电动汽车交流充电桩控制系统设计

2016-05-05周子昂吴定允耿文波李向东

河南科技大学学报(自然科学版) 2016年3期

关键词：电动汽车

徐　坤，周子昂，吴定允，耿文波，李向东

(周口师范学院机械与电气工程学院，河南周口 466001)

电动汽车交流充电桩控制系统设计

徐坤，周子昂，吴定允，耿文波，李向东

(周口师范学院机械与电气工程学院，河南周口 466001)

摘要：分析了电动汽车交流充电桩的系统结构和工作原理，设计了以STM32处理器为核心的控制系统。阐述了交流充电接口的基本功能及充电过程状态，完成了控制导引电路及充电状态采集电路的设计。通过软件设置脉宽调制器(PWM)模块和模数转换器(ADC)模块，实现了充电过程控制导引、连接确认、识别充电接口传输最大电流和充电连接状态实时采集等功能。测试结果表明:该系统具有良好的稳定性。

关键词：电动汽车；交流充电桩；脉宽调制器；控制导引

0引言

为了应对空气污染，电动汽车受到了广泛的关注。全球主要的汽车制造商均积极投入电动汽车的研发与生产中，以推进汽车产业结构的转型升级[1-3]。充电装置对于电动汽车产业而言是不可或缺的重要设备，主要包括直流充电机和交流充电桩两种形式[4]。交流充电桩因其占地面积小、一次建设费用少等优点，得到了广泛应用[5]。

近年来，对交流充电桩的研究取得了较有价值的成果。文献[6]借助于Freescale K60微控制器，以家庭应用为背景，设计了一种交流便携式电动汽车充电箱。文献[7]对电动汽车交流充电接口电路进行研究，分析了接口等效电路模型，完成了充电接口连接状态等功能测试。文献[8]设计了以可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)为控制器的交流充电控制系统，解决了电动汽车的充电计费问题。文献[9]结合实时操作系统μC/OSⅡ，设计了基于嵌入式系统的电动汽车交流充电桩。上述研究对于电动汽车充电设备的开发和生产提供了良好的指导建议，然而，充电设施的产业化运行对充电桩提出了低成本、易维护和智能化等更高的要求。因此，本文提出了基于STM32处理器STM32F107的电动汽车交流充电桩控制系统及设计方案，采用射频识别(radio frequency identification,RFID)卡进行信息认证和消费结算，既适用于公共停车场，也可在个人家庭车库中使用。同时，利用STM32F107较强的网络支持功能，设计了Internet接口，便于系统的维护和升级。该设计方案遵循GB/T 20234第1部分和第2部分规定的电动汽车传导充电连接装置和交流充电接口的相关要求[10-11]。

1硬件系统组成

系统采用模块化设计方案，主要由3部分构成：交流输入控制部分，实现交流供电控制、电能的计量和安全防护等功能；交流输出控制部分，完成充电电缆连接确认、控制导引与车载充电机通信等；中央控制部分，实现系统检测、人机交互、计量收费、业务数据管理、数据通信以及故障诊断等功能。其中，交流输入控制部分和交流输出控制部分构成系统充电主回路。交流充电桩硬件组成如图l所示。

硬件系统采用嵌入式微处理器STM32F107为控制核心，该处理器是意法半导体公司推出的全新STM32系列微处理器中的一款产品。片内集成包括模数转换器(analog to digital converter,ADC)、脉宽调制器(pulse width modulation,PWM)及通用同步/异步收发器(universal synchronous asynchronous receiver and transmitter，USART)接口等外设资源。借助这些外设资源极大地简化了电路设计的复杂度，因而，在工业控制和多媒体设备中得到了广泛应用。

图1　交流充电桩硬件组成图

图1中，RS485总线接口实现智能电量计量模块与处理器STM32[10]之间通信接口转换，完成对充电电压和电流的读取；交流接触器驱动电路和急停按钮实现交流接触器主触点的接通和断开，实现交流充电电能的控制；连接确认(connection confirmation,CC)电路和控制导引(control pilot,CP)电路用于实现交流充电桩充电电缆连接和充电过程控制导引功能；标号①至⑦代表插座的7个接触点，其中：L为火线；N为零线；PE为接地保护；CC为连接确认；CP为控制导引；NC1和NC2留作扩展用。

2硬件电路设计

2.1RS485总线接口电路

图2　RS485总线接口电路

处理器STM32F107通过RS485总线接口电路实现与电能计量模块间的信息交互，RS485总线接口电路如图2所示。采用MAX485芯片完成处理器串口通信到RS485总线通信协议转换，实现电能消费数据的读取功能。其中：MAX485芯片的RO和DI引脚分别接至STM32F107串口1的接收RXD1和发送TXD1引脚；R4为差分数据信号引脚A和B之间的匹配电阻，阻值为120 Ω；C1为0.1 μF的滤波电容。该电能计量模块遵循DL/T 645—2007通信规范，数据帧传输格式如表1所示。

表1　数据帧传输格式

数据域DATA包括数据标识、数据和密码等,其内容由控制码来决定。数据传输时逐字节加33H处理，接收时减33H处理。校验码CS为从帧起始符开始到校验码之前的所有字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。所有数据项均先传送低位字节，后传送高位字节。

2.2控制导引原理与电路设计

图3　典型控制导引接口等效原理图

充电模式3连接方式B的典型控制导引接口等效原理图如图3所示。充电桩与充电电缆的连接确认电路及充电桩与车载充电机之间的控制导引电路，是充电桩与充电机、电池管理系统(battery management system，BMS)实现信息交换的前提条件。

控制导引CP线上检测点1的电压大小是交流充电桩判断车辆连接状态的依据，该点电压主要由充电电缆连接状态、开关S2的状态以及电阻R1、R2、R3的大小决定。根据充电过程，将其分为3个状态[12]。

状态1：充电电缆没有完全连接，包括充电桩端接口和车辆端接口，开关S2断开，此状态不能进行充电，此时检测点1的电压U1为标称电压，U1=+12 V。

状态2：充电电缆插头已完全连接，开关S2为断开状态(车辆已经做好充电准备)，不能进行充电。由图3可知，检测点1 的电压U1由下式决定：

(1)

其中：R1和R3取国家标准中的标称值[10-11]，分别为1 000 Ω和2 740 Ω；U为标称电压[10-11]，U=+12 V；UD为二极管D1的管压降，约为0.7 V。此状态检测点1的电压U1≈8.99 V。

状态3:充电电缆插头已完全连接，车辆已经做好充电准备，开关S2闭合，可以进行充电。此时，检测点1 的电压U1由式(2)和式(3)计算得出：

(2)

(3)

其中：R2的标称值[10-11]为1 300 Ω。因此，在U为+12 V时，U1≈5.99 V。

图4　控制导引电路

PWM电平状态LED状态Q1导通情况Q2导通情况CP线输出电压/V高电平灭导通截止+12低电平亮截止导通-12

通过上述分析，控制导引电路要求具有输出稳定+12 V和双极性的PWM信号的功能，工作在PWM状态时，要求峰值和谷值电压分别为+12 V和-12 V。接口电路如图4所示，借助STM32F107集成的PWM引脚，通过高速光电耦合器6N135隔离后，经过Q1、Q2组成的推挽功率放大电路放大，从CP端口输出。其中：R5具有限流作用，以保护6N135中的LED，阻值为220 Ω；R7为该模块电路的输出匹配电阻，依据GB/T 20234.2[11]的要求，阻值为1 000 Ω。在PWM波逻辑电平状态的控制下轮番输出+12 V和-12 V，在PWM占空比为50%的情况下，忽略Q1、Q2的管压降，PWM电平与CP线输出电压对应关系如表2所示。

2.3控制导引参数采集电路

参数采集电路实现充电桩和充电设备之间状态、供电功率等信息的采集功能，主要由集成运放HA17904构成的电压跟随器电路和线性放大光电耦合器HCPL7840构成的线性隔离放大电路组成。控制导引参数采集电路原理如图5所示。

在图5中，HCPL7840内部集成输入放大电路和光电耦合电路，输入阻抗高、线性度好，具有1 000倍左右的电压放大倍数，能不失真传输毫伏级电压和电流信号，采用差分信号输出方式。肖特基二极管D2和电阻R8构成电压钳位电路，将由CP端口输入的信号电压钳位为0～12 V。此外，电阻R9和R10组成线性电压衰减电路，取值分别为10 000 Ω和270 Ω，使采集信号电压衰减到320 mV以下，实现HCPL7840输入阻抗匹配及端口VIN+对输入电压大小的要求。C3～C6为滤波电容，参数均取0.1 μF。差分输出的电压信号分别送入主控制器STM32F107的ADC端口ADC1和ADC2，由该控制器内部集成的ADC模块对输入信号实时采样、合成CP状态电压信号△U，其大小由VOUT+与VOUT-两者的差值计算得出，即信号差分传输时，接收到的信号是两者的差值。通过对△U分析，以确定电动汽车交流充电过程中所处的各个状态。其中，VOUT+和VOUT-是HCPL7840的差分信号输出端；R12和C7构成RC滤波电路，R13和C8构成RC滤波电路，以便在差分信号采样前，滤除高频成分的干扰。

图5　控制导引参数采集电路

2.4交流接触器驱动及急停按钮识别电路

图6　交流接触器驱动及急停按钮识别电路

图6为交流接触器驱动及急停按钮识别电路。交流接触器线圈通过继电器KB的常开触点以及按钮SW的常闭触点接到220 V电压的L端和N端。只要处理器GPIO端口输出高电平，在R14、R15和Q3构成的放大电路的驱动下，继电器KB触点闭合，从而交流接触器线圈带电，导致其主触点闭合，交流输出控制部分有电能输出。若GPIO端口为低电平，则可使正在输出的电能切断。在一些突发状况下，处理器没有主动切断电能时，可以人为按下急停按钮SW，切断电能输出。此时按钮常开触点闭合，导致端口INT为低电平，该端口接到处理器STM32F107的外部充电触发引脚上，从而引发处理器中断，完成急停按钮被按下的动作识别，并做出相应的处理。

图6中，快速恢复二极管D3为继电器KB的线圈提供续流回路，对继电器起到保护作用；电阻R16、R17、电容C9及二极管D4组成中断信号调理电路，以减少干扰信号通过处理器中断引脚对处理器的干扰，提高系统运行的稳定性。其中，R16和R17取值分别为30 000 Ω和3 300 Ω，C9取值为0.1 μF。

3系统程序流程

系统程序主要由系统初始化、系统自检、用户信息识别、系统连接确认和充电过程实时监测等部分组成。在用户信息识别部分，采用射频识别技术实现用户信息读取、确认和结算。在充电过程实时监测部分，主要是对CP信号进行实时采样和处理分析，及时确定充电电缆的连接状态和受电设备状态。同时，也对设备其他电路模块进行监测，以对突发状况及时处理，保护充电设备和受电设备安全。系统程序流程如图7所示。

4系统测试

本控制系统在奇瑞汽车股份有限公司生产的纯电动乘用车(型号为SQR7000BEVJ00)上完成充电测试。并采用泰克公司(Tektronix)生产的示波器DPO7254C实现波形观测，该示波器模拟带宽2.5 GHz,采样速率高达40 G/s。同时，借助于计算机串口调试工具，完成通信数据测试及功能分析。

图7　系统程序流程图

4.1电能计量模块测试

处理器STM32F107通过串口经RS485通信接口实现与电能计量模块间电能的读取及信息交互。

处理器发出读电量数据帧：FE 68 29 25 01 12 14 40 68 01 02 43 C3 8E 16，其中，地址字段29 25 01 12 14 40表示读取模块的地址；8E为校验和。电量模块收到读电量数据命令后，发出应答数据帧：FE 68 29 25 01 12 14 40 68 06 43 C3 69 55 33 33 B5 16；电量数据为：69 55 33 33，该数据逐字节减去0x33后为：36 22 00 00，即当前电量为22.36 kWh。其中：FE为设备激活字符，数据发送方在发送数据帧之前，先发1个或几个字节的FE，使数据接收方做好接收数据的准备；B5为校验和。

4.2控制导引状态及采样分析

控制导引电路检测点1处，电压U1的有效值为各个状态(状态1、状态2和状态3)电压标称值±0.8 V，测试结果如表3所示。由表3可看出：3个状态的电压实际测试值均在有效范围之内，且比标称值偏低，主要原因为+12 V的电压在功率管Q1上产生一定的管压降所致。端口ADC1和ADC2分别为控制导引参数采集电路的差分信号输出端，也是主控制器ADC采样的输入端口，△U为VOUT+与VOUT-之差，只要3个状态对应△U的值之间有足够大的电压差，就可以借以判断设备所处的状态。

表3　控制导引状态及采样端口电压测试结果

图8　控制导引电路状态转换波形图

本系统设置ADC模块一次采样位数为8位，在对应的采样电压为0～5 V时，电压分辨率为5/255 V，约等于0.0 196 V，即模拟电压差大于0.02 V以上，就对应不同的转换结果。从表3可以看出：3个状态所对应的△U相差均在0.8 V以上，其AD转换结果均有足够的安全距离。因此，依据本设计电路采集的信号，可以较大地降低状态误判的概率。

4.3脉宽调制器状态波形测试

控制导引电路工作在PWM状态，采用示波器CH1通道观测电路状态转换波形，波形图如图8所示。图8中，周期为1.000 ms，PK-PK为波形电压峰-峰值。在初始化占空比为15%条件下，状态1对应波形电压峰-峰值(PK-PK)为22.9 V，与表1中的状态1相对应，且正峰值电压为11.45 V；充电电缆已经完全连接，由状态1转到状态2，波形峰-峰值为17.60 V，正峰值电压为8.80 V；车辆端已做好充电准备，将开关S2闭合，由状态2转到状态3，正峰值电压为5.80 V；波形数据与表3实测数据基本一致。交流接触器主触点闭合，开始充电，主控制器实时检测CP信号的状态，以便及时发现异常现象，及时分开接触器停止充电。

从测试结果来看，本文设计控制系统及各接口电路达到了GB/T 20234.2关于交流充电桩接口特性及控制导引的基本要求，电路输出测试数据均在误差允许范围之内。

5结束语

本文设计了以微处理器STM32F107为主控制器的电动汽车交流充电接口电路及控制系统。采用光电耦合器对数字部分和模拟部分进行隔离，有效减少了两部分相互间的干扰，提高了系统稳定性。实现了电动汽车交流充电时，对供电端插头的连接确认及控制导引功能，并完成了充电状态参数的实时采集。同时，也实现了电动汽车充电过程实时监测、信号安全隔离、高效节能及智能化操作目标。该设计对于电动汽车充电设备研发及基础设施建设具有一定的参考意义。

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