電動汽車交流充電樁的研究與設計汽車工程專業(yè)

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1、1.1 課題的研究背景及意義 隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對于環(huán)境問題與能源危機有了越來越清晰的認識，這已經(jīng)成為人類繼續(xù)向前發(fā)展的道路上必須要解決的兩個問題，節(jié)能減排已經(jīng)成為的當今世界的一個主題。而電動汽車作為一種新能源交通工具，具有較高的資源利用率和無廢氣排放等特點，是實現(xiàn)節(jié)能減排和解決環(huán)境問題與能源危機的一種重要手段，也是汽車工業(yè)未來發(fā)展的重點。 一方面，全球石油資源儲量的稀缺性毋庸置疑，幾個大國能源緊缺問題嚴重，現(xiàn)階段仍以石油為主要燃料的汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到極大威脅。因此，發(fā)展新能源汽車成為世界汽車持續(xù)發(fā)展的必然選擇。在2008年上半年石油價格從80美元一路飄升到147美元，汽車燃料的

2、使用也隨之水漲船高。在這一輪石油價格上漲期間，部分新能源汽車顯示出相對使用成本優(yōu)勢。部分消費者為免于負擔過高的燃油費用而放棄原本欲購買的傳統(tǒng)車型，而選擇石油燃料消耗相對較低的新能源汽車。汽車制造廠商也看到了新能源汽車的發(fā)展空間，開始加大研發(fā)和推廣的力度。各國政府也適時推出了一些優(yōu)惠政策對新能源汽車的購買和銷售予以補貼，新能源汽車行業(yè)獲得了前所未有的發(fā)展良機。雖然近期石油價格受全球經(jīng)濟衰退影響出現(xiàn)嚴重下跌，但新能源汽車技術的不斷發(fā)展仍可以使部分新能源汽車保持一定的使用成本優(yōu)勢。 另一方面，世界各國家和地區(qū)汽車尾氣排放標準越來越嚴格。現(xiàn)今汽車尾氣己成為組成溫室氣體的重要污染物。針對汽車污染問題，

3、世界各個國家和地區(qū)針對汽車尾氣排放的標準也越來越嚴格，而為了應對不斷嚴格的汽車尾氣排放標準，各大汽車廠商目前主要采取提高傳統(tǒng)能源汽車發(fā)動機相關技術的方法，以提高排放質(zhì)量，但技術提升的難度將會越來越大。此時，發(fā)展新能源汽車成為各大廠商的新選擇，因為新能源汽車的生產(chǎn)和使用會從根本上解決汽車尾氣排放問題。 因而大力發(fā)展新能源汽車用以取代化石燃料汽車成為當代社會的共識。而新能源汽車中又以電動汽車的發(fā)展最為迅速，成為各個國家重點的發(fā)展對象。在我國，雖然對電動汽車的研究及推廣的時間較主要發(fā)達國家起步較晚，但近年來在國家的大力推廣下，發(fā)展極為迅速，已經(jīng)走到了電動汽車行業(yè)發(fā)展的第一集團。而保障電動汽車正常運

4、行的充電基礎設施也得以快速發(fā)展，2015年，國家發(fā)展及改革委員會印發(fā)了《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南（2015-2020年）》，該指南對我國當前的充電基礎設施的現(xiàn)狀進行了總結并給了肯定，同時指出了當前充電基礎設施發(fā)展過程中所存在的問題與挑戰(zhàn)，并預測與展望了充電基礎設施未來的需求以及發(fā)展方向，為我國的電動汽車充電基礎設施提供了發(fā)展目標、指導思想與原則。該指南指出了我國充電基礎設施的現(xiàn)狀，截至2014年底,全國共建成充換電站780座，交直流充電樁3.1萬個，為超過12萬輛電動汽車提供充換電服務，電動汽車與充電樁的比例約為4:1，這顯然不能滿足當前電動汽車行業(yè)快速發(fā)展所產(chǎn)生的需求；同時，該指南指出，

5、根據(jù)當前的新能源推廣政策以及當前的發(fā)展速度，到2020年，我國的電動汽車保有量會在500萬輛左右，而充電樁與電動汽車的比例要達到1:1左右，這就要求在5年內(nèi)新建近500萬臺各類充電樁，顯然這個需求是十分巨大的。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 雖然受全球經(jīng)濟不景氣的影響，各國都減少了對基礎設施的投入及產(chǎn)品的更新?lián)Q代，但是依然重視研發(fā)，不斷加大對研發(fā)的投入。 在美國，近幾年來，為了推廣電動汽車行業(yè)的發(fā)展，美國聯(lián)邦政府一直聯(lián)合科研機構和汽車廠商開展充電基礎設施的相關研究，并投資了一系列電動汽車充電基礎設施的規(guī)劃項目，電動汽車產(chǎn)業(yè)已基本進入商業(yè)化運營階段。到目前為止，充電基

6、礎設施已基本覆蓋美國全境，而在加州、伊利諾伊州和紐約州充電基礎設施更是隨處可見，如圖1.1所示。這些充電基礎設施主要是在露天或者室內(nèi)停車場安放，從而實現(xiàn)停車和充電的一體化管理。截止到2016年9月份，美國的充電樁個數(shù)已經(jīng)超過44000臺。而在這其中，美國最大的充電基礎設施運營商ChargePoint公司運營著超過16800臺充電樁。美國的主流充電設施主要分為3大類：交流Level1充電設施、交流Level2充電設施和直流FastCharger充電設施。其中已經(jīng)具有一定規(guī)模且充電網(wǎng)絡完善的是交流Level2充電設施，它的安裝數(shù)量最多，分布也最為廣泛；而直流FastCharger充電設施主要分布在

7、高速公路附近，主要對長途駕駛的電動汽車進行充電。 在德國，Ubitricity公司正在推廣一種通過改造路燈給電動汽車進行充電的充電設施，如圖1.2所示。該充電設施只需對路燈進行稍微調(diào)整，就能在路燈桿上安裝充電插頭，然后只需一根特制的充電線，就可以通過該插頭為電動汽車充電并完成結算。相比其他充電樁近萬元的成本，該設施只需花費1000元左右對路燈進行改造，并且不會增加額外的空間?，F(xiàn)階段，該公司正對柏林的近一千個路燈進行改造以便其能作為充電樁使用，預計在不久的將來柏林的每一個路燈都能夠為電動汽車提供充電功能。不過現(xiàn)階段該模式還不太成熟，依然受到諸多因素的影響。 在日本，其充電基礎設施主要有兩個體

8、系：一是代表日本充電行業(yè)的CHAdeMO體系，是由眾多經(jīng)過CHAdeMO第三方認證的充電設備生產(chǎn)商組成；另一個是由豐田、日產(chǎn)、本田、三菱等四家汽車生產(chǎn)企業(yè)出資設立的日本充電服務公司（NCS），目的是為電動汽車駕駛員提供一個更加方便有效的充電網(wǎng)絡，在這種模式下，NCS會承擔充電設施的建設費用及運營成本（電費、運營開支），車企某種意義上成為充電服務的購買方與享受方。 1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 在國家的新能源政策的推動下，我國的充電基礎設施的建設正在火熱的推進中。為了保證車樁在充電工程中的安全性以及充電接口的一致性等，國家及能源局等相關部門出臺了一系列的標準規(guī)定并將之不斷更新。在國家標準方面，現(xiàn)

9、行的是2015版國標，該國標從通用要求、交流與直流、充電機與BMS通信等方面進行了規(guī)定，同時規(guī)定了電動汽車與充電樁的充電接口標準以及在使用中的安全防護方面的要求，從而保證整個充電流程是確定的，讓每一個充電樁都能為每一臺電動汽車安全可靠的進行充電；在行業(yè)標準方面，主要有以下兩個：《NBT 33008.1-2013 電動汽車充電設備檢驗試驗規(guī)范 第1部分：非車載充電機》和《NBT 33008.2-2013 電動汽車充電設備檢驗試驗規(guī)范 第2部分：交流充電樁》，這兩個標準主要規(guī)定了充電樁的充電功能、通信方式、安全防護、電磁兼容性等檢測方法和檢測要求，是充電樁投入運營之前必須要通過的標準。 截止到2

10、017年，全國公共類充電基礎設施約為21萬個，私人類充電基礎設施約為23萬個，而純電動汽車的保有量約為80萬輛，這距離2020年各類充電基礎設施要達到450萬個目標仍相距甚遠。一方面，我國目前的充電基礎設施的數(shù)量仍然嚴重不足，電動汽車與充電樁的比例高達4:1，完全滿足不了電動汽車的日常行駛需求；而另一方面，當前充電基礎設施的建設仍處于無序狀態(tài)，很多車主需要充電時找不到近的充電樁，而同時很多建成的充電樁卻沒有電動汽車充電長時間閑置。同時，隨著2015版的新國標出臺，一些已經(jīng)建成的充電樁不再滿足現(xiàn)有的標準，而市場上同時充斥著新舊國標的充電樁與電動汽車，這些設備之間的接口并不兼容，導致充電過程無法正

11、常進行。 本文研究和設計的交流充電樁是采用單相交流電為供電電源，通過在交流充電樁控制模塊的控制下為電動汽車進行充電的一種充電裝置，交流充電樁一般分散放置在室外，以便電動汽車能夠及時且方便的進行充電。 交流充電樁要能夠為用戶提供方便、快捷、安全、可靠的充電服務，用戶在使用充電卡給電動汽車進行充電時，操作要簡潔有效，提高用戶的體驗感；同時交流充電樁要接入后臺管理系統(tǒng)，以便后臺進行充電數(shù)據(jù)上報、交易結算以及設備故障信息的上報，方便技術人員及時處理各種問題，從而方便運營商進行集中化的管理。 2.1 系統(tǒng)的功能要求 在2011版的充電接口及通信協(xié)議標準剛剛實施不到四年的情況下，2015年新標準就

12、橫空而出。因為2011版的老標準與2015版的新標準不匹配，老標準的車插在新標準的樁上，充電槍很可能會被鎖住。這就要求我們必須清晰地明確新舊國標之間的區(qū)別。在安全性方面，新標準增加了充電接口溫度監(jiān)控、電子鎖、絕緣監(jiān)測和泄放電路等功能，細化了直流充電車端接口安全防護措施，明確禁止不安全的充電模式應用，能夠有效避免發(fā)生人員觸電、設備燃燒等事故，保證充電時對電動汽車以及使用者的安全；在兼容性方面，交直流充電接口型式及結構與原有標準兼容，新標準修改了部分觸頭和機械鎖尺寸，但新舊插頭插座能夠相互配合，直流充電接口增加的電子鎖止裝置，不影響新舊產(chǎn)品間的電氣連接，用戶僅需更新通信協(xié)議版本，即可實現(xiàn)新供電設備

13、和電動汽車能夠保障基本的充電功能。交流充電占空比和電流限值的映射關系與國際標準兼容，并為今后交流充電的數(shù)字通信預留拓展空間。 通過分析新舊國標的聯(lián)系與區(qū)別、國內(nèi)外的各種產(chǎn)品以及合作企業(yè)提出的各項功能需求，本文設計的交流充電樁的各項功能與指標如表2.1所示。 根據(jù)上述的功能需求，本文設計的充電樁系統(tǒng)的總體方案如圖2.1所示。總體方案主要包括四個部分：充電樁系統(tǒng)、服務器、后臺管理客戶端以及后臺管理網(wǎng)頁端。其中充電樁主要負責供用戶充電，滿足充電樁的基本功能，同時可通過無線通信模塊將自身的狀態(tài)信息和充電數(shù)據(jù)以及交易結算數(shù)據(jù)上傳到服務器；服務器主要將充電樁上傳的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，同時根據(jù)后臺管理人員

14、的請求向客戶端和網(wǎng)頁端提供數(shù)據(jù)；客戶端和網(wǎng)頁端主要根據(jù)管理人員的操作向用戶顯示充電樁以及用戶的狀態(tài)及信息。 根據(jù)上文的系統(tǒng)功能需求分析，按照系統(tǒng)的模塊化設計原則，如圖2.2所示，將交流充電樁分為以下幾個功能模塊：微控制器模塊，用于控制整個系統(tǒng)的功能模塊以及數(shù)據(jù)的處理；控制導引模塊，用于充電過程中，對充電樁和電動汽車的連接狀態(tài)進行確認、控制導引充電過程的開始及結束過程并實時監(jiān)控充電過程中的電流電壓等信息，并將信息提供給微控制器模塊，進而控制整個充電過程；人機交互模塊，用于用戶與充電樁的交流，并進行各種操作，展示當前界面、充電的各項參數(shù)及將用戶的操作反饋給微控制器模塊，然后微控制器再控制下一步的

15、操作；數(shù)據(jù)通信模塊，用于充電樁將用戶數(shù)據(jù)上傳及驗證，上報充電樁狀態(tài)信息，上報充電過程信息以及后臺對充電樁進行參數(shù)配置及數(shù)據(jù)的更新；電能計量模塊，用于充電電流電壓的測量，以及充電電量的計算，并將數(shù)據(jù)以供給微控制器模塊，用于費用的計算；電氣防護模塊，用于充電樁出現(xiàn)各種危險情況時的緊急保護，包括水平檢測、充電溫度檢測及漏電、過流、浪涌檢測及保護，當出現(xiàn)上述情況時，充電樁能及時斷電，保護設備安全；讀寫器模塊，用于充電射頻卡的讀寫，充電卡充值與充電結束時的交易結算；電源模塊，用于提供能使整個設備正常工作的電源模塊。 本文設計的交流充電樁是采用單相交流電供電的，即無論是為電動汽車充電還是充電樁控制電路及

16、外部模塊的電源的來源都是單相交流電。而充電樁的控制電路以及外圍模塊的供電電源都屬于弱電，為了整個系統(tǒng)的安全及防干擾，或者保護后端設備不受雷擊，浪涌或電壓尖峰破壞，強電部分應和弱電部分隔離開來，因此，在電路的設計上，為了將強弱電隔離，采用將強電部分和弱電部分分別放在兩塊電路板上的方式，并在兩板之間加上隔離電源，如圖3.2所示。 3.2.1 電源模塊的需求分析 進行電源模塊設計前，首先要明確本設計中各個模塊的電源需求，然后再根據(jù)具體要求選擇電源模塊。本文設計的交流充電樁的各模塊的電源電壓需求如表3.1所示。 因為是單相交流電供電，而控制模塊及各個功能模塊的供電電源要求是直流電，所以首先要將單

17、相交流電轉換為所需要的12V直流電。從穩(wěn)定性以及可靠性方面進行考慮，本文選擇市場上現(xiàn)有的開關電源作為單相交流電轉換為12V直流電的電源模塊。經(jīng)過比較，最終選擇了深圳市普德新星電源技術有限公司生產(chǎn)的型號為GZM-H40D12-12R的雙路電源變壓模塊，如圖3.3所示。 該模塊的技術參數(shù)如下： 1) 工作類型：AC-DC 2) 輸入電壓范圍：176VAC~264VAC 3) 額定功率：40W 4) 輸出電壓電流：+12V 2.5A|-12V 1.0A 5) 穩(wěn)壓精度：3.0% 6) 轉換效率：0.86 7) 紋波噪聲：≤50mV|≤100mV 該電源模塊具有效率高、可靠性高、超寬

18、的工作溫度范圍等優(yōu)點，同時具有短路、過壓、過功率、過流等輸出保護功能，完全滿足本設計的需求。 在得到12V的直流電源后，還需要將其轉換為+5.0V和+3.3V的電源。關于電源模塊，通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關穩(wěn)壓電源。開關穩(wěn)壓電源一般通過調(diào)節(jié)內(nèi)部的管子的通斷來調(diào)節(jié)電壓的，而線性穩(wěn)壓電路內(nèi)部一般具有參考電壓，然后取外部的輸出電壓與取輸入電壓比較器，利用電壓比較器的輸出來控制最終的輸出電壓。所以線性穩(wěn)壓電源一般具有輸出紋波小，精度高，外圍電路簡單等優(yōu)點，但是芯片體積一般較大，轉換效率不高且價格較高；而開關穩(wěn)壓電源具有轉換效率高，成本較低，而外圍電路較多，輸出紋波較大。 經(jīng)過多方面的比較以及從系統(tǒng)

19、的實際需求進行考慮，在本文中，+5.0V的電源選用了美國國家半導體公司生產(chǎn)的LM2576-5.0開關穩(wěn)壓電源模塊。其在本設計中的應用電路如圖3.4所示。 LM2576是一種開關型的穩(wěn)壓電源模塊，它的輸出電流可高達3A。可完全滿足整個+5.0V供電系統(tǒng)的輸入要求。此外LM2576的轉換效率高達80%以上，這減少了系統(tǒng)運行中的一些不必要的能源損耗，有助于降低運營成本。它還具有較寬的輸入電壓范圍，這有助于維持整個系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性，當輸入電壓受到外部干擾而產(chǎn)生波動時，較寬的工作電壓范圍有助于減少其對輸出電壓的影響。 而+3.3V的電源選用了奧地利微電子公司（AMS）生產(chǎn)的正向低壓降穩(wěn)壓器AMS11

20、17-3.3。其在本設計中應用電路如圖3.5所示。 AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩(wěn)壓器，它通提供穩(wěn)定的+3.3V電源，通常作為供電電壓為+3.3V的IC芯片的供電電源。它的輸出紋波很小，能使芯片在較為平穩(wěn)的狀態(tài)下工作，減少電源品質(zhì)因素對整個系統(tǒng)工作的影響。 因為整個系統(tǒng)工作過程中，包含單相交流電、開關電源輸出的12V直流電，開關電源輸出的+5V直流電、線性電源輸出的+3.3V直流電以及當充電樁與電動汽車相連時汽車提供的直流電。這些電源交叉在一起，使整個系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境變得復雜，容易產(chǎn)生各種干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此如上文所述，本設計中將強電部分和弱電部分分為兩

21、塊電路板，而在兩塊電路板的電源連接部分使用了隔離電源模塊來消除兩塊板之間的電源干擾，以交流充電樁的控制模塊以及各芯片處于一個與外界信號相對隔離的環(huán)境，保障控制模塊的穩(wěn)定運行。 本設計中在兩板間需要隔離的電源為+5V。本設計選用廣州金升陽科技有限公司的隔離電源模塊B0505S-3WR2。該模塊在本設計中的應用電路如圖3.6所示。B0505S-3WR2是一種定電壓輸入，隔離非穩(wěn)壓單路輸出，3W功率的DC-DC電源模塊。它是專門針對電路板上的電源系統(tǒng)中需要產(chǎn)生一組輸入電源與輸出電源相隔離的應用場合而設計的。該模塊具有較高的工作效率，效率可達80%~84%，輸出負載越高，效率越高。該模塊的隔離效果也

22、非常好，在1分鐘的測試時間，輸入和輸出間的漏電流小于1mA。 在電路設計中通常在電源模塊的輸入前加上TVS過壓器件瞬態(tài)抑制二極管，該類型二極管通常具有反應速度塊，體積小，脈沖功率大，箝位電壓低等特點，當有瞬間的較大電流和電壓通過時，可以迅速的對該信號進行泄放，從而避免對后面的電路造成沖擊，保護電路的穩(wěn)定性。因而該二極管常常用于電路板的防靜電保護。本文選用SMBJ18CA型TVS二極管用作靜電保護，其在本設計中的應用電路如圖3.7所示。 3.3 微控制器及其外圍電路設計 微控制器是整個系統(tǒng)的核心，它決定著整個系統(tǒng)在這個時間該做什么以及在某種狀況下該去做什么。它控制著電路各個部分的工作和聯(lián)系

23、，將所有的資源和信息整合在一起進行分析或處理。所以，微控制器的選擇是整個采集板電路設計的重中之重，選擇不好，則會影響整個系統(tǒng)的使用。 根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能以及各個功能模塊與微控制器之間的聯(lián)系，所需的微控制器至少滿足以下條件：至少擁有三組UART引腳；至少擁有兩組SPI引腳，至少擁有一組I2C引腳，至少有兩個AD轉換引腳。 根據(jù)上述基本條件以及對整個系統(tǒng)的性能及性價比的綜合考慮，本文設計的交流充電樁選擇NXP公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的LPC1768單片機作為整個系統(tǒng)的微控制器。 3.3.1 LPC1768單片機簡介 LPC1768 是NXP 公司推出的基于ARM Co

24、rtex-M3 內(nèi)核的微控制器，主要用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應用。LPC1768芯片的操作頻率可達100MHz，其CPU具有3級流水線和哈佛結構，因此工作效率高、速度快。 下面簡要介紹一下LPC1768芯片跟本設計相關的若干特性： (1) 4個UART、帶小數(shù)波特率發(fā)生功能、內(nèi)部FIFO、DMA支持和RS-485支持。1個UART帶有modem控制IO并支持RS-485，全部的UART都支持IrDA； (2) SPI控制器，具有同步、串行、全雙工通信和可編程的數(shù)據(jù)長度.2個SSP控制器，帶有FIFO，可按多種協(xié)議進行通信。其中一個可選擇用于SPI，并且和SPI公用中斷。SSP

25、接口可以與GPDMA控制器一起使用。 (3) 3個增強型的IIC總線接口。IIS接口，用于數(shù)字音頻輸入和輸出，具有小數(shù)速率控制功能。IIS接口可與GPDMA一起使用。IIS 接口支持3線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收或4線組合發(fā)送和接收連接，以及主機時鐘輸入輸出； (4) 4個通用定時/計數(shù)器，共有8個捕獲輸入和10個比較輸出。每個定時器都有一個外部計數(shù)輸入。 3.3.2 微控制器的資源分配 本文設計的充電樁因為要連接較多的功能部件并與之進行通信，所以要合理分配微控制器的管腳，以便提高微控制器的資源利用率，實現(xiàn)各個功能的管理和控制，本設計中微控制器的部分資源分配方案如表3.2所示，引腳分配如圖所示。

26、 3.3.2 復位電路 LPC17XX系列微控制器擁有四個復位源，分別是外部RESET復位、看門狗復位、上電復位以及掉電檢測復位。本部分硬件電路完成上電復位和外部復位。 由圖所示的復位電路是由RC振蕩器來控制RESET引腳進行復位的。RC復位電路由一個0.1uF的電容和一個10K的電阻組成。當系統(tǒng)上電時，電容兩端突然有了電壓，在這一瞬間，這個直流電對電容來說就是交流電，由于電容通交流阻直流，這時候，電容相當于短路，此時RESET引腳是低電平，然后，當電容充滿電時，RESET引腳是高電平，此時單片機就要開始從程序地址0處執(zhí)行了。整個復位完成所需的低電平時間由RC值決定。只有維持足夠長的低電平

27、時間，單片機才能夠正常復位。 3.3.3 系統(tǒng)時鐘電路 單片機剛上電時，系統(tǒng)默認選擇內(nèi)部時鐘發(fā)生器IRC進行工作的，而無需外部晶振，系統(tǒng)也能正常工作。但是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，一般選擇12M晶振作為整個系統(tǒng)的主時鐘。系統(tǒng)時鐘電路如圖3.9所示。 3.3.4 看門狗電路 看門狗，又叫watchdog，是一個定時器電路，一般有一個輸入，叫喂狗，一個輸出到MCU的RST端，MCU正常工作的時候，每隔一端時間輸出一個信號到喂狗端，給WDT清零，如果超過規(guī)定的時間不喂狗，（一般在程序跑飛時），WDT定時超過，就回給出一個復位信號到MCU，是MCU復位。防止MCU死機?？撮T狗的作用就是防止

28、程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。 本文選用的是看門狗芯片X5043。X5043是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM三種功能與一身的可控制編程芯片。該芯片減少了電路對電路板空間的要求，常常在工業(yè)控制中使用。其在本文中的應用電路如圖3.10所示。 3.4 連接檢測電路設計 連接檢測電路是交流充電樁設計的最為重要的部分之一。每次充電前和充電中，都要檢測電動汽車與充電樁之間的接口連接是否正常，若不正常則充電過程不被允許或被立即停止。所以一個穩(wěn)定可靠的連接檢測電路是進行交流充電樁設計的重要前提。 3.4.1 充電接口 充電接口是指連接供電設備與電動汽車之間的接口，由充電插頭和充電插座組成

29、。為了規(guī)范市場及方便用戶充電，國家頒布了新的電動汽車充電接口及通信協(xié)議五項國家標準。該標準規(guī)定了電動汽車充電接口的通用要求、功能定義、接口結構、參數(shù)和尺寸。交流充電接口的插頭和插座布置如圖3.11所示，交流充電接口的端子功能定義如表3.3所示。 3.4.2 控制導引電路 控制導引是充電樁和電動汽車進行連接的一個過程，它是確保充電樁和電動汽車之間安全可靠連接的關鍵。它具有充電樁和電動汽車連接的確認，識別電纜能通過的最大電流和充電樁的最大功率，監(jiān)測充電過程中的充電樁的輸出電壓以及在某些情況下緊急停止充電過程。本文設計的交流充電樁的控制導引電路采用國標中推薦的充電模式3所對應的連接方式A，如圖3

30、.12所示。 其中開關S1位于充電樁電路板上，電阻R1在充電樁上的充電接口上，電阻R2、R3和二極管D1在電動汽車的充電接口上，開關S2位于電動汽車的充電控制模塊上。 當充電樁未與電動汽車進行充電接口連接時，開關S1與+12V相連，此時監(jiān)測點1處的電壓為+12V。當電動汽車與充電樁的充電接口連接后準備充電時，充電樁內(nèi)的控制電路首先測量監(jiān)測點1的穩(wěn)定的電壓，若該點電壓為+9V，此時充電樁內(nèi)的控制電路確認電動汽車與充電樁的充電接口間的連接正常。待充電樁收到指令準備好向電動汽車充電時，其內(nèi)部的控制電路控制開關S1與PWM信號相連，此時監(jiān)測點1處的信號為峰值為+9V的PWM信號，電動汽車內(nèi)部的充電

31、控制模塊測量檢測點2處的信號從+12V的電平變成了峰值為+9V的PWM信號，此時電動汽車內(nèi)部的充電控制模塊將S2閉合。S2閉合后，檢測點1處的峰值電壓就變?yōu)榱?6V。當充電樁內(nèi)的控制電路檢測到檢測點1處的峰值電壓為+6V時，說明整個充電導引過程完成，此時充電樁的控制電路可控制交流接觸器K閉合，充電樁正式開始向電動汽車充電。 3.4.3 充電接口檢測電路 從上文可知，要想順利地完成控制導引過程，充電樁必須時刻監(jiān)控著檢測點1的狀態(tài)，即CP點的狀態(tài)。經(jīng)過分析可知，根據(jù)CP點的幅值即可判斷充電接口和電動汽車的狀態(tài)，然后可根據(jù)兩者的狀態(tài)來決定是否開始進行充電過程，所以只要測量出CP點的幅值，即可判斷

32、整個控制導引過程是否完成。因此充電口檢測電路的核心為如何準確的測量CP點的電壓且使這一過程不受外界所干擾。所以充電接口檢測電路的本質(zhì)就是設計用于可靠的檢測CP點電壓幅值的應用電路。 在本文中選用了美國德州儀器公司生產(chǎn)的運算放大器TL082C對CP點的信號進行轉換。TL082C是一種通用的J-FET雙運用算放大器，其特點有：輸入偏置電壓和偏移電流非常低；輸出沒有短路保護，輸入級具有較高的輸入阻抗，內(nèi)建頻率被子償電路，較高的壓擺率；最大工作電壓為18V。其在本設計中的應用電路如圖3.13所示。 將CP點的電壓進行轉換后，便可將轉換后的信號供微控制器測量。由前文可知，充電樁給電動汽車進行充電時各

33、種信號繁雜，容易產(chǎn)生各種干擾，所以選擇了隔離電源。而為了防止控制模塊受到干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，外部的信號不能直接與微控制器進行相連，使用要選用模塊將微控制器和外部信號進行隔離，同時還要保證微控制器能接收到正確的信號，輸出的控制信號能夠準確且快速的被所要控制模塊所接收。 綜合上文的需求，本文設計的交流充電樁選用線性光耦作為信號隔離模塊。線性光耦是一種用作模擬信號隔離的光耦器件，它能夠將光耦兩端的電流信號隔離，從而達到隔離效果，同時，與普通光耦不同，線性光耦增加了一個光接收電路用于反饋。就是說，線性光耦在信號兩端各有一個光接收電路，這兩個光接收電路都是非線性的，但是它們的非線性特性是一樣的，也

34、就意味著，通過兩者的反饋可以抵消非線性，使得光耦兩端的信號為線性的，從而達到線性隔離的目的。由此可見，線性光耦剛好能滿足本設計的需求。 3.5 監(jiān)測與保護電路設計 3.5.2 電氣防護模塊 電氣防護模塊主要用于保護人員和設備的安全，主要包括漏電保護、過欠壓保護以及過流保護等。這些功能主要是由相關保護裝置來實現(xiàn)的，其中保護裝置包括漏電保護器、浪涌保護器等。 3.5.3 緊急停止模塊 緊急停止模塊用于當充電樁或人員出現(xiàn)故障或危險時，其他保護裝置未起作用，通過人員手動的方式緊急斷開系統(tǒng)電源，保護人員和設備的安全。本文選用浙江正泰電器股份有限公司生產(chǎn)的型號為NP2-BE102的按鈕作為急停開

35、關，如圖3.18所示。 3.6 電能計量模塊設計 電能計量模塊用于測量整個充電過程中的電量消耗以及瞬時功率、瞬時電壓、瞬時電流等參數(shù)。從可靠性等方面考慮，本文設計的交流充電樁采用電能表作為電能計量模塊。 3.6.1 電能表的選型 3.6.2 DL/T645-2007協(xié)議 DDS3366D1單相電子式電能表兼容DL/T645-2007和Modbus-RTU協(xié)議，本文設計的交流充電樁采用DL/T645-2007規(guī)約。 DL/T645規(guī)約是針對電表通信而制定的通信協(xié)議，主要有兩個版本，分別是DL/T645-97和DL/T645-07，97代表是97年制定的協(xié)議，07則是2007年修正后的

36、協(xié)議，目前市場上主要是07版的協(xié)議。 該協(xié)議為主從結構的半雙工的一種通訊協(xié)議。一般情況下，電表作為一個從機，而其他與電表進行通信的模塊為主機。多個電表可以同時接到一個主機上，由于每個電表都有自己特定的地址編碼，所以在通信過程中不會發(fā)生信息的紊亂。當多個電表同時連接時，由主機發(fā)出通信請求，發(fā)送主機需要通信的電表的地址編碼來進行通信的建立，并且最終由主機來斷開這一通信連接，然后再次等待主機發(fā)送的下一個連接指令。 主機發(fā)送的指令信息由7個部分組成，包括起始符、電表的地址域、控制信息、數(shù)據(jù)部分的長度、數(shù)據(jù)部分、CS校驗碼、結束符。其具體的含義如表3.4所示。 每次主機要與電表進行通信時，會先發(fā)送

37、四個字節(jié)FEH，用以喚醒電表。所有的數(shù)據(jù)都會先發(fā)送低位字節(jié)，然后再發(fā)送高位字節(jié)。每次通信都是從主機向選擇的地址編碼所對應的電表發(fā)送請求命令開始的，被請求的電表根據(jù)命令指示做出回應。字節(jié)的校驗方式是偶校驗，而幀校驗的校驗方式為縱向信息校驗和，一旦校驗和出錯，無論是哪一個，該幀數(shù)據(jù)無效，不予處理。該規(guī)約的通信速率的標準速率為600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps。通信速率的變更過程為主機首先向電表發(fā)送連接請求，待電表應答后，向電表發(fā)送變更通信速率的請求，然后電表回復確認或否認。當主機接收到電表的確認回復后，雙方邊開始以新的通信速率進行通信。

38、 3.6.3 電能表通信電路設計 DDS3366D1單相電子式電能表配置有一個RS485通訊接口。該電能表的RS485通訊速率為1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps可設，出廠的默認速率為2400bps。該電能表通過該RS485接口與微控制器進行通訊，完成電能表參數(shù)的設置以及用電數(shù)據(jù)的上傳。該電能表的接口如圖3.20所示。 由于LPC1768單片機沒有RS485通信接口，因而要使電能表能與微控制器正常通信，就要將電能表的RS485信號轉換為微控制器可識別的信號。 RS485是一種在工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常使用的通信協(xié)議，它因接口簡單，一般只需兩根線，組網(wǎng)方便

39、，可一個主機與多個從機進行連接，傳輸距離遠，干擾能力強等優(yōu)點而受到廣泛的使用。因為RS485可以是半雙工的，所以它經(jīng)常使用在局域網(wǎng)中，使一個主機能和多個從機進行通信。RS485通信接口是一種差分信號正邏輯，若兩線之間的電壓差在+2V到+6V之間，則該狀態(tài)為邏輯狀態(tài)“1”；若兩線之間的電壓差在-6V到-2V之間，則該狀態(tài)為邏輯狀態(tài)“2”。因為其為平衡驅動器和差分接收器的組合，所以RS485的抗干擾能力很強。 本文設計的交流充電樁使用MAX3485作為RS485信號轉換的芯片，如圖所示。MAX3485是用于RS485與RS422通信的3.3V、低功耗的收發(fā)器，其引腳定義如表所示。 MAX348

40、5為半雙工通信芯片，即當本機要發(fā)送數(shù)據(jù)時，其余所以對端都不能發(fā)送數(shù)據(jù)，而本機需要接收數(shù)據(jù)時，本機不能向外發(fā)送數(shù)據(jù)；MAX3485的RS485接口電平是由A端電平減去B端電平得到的，其邏輯信號滿足RS485的信號標準；MAX3485的RS485接口信號是由芯片對DI引腳上的電平進行轉換得到的，而RO引腳上電電平是由芯片對RS485接口信號進行轉換得到的。MAX3485在本設計中的應用電路如圖3.21所示。 當微控制器處于接收模式時，引腳DE和RE都為低電平，引腳RO使能，引腳DI禁能；當微控制器要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將引腳DE和RE置為高電平，此時MAX3485處于發(fā)送模式，然后微控制器的TXD引腳

41、就可以向MAX3485發(fā)送數(shù)據(jù)了。 3.7 交易結算模塊設計 本文所設計的交流充電樁的交易結算模塊采用刷卡式方案，即通過讀寫充電卡來進行充電交易的結算。 3.7.1 充電卡的選型 目前市面上常用的支付卡片包括磁卡和IC卡。 磁卡是一種磁記錄介質(zhì)卡片，就是利用磁性載體來記錄所需的信息，常常用于身份識別或者是支付交易。但是磁卡在使用中會受到各種因素的影響而受到損壞，同時磁卡的保密性能極差，很容易被破解，從而造成財產(chǎn)損失或信息泄露。不過其價格便宜，仍然受到廣泛使用。 IC卡是將IC芯片嵌入到卡片中，而信息就存放在IC芯片中，使用專門的讀寫器就可以讀出或修改IC芯片內(nèi)的信息。IC卡根據(jù)使用

42、方式可分為接觸式和非接觸式，接觸式IC卡通過讀寫設備的觸點與IC芯片的觸點進行接觸后來進行數(shù)據(jù)的讀寫；而非接觸式IC卡是利用RFID（Radio Frequency Identification）射頻識別技術來進行讀卡器與IC卡芯片的通信的。非接觸式IC卡具有數(shù)據(jù)存儲量大、保密性能較強、使用方便、無源、非接觸、卡片的損耗低等特點，不過其價格較高。 從可靠性、安全性等多方面進行考慮，最終選擇非接觸式IC卡作為本文所設計的交流充電樁的充電卡。而常見的非接觸式IC卡包括M1卡、MF Ultra Light卡、SHC1102卡、DESFire卡、FM11RF32卡、FM11RF005M卡。從性價比以

43、及整個項目的需求進行考慮，本設計選擇了M1-S50卡作為最終的充電卡，如圖3.22所示。 M1-S50卡的數(shù)據(jù)保存期可長達10年，可改寫至少10萬次而且可以讀無限次，無需外部電源供電，自帶天線，工作頻率為13.56MHz，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。 M1-S50的部分性能如下： 1) 數(shù)據(jù)容量大：容量高達8Kbyte； 2) 擴展性好：16個扇區(qū)（Sector），每個扇區(qū)4塊（Block）（塊0~3），共64塊，按塊號編址為0~63，內(nèi)部塊互補干涉； 3) 安全性能好：每張卡有唯一序列號，共32位； 4) 抗干擾能力強：具有防沖突機制，可以多張卡片同時操作。 3.7.2 充

44、電卡讀寫模塊設計 本文采用NXP 公司的13.56MHz無接觸讀寫IC MFRC522進行充電卡讀寫模塊的設計。MFRC522是高度集成的13.56MHz的非接觸式讀寫卡芯片。此發(fā)送模塊利用調(diào)制和解調(diào)的原理，并將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協(xié)議中。該芯片支持SPI、I2C和UART接口。 該模塊的引腳及說明如表3.5所示?？梢娖渑c微控制器通信采用了I2C接口。該模塊在本設計中的應用電路如圖3.24所示。 3.8 人機交互模塊設計 本文所設計的交流充電樁主要是通過帶觸摸功能的顯示屏來進行人機交互的。一方面，顯示屏要向用戶顯示充電的各種信息及提示；另一方面，用戶通過觸摸屏向微控制器

45、發(fā)送相應的指令，從而實現(xiàn)良好的人機交互，體現(xiàn)出系統(tǒng)的可用性及用戶友好性。 3.8.1 觸摸屏的選型 從實用性、可靠性以及性價比等方面進行考慮，本文設計的交流充電樁最終選用了北京迪文科技有限公司的型號為DMT80480C070_15WT的迪文DGUS屏，如圖3.25所示。該屏為7.0英寸的工業(yè)級4線電阻式TFT觸摸屏，分辨率為800*480，預裝了DGUS軟件，方便研發(fā)人員進行快速開發(fā)。 3.8.2 DGUS屏的參數(shù)及開發(fā)流程 與傳統(tǒng)的LCM通過時序或者指令來控制顯示不同，DGUS屏采用直接變量驅動顯示方式，所有的顯示和操作都是基于預先設置好的變量配置文件來工作的。兩種不同的各種方式導致

46、用戶應用時的軟件架構和二次開發(fā)難度完全不同。 DGUS的開發(fā)體系是由DGUS屏和DGUS軟件所組成。DGUS開發(fā)體系如圖3.26所示： DGUS屏的引腳接口及定義如表3.7所示。 DGUS屏的通信接口支持RS485協(xié)議和RS232協(xié)議，本文根據(jù)實際需求選擇使用RS485協(xié)議，波特率設置為9600。 由于LPC1768單片機沒有對應的RS485引腳接口，所以DGUS屏與微控制器的通信過程中要加入轉換模塊，將DGUS屏的RS485信號轉換為微控制器能夠接受的信號。所以，此處同樣選用MAX3485作為DGUS屏與微控制器進行通信的轉換芯片。該芯片在本文的應用電路如圖3.27所示。 3.9

47、通信模塊設計 通信模塊用于實現(xiàn)充電樁充電數(shù)據(jù)與后臺管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，傳遞的通信內(nèi)容包括用戶的充電交易結算，用戶的信息修改，充電樁的實時狀態(tài)，充電過程中的電參數(shù)實時上傳，充電樁故障信息的上傳以及后臺管理系統(tǒng)更新配置等。 3.9.1 通信方式的選擇 而經(jīng)過多方面的考慮，本文選擇了深圳阿樂卡通訊公司設計的基于中興微電子的297520平臺開發(fā)的4G無線通訊模塊MZ382，如圖3.28所示。 MZ382模塊適用于GSM/EDGE/TDS-CDMA/WCDMA/LTE網(wǎng)絡，可實現(xiàn)全球漫游。MZ382模塊設計了豐富的外圍接口和強大的軟件支撐平臺，具備友好的二次開發(fā)軟硬件平臺，可以支持多種外圍設備，滿足用戶豐富的業(yè)務功能需求。該模塊具有以下主要特性： 1) GPRS/EDGE/TD-SCDMA/WCDMA/LTE 數(shù)據(jù)業(yè)務 2) 提供LCC/LGA混合接口 3) 提供友好的軟件開發(fā)接口 4) 支持豐富的外部接口 5) 單面PCB，2.5 mm超薄設計 6) 支持多種操作系統(tǒng)：Windows\Android\Linux