視。充電樁是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的重要組成部分，隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，對(duì)充電樁的要求也越來越高。目前充電樁的功能越來越強(qiáng)，主要包含車輛通信，電源模塊通信，讀卡器通信、電表通信、觸摸屏通信、服務(wù)器通信等，具有數(shù)據(jù)量大、控制邏輯復(fù)雜事件響應(yīng)速度快、通信接口多等特點(diǎn)，因此一款好的充電樁要能高效、快速、穩(wěn)定、可靠的為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。王煊赫等研究了電動(dòng)車充電樁的結(jié)構(gòu)并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，解決充電樁空間操作的便捷性問題[1]；黃麗霞等研究了電動(dòng)車充電樁的安全問題，提出了一種基于MSP430單片機(jī)為核心的交流充電樁設(shè)計(jì)方案，以解決充電樁的安全問題[2]；邵偉偉研究了充電樁的效能問題，采用V2G技術(shù)提出太陽能與電網(wǎng)結(jié)合的充電樁方案設(shè)計(jì)，解決充電樁效能問題[3]；吳鈺等研究了有限狀態(tài)機(jī)分類、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)思想和電路實(shí)現(xiàn)[4-5]；陳改霞等研究了小型燃煤鍋爐的工作原理，基于有限狀態(tài)機(jī)思想以單片機(jī)為主控制器設(shè)計(jì)了一種智能鍋爐控制器，實(shí)現(xiàn)鍋爐的溫度、液位等信息的采集與控制[6]；莫建麟等研究了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)圖像分類算法，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可借鑒參考案列[7]，張思聰?shù)妊芯苛讼到y(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)問題，基于IAP原理提出了一種以STM32為控制器的充電樁系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)方案設(shè)計(jì)，可有效解決系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)問題[8]。劉建梁等研究了三相交流電進(jìn)行電動(dòng)車充電的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于STM32的三項(xiàng)交流電充電樁設(shè)計(jì)方案，解決充電樁效率問題[9]；劉建梁等研究了系統(tǒng)掉電保護(hù)問題，提出一種掉電情況下基于STM32的斷電保護(hù)系統(tǒng)，保證核心控制器在掉電情況下進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)[10]；謝永超研究了以STM32為控制器的應(yīng)用拓展問題，提出了以STM32為控制器的電子積木思想設(shè)計(jì)方案[11]。本文在以上研究基礎(chǔ)上，結(jié)合電動(dòng)車充電樁的工作原理，以STM32F107VCT6為控制器，基于狀態(tài)機(jī)的思想，設(shè)計(jì)了一款兩槍充電樁控制系統(tǒng)，并制成樣機(jī)，經(jīng)過測試，滿足國標(biāo)要求。

1 充電樁設(shè)計(jì)原理

1.1 控制引導(dǎo)電路設(shè)計(jì)

本充電樁設(shè)計(jì)采用帶有車輛插頭和供電插頭的獨(dú)立活動(dòng)電纜組件將電動(dòng)汽車與交流電網(wǎng)聯(lián)接，接口設(shè)計(jì)符合GB/T 18487.1-2015標(biāo)準(zhǔn)充電模式3連接方式B，通過供電控制裝置控制交流電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車充電。控制引導(dǎo)電路原理如圖1所示。

圖1 控制引導(dǎo)電路原理圖

1.2 充電控制設(shè)計(jì)

充電過程可用6個(gè)正常狀態(tài)、一個(gè)異常狀態(tài)共7個(gè)狀態(tài)表示，因此充電樁對(duì)汽車充電控制可用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Machine，F(xiàn)SM)進(jìn)行控制，其中狀態(tài)1為初始狀態(tài)，以各端點(diǎn)檢測信號(hào)作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，狀態(tài)機(jī)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，完成充電過程控制，具體狀態(tài)圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本充電樁供電控制裝置的控制系統(tǒng)主要包括主控制器和輔助模塊，主控制器選用STM32F107，其是一款基于ARM的32微控制器，具有工作頻率高，運(yùn)算速度快，片內(nèi)資源豐富，外部引腳數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)，完全滿足充電樁對(duì)處理器運(yùn)算內(nèi)存和功能的需求。輔助模塊包括讀卡器、通信接口、溫度檢測、電壓電流檢測、電能表、觸摸屏、PWM和繼電器控制等模塊，主要完成充電樁狀態(tài)檢測、身份識(shí)別、充電樁操控、電壓電流測量、電能計(jì)量、PWM、遠(yuǎn)程通信以及接口控制等，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 RFID接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用射頻IC卡存儲(chǔ)用戶ID和數(shù)據(jù)，用戶通過在閱讀器上刷卡實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別并對(duì)充電樁控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，閱讀器與主mcu的PB12～PB15通過接口相連，通信方式為SPI，其中RFID_SDA為閱讀器數(shù)據(jù)信號(hào)，接主mcu的PB12，RFID_SCLK為閱讀器的時(shí)序信號(hào)，接主mcu的PB13，RFID_SDI接主mcu的PB14，RFID_SDO接主mcu的PB15，RFID_RST為復(fù)位信號(hào)，接主mcu的PD8。RFID接口電路如圖4所示。

圖4 IC卡接口電路

2.2 PWM電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PWM電路設(shè)計(jì)如圖5所示,有光電耦合器和推挽電路組成，其中光電耦合器HCPL-2503起到信號(hào)前后級(jí)隔離的作用，完成電信號(hào)—光信號(hào)—電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，兩個(gè)三極管9012、9013構(gòu)成的推挽電路主要實(shí)現(xiàn)將主mcu輸出的3.3V PWM轉(zhuǎn)換成+12V到-12V的PWM。

圖5 PWM電路設(shè)計(jì)

2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

繼電器在充電樁系統(tǒng)中起到控制充電信號(hào)通斷和交流回路通斷的作用，本設(shè)計(jì)選用兩種類型繼電器(電路設(shè)計(jì)如圖6所示)，其中繼電器943-1C-12DS用在引導(dǎo)控制電路中，控制CP線在+12V和PWM之間切換；繼電器835-1A-B-C作為一組控制電子鎖的打開與閉合。繼電器的控制電路主要有74AHC245D、TLP521-1、ULQ2803LW組成，其中74AHC245D為總線收發(fā)器，起到主MCU信號(hào)輸出緩沖作用(電路設(shè)計(jì)如圖7所示)，TLP521-1為光耦，起到信號(hào)隔離作用(電路設(shè)計(jì)如圖8所示)，ULQ2803LW為達(dá)林頓陣列，起到信號(hào)放大控制繼電器的作用(電路設(shè)計(jì)如圖9所示)。

圖6 控制繼電器

圖7 總線收發(fā)器

圖8 信號(hào)隔離電路

圖9 信號(hào)放大電路

2.4 485通信

系統(tǒng)采用與電表通信讀取電表計(jì)量電能數(shù)據(jù)作為用戶充電消費(fèi)電能數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)與電表之間采用485方式通信，接口芯片選用RSM3485CHT，其與傳統(tǒng)485電路相比，具有非常好的電氣隔離性，CON為其方向控制端口，與主CPU的PA8相連接，當(dāng)其CON為低電平時(shí)，485為發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)其CON為高電平時(shí)，485為接收狀態(tài)。具體電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 485通信接口電路

2.5 信號(hào)檢測電路

信號(hào)檢測電路采用TL072CN設(shè)計(jì)(如圖11所示)，其內(nèi)部集成了兩個(gè)J-FET型的運(yùn)算放大器。AD1為檢測點(diǎn)1，經(jīng)過電阻分壓后接入跟隨器的同向輸入端，跟隨器的輸出接反相減法器的反向輸入端，減法器的輸出接主MCU的AD輸入引腳。

圖11 信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

充電樁的工作原理主要是通過人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測等實(shí)現(xiàn)汽車充電過程的控制和能耗的計(jì)量等，根據(jù)系統(tǒng)功能將其分為7個(gè)任務(wù)，分別為：

(1)充電狀態(tài)控制，該任務(wù)主要負(fù)責(zé)充電狀態(tài)的切換；

(2)屏幕通信處理，該任務(wù)接受屏幕發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，主要負(fù)責(zé)與觸摸屏通信，完成對(duì)屏幕的控制；

(3)屏幕數(shù)據(jù)更新，該任務(wù)主要負(fù)責(zé)更新屏幕顯示的數(shù)據(jù)；

(4)功率測量，該任務(wù)主要完成功率的測量、計(jì)算、比較等；

(5)監(jiān)視任務(wù)，該任務(wù)主要負(fù)責(zé)對(duì)電壓、電流監(jiān)視，以防止電壓電路的出現(xiàn)異常、如過壓、欠壓、過流、欠流等；

(6)左端充電引導(dǎo)控制任務(wù)，主要負(fù)責(zé)左端充電引導(dǎo)繼電器的控制，完成左端充電時(shí)的引導(dǎo)控制；

(7)右端充電引導(dǎo)控制任務(wù)，主要負(fù)責(zé)右端充電引導(dǎo)繼電器的控制，完成右端充電時(shí)的引導(dǎo)控制。

充電過程控制實(shí)際為狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)切換，可通過FSM來控制狀態(tài)的切換。充電準(zhǔn)備過程通過檢測點(diǎn)1處的信號(hào)區(qū)間為狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。無車輛充電時(shí)，S1的開關(guān)接到12V電源，充電槍檢測點(diǎn)1處信號(hào)區(qū)間為0～0.1V，有車輛充電且充電槍連接就緒檢測點(diǎn)1處采集到的信號(hào)區(qū)間為0.3～0.5V；車載充電機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí)，檢測點(diǎn)1信號(hào)區(qū)間為0.7～0.9V；此時(shí)將S1的開關(guān)接到PWM上，采集到的信號(hào)區(qū)間為1.42～1.43V，進(jìn)入充電狀態(tài)，自動(dòng)閉合交流回路，進(jìn)行充電。當(dāng)車載充電機(jī)檢測到電池充滿時(shí)，斷開S2，檢測點(diǎn)1的信號(hào)區(qū)間為1.38～1.39V，斷開交流回路，電池停止充電。當(dāng)充電槍斷開連接時(shí)，檢測點(diǎn)1的信號(hào)區(qū)間為1.34～1.35V，當(dāng)停止PWM后，狀態(tài)回到初始狀態(tài)1。PWM的停止，既可選擇在用戶拔出充電槍后(即狀態(tài)6)，也可選擇在S2斷開之后(即狀態(tài)5)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇狀態(tài)5，使得狀態(tài)機(jī)進(jìn)一步簡化，為應(yīng)對(duì)異常情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)狀態(tài)0，對(duì)應(yīng)除上述所有情況之外的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)狀態(tài)0時(shí)，系統(tǒng)斷開交流回路，停止充電。檢測點(diǎn)1信號(hào)區(qū)間表如表1所示。

表1 檢測點(diǎn)1信號(hào)區(qū)分表

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于UCOSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，共使用了7個(gè)任務(wù)，所有的功能都是在任務(wù)中完成，為保證任務(wù)的獨(dú)立運(yùn)行每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧區(qū)，任務(wù)的各種參數(shù)(如表2所示)由任務(wù)控制塊進(jìn)行記錄，其中有三個(gè)最重要的參數(shù)：任務(wù)函數(shù)指針、任務(wù)堆棧指針、任務(wù)優(yōu)先級(jí)。

表2 任務(wù)參數(shù)一覽表

3.1 FSM

FSM任務(wù)從狀態(tài)1開始，根據(jù)檢測點(diǎn)1的信號(hào)值實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移(流程圖如圖12所示)。本設(shè)計(jì)是基于“雙充”任務(wù)，所以左右兩充電端口都有FSM控制，系統(tǒng)需區(qū)分左右端口。

圖12 FSM流程圖

3.2 觸摸控制

本任務(wù)主要是處理來自觸摸屏的指令幀。當(dāng)系統(tǒng)判斷觸摸屏有指令幀后，接受指令幀并對(duì)指令幀進(jìn)行解析，系統(tǒng)根據(jù)解析結(jié)果做出對(duì)應(yīng)響應(yīng)。具體流程如圖13所示。

圖13 觸摸控制任務(wù)流程圖

3.3 TFT數(shù)據(jù)更新

本任務(wù)的主要功能是保持屏幕顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，包括電壓、電流、功率等，顯示數(shù)據(jù)來自于電表的實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)。流程如圖14所示。

圖14 TFT數(shù)據(jù)更新任務(wù)流程

3.4 左(或右)端控制

本任務(wù)要控制兩充電槍口電子鎖的開閉鎖，分為左右兩端。系統(tǒng)設(shè)計(jì)用雙繼電器來控制電子鎖的閉鎖與開鎖。兩個(gè)繼電器分別可輸出+12、-12V電壓，公共端連接到電子鎖正端(接線端)，電子鎖負(fù)端接地，當(dāng)接線端輸入+12V電壓時(shí)，電子鎖閉鎖；當(dāng)接線端輸入-12V電壓時(shí)，電子鎖開鎖。流程如圖15所示。

圖15 控制任務(wù)流程圖

3.5 電量檢測

本充電樁的電量計(jì)量數(shù)據(jù)來自電表。具體較量方式為：當(dāng)右車輛進(jìn)入充電狀態(tài)，系統(tǒng)首次讀取電表數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與電表保持實(shí)時(shí)通信，將通信數(shù)據(jù)記錄并實(shí)時(shí)得到充電消費(fèi)電量；當(dāng)確定停止充電時(shí)，將消費(fèi)電量乘以每單位電量的價(jià)格，便得到本次充電所花費(fèi)的費(fèi)用。流程如圖16所示。

圖16 電量監(jiān)測任務(wù)流程

3.6 電壓電流監(jiān)測

系統(tǒng)通過讀取電壓與電流值并與設(shè)定的電壓值閾值和電流值閾值相比較，比較結(jié)果作為是否停止充電依據(jù)。設(shè)定電壓的閾值為正負(fù)10%，常用電壓值為220V，所以，電壓超過242V或者低于198V時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止充電。電流的設(shè)置只有高閾值，為17.6A，即當(dāng)電路超過該值時(shí)，系統(tǒng)停止充電。流程如圖17所示。

圖17 電壓電流監(jiān)測任務(wù)流程

結(jié)語

本充電樁分析了直流充電樁的工作原理，給出了直流雙槍充電樁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以STM32F107為核心，實(shí)現(xiàn)了充電樁的人機(jī)交互、充電過程控制、電量檢測、電量計(jì)費(fèi)、射頻IC卡付費(fèi)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、工作狀態(tài)監(jiān)測、充電保護(hù)等功能。該系統(tǒng)滿足直流充電樁的充電要求，經(jīng)制作樣機(jī)測試，實(shí)現(xiàn)一個(gè)主控制器完成對(duì)兩個(gè)充電槍的雙槍控制，對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)汽車的普及具有重要的意義。