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摘要：电动汽车的推广与应用，能降低化石能源消耗和实现排放达标等方面具有重要意义，是汽车工业的发展方向，汽车充电设施的完善与普及是其市场运营的前提条件，充电设施的建设与提升应该与电动汽车发展保持同步。本文从电动汽车充电桩硬件系统和控制软件两个方面进行设计，主要分析与探讨充电桩工作流程和控制要求，研究如何完成充电桩与电动汽车的连接引导控制，并设计远程管理系统来实现与充电桩的数据交互，具有较好的使用和参考价值。

关键词：电动汽车；交流充电桩；智能充电

引言

充电桩应用的最为广泛的有直流和交流两种类型，直流充电桩采用电力电子技术，通过将交流电进行整流和滤波等处理后，为车载电池充电，交流交电桩采用标准接口向车载充电机供电，车载充电机进行整流向电池充分电，直流充电桩在20～120min内就可以完成充电，快充会导致车载电池压差出现不平衡，直接影响着电池活性，不利于车载电池使用寿命，而交流交电桩充电时间约在6～8h，慢充可对电池进行均衡处理，有利于延长电池使用寿命。但伴随着电动汽车数量的不断增加，汽车在不引导条件下进行充电，会在充电时间与空间上存在着不确定性，会导致配电网负荷变大、增加配电网优化控制难度，会对电能质量产生影响，研究减小汽车充电桩对电网影响已经变得更为紧迫，这就需要在满足汽车用户充电需求的情况下，制定合理的控制策略来对汽车充电进行引导，可对配电网负荷进行移峰填谷，减小电动汽车用户的充电成本，对促进电动汽车普及与应用具有积极意义。本文就交流充电桩作为研究对象，对交流充电桩及智能充电控制策略进行设计，并对系统进行测试和应用。

1电动汽车充电桩硬件系统设计

1.1充电桩硬件组成

电动汽车充电桩需要确保输入、输出回路电源的可靠性，主控板和外围元件的运行可靠性，串行通讯接口通讯不存在干扰，确保主控板与外部的数据交互，可准确判断充电接口运行状态，为后续正常充电提供保障。实现对充电输出回路的准确控制，采用CPU处理器及外部元件，使硬件系统具有可维护性。

1.2电气控制系统

电动汽车交流充电桩电气控制系统具备安全防护、电源转换、输入控投影等功能，电能计量采用智能电表来实现，在主控板上增加外设模块。以220V交流电作为电动汽车输入电源，安全防护功能是确保充电设备、驾乘人员和充电设备等的安全，设计有避雷器、漏电保护、熔断器等保护功能，主探反、触摸屏、GPRS定位模块等需要DC12V电源供电，要对AC220V进行转换，选择明纬LRS开关电源将AC220V转变为DC12V。交流接触器控制着AC220电源的输出，主控板会根据电动汽车状态控制交流接触器的通断，并采集接触反馈信号来判断电源输出是否正常。

1.3外设模块

触摸屏作为充电桩与外界进行信息交互的界面，触摸屏显示状态信息，具备串行通信接口并兼容Modbus通信协议。上位机程序可通过TCP接口或U盘进行更新，脚本语言采用OS伪汇编指令 ，可根据控制需要采用OS指令编写代码，可实现对触摸屏的二次开发。RFID读卡器用于识别用户身份并具备消费支付功能，RFID读卡模块利用射频信号等进行对象识别与数据读取，将识别到的信息和采集到的数据回传到控制系统，客户充电卡中存储身份信息和预存金额，采取桩体认证和卡片认证两种认证方式，确保用户的资金安全。读卡器设置有2个SIM卡座，采用特殊的CPU卡可满足嵌入终端设备的要求，可向用户提供金融级别的安全防护。智能卡中有存储器和集成电路，ROM存储器集成COS操作系统，当与读卡器进行信息交互时，可对内部数据存储器数据进行访问，采集到数据信息并进行解析，具备的计算和分析能力可满足对高加密运算的要求，进一步提升控制系统的安全性。电能计量模块选择智能电表，具备费率计量、用户端控制、防窃电和信息通信等功能。GPRS模块用于充电桩与管理系统的无线数据信息交互，支持TCP/IP协议且可实现不同网络节点网络数据可靠传输，可通过串口转GPRS数据来实现数据信息的传输。

1.4主控板

CPU采用32位的STM32F芯片，时钟频率为72MHz，256k的Flash内存和48K的SRAM，配置80个I/O接口、2个CAN口、2个SPI接口和4个USART口。最小系统电路由晶振、复位、供电和下载电路构成，下载电路采用SWD接口，只占用两个引脚可主控板尺寸，具有较高的下载速率。STM32芯片运行电压为3.3V，对开关电源DC12V进行转换才能正常为芯片供电，电源转换电路采用LM1117芯片，先将12V转变为5V，然后再降为3.3V。读卡器与触摸屏采用RS232串口接线，电能计量表与GPRS通信模块采用RS485通信方式，STM32芯片上有4个USART接口，外围通讯电路采和MAX3232、SP3485建立起两种串行接口电路，可实现USART接口和外部通讯接口间的电平转换，主控板可以与外设模块进行正常数据交互。控制导引电路可以识别充电桩与电动汽车能否正常连接，采集充电接口供电能力和控制功能，是实现充电桩与外部通信的基础条件，充电控制装置集成于充电机内，充电状态开关设置于充电接口，可通过插头与外部触发进行按钮联动。

充电桩控制导引接口等效电路见图1所示，由充电控制装置，k1～k2交流接触器、R1～R4电阻、S1～S4开关、D1为整流二极管、充电机和车辆控装置等构成，S1开关位于充电设备内，充电接口与充电车辆进行电气连接后，S3开关会闭合，对充电机和电池状态进行检测，S2开关闭合。S4为常闭状态开关，设置于车辆接口或充电接口内部，充电桩接口可触发联动按钮，如果电气连接成功后按下机械锁止按钮会使S4断开。车辆与桩体间的电气连接状态如下：

1）状态1。充电桩和电动汽车没有完全电气连接，S2、S3开关为断开状态，S1以DC12V进行连接，该状态还不能向电动汽车充电，检测点1电压为12V；

2）状态2。充电桩和电动汽车完全电气连接，可电动汽车没有作好准备。S2开关为断开状态，S3开关为闭合状态，R3电阻接入到电气回路，检测点1的电压公式为：

U_1=U-R_1/（R_1+R_3 ） （U-U_D ）    （1）

上式中R1、R3分别为1000Ω、2740Ω，U=12V，UD是二极管压降，为0.7V，U1电压值约为9V。如果充电桩检测状态不存在异常，S1开关从DC12V连接转变为PWM，输出占空比可以调节的矩形脉冲，占空比值与供电设备最大持续电流相关；

3）状态3。充电桩与电动汽车为完全电气连接状态，电动汽车已经做好充电准备。开关S2闭合，R2、R3可接入电气回路，检测点1电压公式为：

U_1=U-R_1/（（R_1+R） ） （U-U_D ）    （2）

R=（R_1 R_3）/（R_2+R_3 ）        （3）

根据相关标准R2值为13000Ω，U1值为6V。

检测点1电压值与充电桩-电动电气连接状态相关，如果充电桩与车辆为断开连接状态，S1开关为DC12V。充电桩与电动汽车为完全电气连接状态，电动汽车还没有完全做好准备时，S2开状为断开状态，S1开关会自动转换至DC12V并以PWM波方式输出，检测点1电压值为9V，无法进行充电。充电桩和电动汽车完全电气连接状态，电动汽车还没有做好充电准备，S2开关为闭合状态，S1开关输出PWM波形，检测点1值为6V，可以正常向电动汽车供电。

充电接口实现完全电气连接以后，车辆控制装置采集检测点1电压值和PWM占空比，分析充电桩与电动汽车的电气连接状态，当检测点1电压存在异常时，控制装置会断开交流接触器并停止供电，控制导引电路必须要与检测电路保持紧密配合。充电桩和电动汽车完全实现电气分离时，STM32芯片输出PWM波保持高电平，光耦没有进行导通，R2电阻生成的偏置电压会导致CP端输出DC12V。充电枪与电动汽车进行电气连接时，STM32芯片引脚 输出占空比达到50%、频率为1KHz的PWM信号，光耦隔离芯片TLP521和导引电路进行隔离，场效应管构建起推挽电路来进一步提升功率，CP端输出DC12V方法。检测电路采用OP07运放进行电压跟随，由二极管和分压电阻形成的整流分压电路构成，OP07为双极性运算放大器，分压电阻值为2.7kΩ。充电枪和电动汽车进行电气连接时，CP信号输出和运放OP07构建起输出端，可以起到电压跟随作用，可以起到很好的电气隔离。ADC采样电路由分压电阻和二极管构成，进行信号转化处理以后可提供信号采集电压。

2电动汽车充电桩软件系统设计

2.1µCOS-II实时操作系统

充电桩选择的µCOS-II嵌入式操作系统内核较小，采取开源代码方式，对处理器的要求不高，可移植至STM32处理器，具备任务调度、管理等基本功能。先调用OSInit（）函数对变量、数据结构、信号量等进行初始化操作，创建起空闲任务与统计任务。再调用OSTaskCreate（）函数，建立起多任务启动函数Strat_Task（），操作系统即可正常启动运行。采用函数Start_Task（void*param）创建充电桩充电时需要建立起的每个任务和变量，启动操作系统以后此函数在主程序运行一次。开始函数运行时创建5个任务：

1）触摸屏通讯函数Screen_Task。按照Modbus通讯协议用于主控板和触摸屏间的通讯，根据触摸屏页面和操作将控制命令发送给主控板，可完成不同的控制动作；

2）RFID通讯RIFD_Card。程序循环运行并识别是否有卡片靠近，对卡片信息进行解析与校验，对卡中的信息进行读取并启动充电、结束充电等操作；

3）电能表通讯Energy_Meter。对电能表中采集和存储的数据进行读取、解析，计算客户使用的电量并计算支付费用；

4）GPRS通讯TCP_Task。对GPRS模块进行初始参数配置，选取数据功能，启用TCP网终功能。把采集到的充电桩运行状态信息和业务数据传至管理系统，实时检测管理系统是否发送命令，根据控制要求完成不同操作；

5）系统检测Test_Task。检测充电桩与电动汽车的连接状态，对充电桩每个功能模块进行自检，检测到运行故障后把故障原因显示在触摸屏，同时将数据信息上传到管理系统。

2.2充电桩串口通讯功能模块

串行通讯应用于主控板与GPRS通信模块、RFID读卡器、触摸屏和智能电表的数据交互，每个功能模块虽然采用的通信协议不同，先设计串口通信框架和函数，有初始化函数、数据发送函数、数据接收函数和解析计算函数等。初始化函数对串行通信端口号、通讯波特率等进行配置，数据发送函数要根据通讯协议规定发送出消息帧，并向外设模块发送命令与函数，可对外设模块进行控制。主控板获取到的外设模块返回数据长度并不确定，可通过串口空间中断和CPU并行DMA来设计接收函数，串口空闲中断为总线获取到数据信息后，在一个字节时间内没有收到新数据则出现中断。数据接收中断服务如果得到中断置位信各层，计算数据信息长度值，把DMA数据接收缓冲区数据迁移至任务缓冲区，迁移以后得到数据接收标志位，可为后续数据解析创造条件，对中断标志位、数据长度值进行清除，为后续数据帧接收做好准备，然后可以退出中断函数。数据解析函数完成数据信息接收以后，转入到解析函数进行处理，数据接收标志位置1则，对数据帧进行校验与解析，再将获取到的数据传递到其它函数，串口通信函数功能实现后，可结合通讯协议和业务流程来对每个模块程序进行设计。

触摸屏和主控板间的通讯采用Modbus协议，从机地址为1个字节的信息量，从机地址设置为01H，通讯采用CRC校验对数据信息的差错进行校验。主控板作为通讯主机，触摸屏作为通讯从机，设计好触摸屏界面并配置好脚本文件，将文本框地址与主机地址进行匹配，采用Switch语句进行分析与判断，页面值对应则采用相应函数进行操作，完成操作以后需要再次分析当前页面值，并执行下次循环。数据校验对从机地址、功能码和校验码进行分析，确保传递数据信息的准确性，变量作为当前页面值，于起始页对标志位和参数进行初始化。

主控板与RFID读卡器间的数据信息交互，需要遵守内嵌通信协议，读卡器通讯协议的数据发送与接收都将主控板作为Host方向，STX作为数据传输开始字节，ETX为数据信息传输结束的标志。电能表通讯采取主从结构方式，主控板作为通讯主站，电能表作为通讯从站，主控板对智能电表发送4字节的唤醒指令，智能电表的数据传输需要先由主控板发送请求，然后读取智能电表状态信息和数据信息，智能电表和主控模块进行初始化以后向主控板发送数据，主控模块采集智能电表数据并进行充电消费计算。

2.3充电桩检测模块

控制导引电路检测由STM32芯片外设ADC模块来实时检测充电桩与电动汽车运行状态，采用控制软件来输出PWM。其它设备检测采用STM32库函数GPIO函数来获取设备引脚IO值，主控板对防雷保护、急停、接地等状态进行检测，将检测到的故障经过GPRS网络发送至管理系统，再将故障信息存至触摸屏。充电桩控制是在用户刷卡以后进入到系统，并向后台发送客户信息进行身份识别，验证后可显示卡内余额和欠费情况，解摸屏上选取充电模式和设置相关参数。进行充电前要识别电动汽车与充电枪的连接状态，如果没有进行连接或电动汽车没有准备好，触摸屏进行提示并发出语音，电动汽车如果准备好则可进行刷卡充电，对卡内结算标志位进行置位。充电时采集充电参数，根据计费规则求出客户消费额度，判断充电时是否存在过压、欠压和过流等现象，充电枪断开或没达到充电目标。客户也可以按下急停按钮来中断充电，触摸屏显示充电量、消费金额等信息，客户进行刷卡结算来完成交易。

3结束语

综上所述，电动汽车虽然已经具有较高的普及程度，但受到充电桩补给装置性能等方面的制约，还无法保证充电的可靠性和稳定性，通过对充电桩总体进行设计，从硬件、软件两个方面就充电桩工作流程和控制要求进行设计，可完成充电桩与电动汽车的连接引导控制，设计远程管理系统来实现与充电桩的数据交互，在保证充电系统安全性、可靠性的前提下，提升充电桩的运行稳定性。

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项目编号：B715J022004V ，项目名称：充电设施用户行为识别与设施保护技术研究及应用

作者简介： 万义 1972.06  男  籍贯： 湖北松滋 本科   电气工程及其自动化专业