電動(dòng)汽車交流充電樁的研究與設(shè)計(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題與能源危機(jī)有了越來(lái)越清晰的認(rèn)識(shí)，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(gè)問(wèn)題，節(jié)能減排已經(jīng)成為的當(dāng)今世界的一個(gè)主題。而電動(dòng)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(wú)廢氣排放等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和解決環(huán)境問(wèn)題與能源危機(jī)的一種重要手段，也是汽車工業(yè)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。 一方面，全球石油資源儲(chǔ)量的稀缺性毋庸置疑，幾個(gè)大國(guó)能源緊缺問(wèn)題嚴(yán)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(jià)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(jià)格上漲期間，部分新能源汽車顯示出相對(duì)使用成本優(yōu)勢(shì)。部分消費(fèi)者為免于負(fù)擔(dān)過(guò)高的燃油費(fèi)用而放棄原本欲購(gòu)買的傳統(tǒng)車型，而選擇石油燃料消耗相對(duì)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(kāi)始加大研發(fā)和推廣的力度。各國(guó)政府也適時(shí)推出了一些優(yōu)惠政策對(duì)新能源汽車的購(gòu)買和銷售予以補(bǔ)貼，新能源汽車行業(yè)獲得了前所未有的發(fā)展良機(jī)。雖然近期石油價(jià)格受全球經(jīng)濟(jì)衰退影響出現(xiàn)嚴(yán)重下跌，但新能源汽車技術(shù)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(shì)。 另一方面，世界各國(guó)家和地區(qū)汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格?，F(xiàn)今汽車尾氣己成為組成溫室氣體的重要污染物。針對(duì)汽車污染問(wèn)題，

3、世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)針對(duì)汽車尾氣排放的標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格，而為了應(yīng)對(duì)不斷嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，各大汽車廠商目前主要采取提高傳統(tǒng)能源汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)的方法，以提高排放質(zhì)量，但技術(shù)提升的難度將會(huì)越來(lái)越大。此時(shí)，發(fā)展新能源汽車成為各大廠商的新選擇，因?yàn)樾履茉雌嚨纳a(chǎn)和使用會(huì)從根本上解決汽車尾氣排放問(wèn)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(dāng)代社會(huì)的共識(shí)。而新能源汽車中又以電動(dòng)汽車的發(fā)展最為迅速，成為各個(gè)國(guó)家重點(diǎn)的發(fā)展對(duì)象。在我國(guó)，雖然對(duì)電動(dòng)汽車的研究及推廣的時(shí)間較主要發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，但近年來(lái)在國(guó)家的大力推廣下，發(fā)展極為迅速，已經(jīng)走到了電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的第一集團(tuán)。而保障電動(dòng)汽車正常運(yùn)

4、行的充電基礎(chǔ)設(shè)施也得以快速發(fā)展，2015年，國(guó)家發(fā)展及改革委員會(huì)印發(fā)了《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）》，該指南對(duì)我國(guó)當(dāng)前的充電基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)并給了肯定，同時(shí)指出了當(dāng)前充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展過(guò)程中所存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，并預(yù)測(cè)與展望了充電基礎(chǔ)設(shè)施未來(lái)的需求以及發(fā)展方向，為我國(guó)的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施提供了發(fā)展目標(biāo)、指導(dǎo)思想與原則。該指南指出了我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀，截至2014年底,全國(guó)共建成充換電站780座，交直流充電樁3.1萬(wàn)個(gè)，為超過(guò)12萬(wàn)輛電動(dòng)汽車提供充換電服務(wù)，電動(dòng)汽車與充電樁的比例約為4:1，這顯然不能滿足當(dāng)前電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展所產(chǎn)生的需求；同時(shí)，該指南指出，

5、根據(jù)當(dāng)前的新能源推廣政策以及當(dāng)前的發(fā)展速度，到2020年，我國(guó)的電動(dòng)汽車保有量會(huì)在500萬(wàn)輛左右，而充電樁與電動(dòng)汽車的比例要達(dá)到1:1左右，這就要求在5年內(nèi)新建近500萬(wàn)臺(tái)各類充電樁，顯然這個(gè)需求是十分巨大的。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 雖然受全球經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，各國(guó)都減少了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)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(duì)研發(fā)的投入。 在美國(guó)，近幾年來(lái)，為了推廣電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦政府一直聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)和汽車廠商開(kāi)展充電基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)研究，并投資了一系列電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃項(xiàng)目，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)已基本進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段。到目前為止，充電基

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

7、高速公路附近，主要對(duì)長(zhǎng)途駕駛的電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。 在德國(guó)，Ubitricity公司正在推廣一種通過(guò)改造路燈給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的充電設(shè)施，如圖1.2所示。該充電設(shè)施只需對(duì)路燈進(jìn)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(guò)該插頭為電動(dòng)汽車充電并完成結(jié)算。相比其他充電樁近萬(wàn)元的成本，該設(shè)施只需花費(fèi)1000元左右對(duì)路燈進(jìn)行改造，并且不會(huì)增加額外的空間?，F(xiàn)階段，該公司正對(duì)柏林的近一千個(gè)路燈進(jìn)行改造以便其能作為充電樁使用，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)柏林的每一個(gè)路燈都能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車提供充電功能。不過(guò)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(chǔ)設(shè)施主要有兩個(gè)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(guò)CHAdeMO第三方認(rèn)證的充電設(shè)備生產(chǎn)商組成；另一個(gè)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(shè)立的日本充電服務(wù)公司（NCS），目的是為電動(dòng)汽車駕駛員提供一個(gè)更加方便有效的充電網(wǎng)絡(luò)，在這種模式下，NCS會(huì)承擔(dān)充電設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)成本（電費(fèi)、運(yùn)營(yíng)開(kāi)支），車企某種意義上成為充電服務(wù)的購(gòu)買方與享受方。 1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 在國(guó)家的新能源政策的推動(dòng)下，我國(guó)的充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)正在火熱的推進(jìn)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(guó)家及能源局等相關(guān)部門出臺(tái)了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并將之不斷更新。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方面，現(xiàn)

9、行的是2015版國(guó)標(biāo)，該國(guó)標(biāo)從通用要求、交流與直流、充電機(jī)與BMS通信等方面進(jìn)行了規(guī)定，同時(shí)規(guī)定了電動(dòng)汽車與充電樁的充電接口標(biāo)準(zhǔn)以及在使用中的安全防護(hù)方面的要求，從而保證整個(gè)充電流程是確定的，讓每一個(gè)充電樁都能為每一臺(tái)電動(dòng)汽車安全可靠的進(jìn)行充電；在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，主要有以下兩個(gè)：《NBT 33008.1-2013 電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范 第1部分：非車載充電機(jī)》和《NBT 33008.2-2013 電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范 第2部分：交流充電樁》，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了充電樁的充電功能、通信方式、安全防護(hù)、電磁兼容性等檢測(cè)方法和檢測(cè)要求，是充電樁投入運(yùn)營(yíng)之前必須要通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)。 截止到2

10、017年，全國(guó)公共類充電基礎(chǔ)設(shè)施約為21萬(wàn)個(gè)，私人類充電基礎(chǔ)設(shè)施約為23萬(wàn)個(gè)，而純電動(dòng)汽車的保有量約為80萬(wàn)輛，這距離2020年各類充電基礎(chǔ)設(shè)施要達(dá)到450萬(wàn)個(gè)目標(biāo)仍相距甚遠(yuǎn)。一方面，我國(guó)目前的充電基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量仍然嚴(yán)重不足，電動(dòng)汽車與充電樁的比例高達(dá)4:1，完全滿足不了電動(dòng)汽車的日常行駛需求；而另一方面，當(dāng)前充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)仍處于無(wú)序狀態(tài)，很多車主需要充電時(shí)找不到近的充電樁，而同時(shí)很多建成的充電樁卻沒(méi)有電動(dòng)汽車充電長(zhǎng)時(shí)間閑置。同時(shí)，隨著2015版的新國(guó)標(biāo)出臺(tái)，一些已經(jīng)建成的充電樁不再滿足現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，而市場(chǎng)上同時(shí)充斥著新舊國(guó)標(biāo)的充電樁與電動(dòng)汽車，這些設(shè)備之間的接口并不兼容，導(dǎo)致充電過(guò)程無(wú)法正

11、常進(jìn)行。 本文研究和設(shè)計(jì)的交流充電樁是采用單相交流電為供電電源，通過(guò)在交流充電樁控制模塊的控制下為電動(dòng)汽車進(jìn)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(dòng)汽車能夠及時(shí)且方便的進(jìn)行充電。 交流充電樁要能夠?yàn)橛脩籼峁┓奖?、快捷、安全、可靠的充電服?wù)，用戶在使用充電卡給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，操作要簡(jiǎn)潔有效，提高用戶的體驗(yàn)感；同時(shí)交流充電樁要接入后臺(tái)管理系統(tǒng)，以便后臺(tái)進(jìn)行充電數(shù)據(jù)上報(bào)、交易結(jié)算以及設(shè)備故障信息的上報(bào)，方便技術(shù)人員及時(shí)處理各種問(wèn)題，從而方便運(yùn)營(yíng)商進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)剛剛實(shí)施不到四年的情況下，2015年新標(biāo)準(zhǔn)就

12、橫空而出。因?yàn)?011版的老標(biāo)準(zhǔn)與2015版的新標(biāo)準(zhǔn)不匹配，老標(biāo)準(zhǔn)的車插在新標(biāo)準(zhǔn)的樁上，充電槍很可能會(huì)被鎖住。這就要求我們必須清晰地明確新舊國(guó)標(biāo)之間的區(qū)別。在安全性方面，新標(biāo)準(zhǔn)增加了充電接口溫度監(jiān)控、電子鎖、絕緣監(jiān)測(cè)和泄放電路等功能，細(xì)化了直流充電車端接口安全防護(hù)措施，明確禁止不安全的充電模式應(yīng)用，能夠有效避免發(fā)生人員觸電、設(shè)備燃燒等事故，保證充電時(shí)對(duì)電動(dòng)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(jié)構(gòu)與原有標(biāo)準(zhǔn)兼容，新標(biāo)準(zhǔn)修改了部分觸頭和機(jī)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(shí)現(xiàn)新供電設(shè)備

13、和電動(dòng)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(guān)系與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容，并為今后交流充電的數(shù)字通信預(yù)留拓展空間。 通過(guò)分析新舊國(guó)標(biāo)的聯(lián)系與區(qū)別、國(guó)內(nèi)外的各種產(chǎn)品以及合作企業(yè)提出的各項(xiàng)功能需求，本文設(shè)計(jì)的交流充電樁的各項(xiàng)功能與指標(biāo)如表2.1所示。 根據(jù)上述的功能需求，本文設(shè)計(jì)的充電樁系統(tǒng)的總體方案如圖2.1所示?？傮w方案主要包括四個(gè)部分：充電樁系統(tǒng)、服務(wù)器、后臺(tái)管理客戶端以及后臺(tái)管理網(wǎng)頁(yè)端。其中充電樁主要負(fù)責(zé)供用戶充電，滿足充電樁的基本功能，同時(shí)可通過(guò)無(wú)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(jié)算數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器；服務(wù)器主要將充電樁上傳的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)根據(jù)后臺(tái)管理人員

14、的請(qǐng)求向客戶端和網(wǎng)頁(yè)端提供數(shù)據(jù)；客戶端和網(wǎng)頁(yè)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(shè)計(jì)原則，如圖2.2所示，將交流充電樁分為以下幾個(gè)功能模塊：微控制器模塊，用于控制整個(gè)系統(tǒng)的功能模塊以及數(shù)據(jù)的處理；控制導(dǎo)引模塊，用于充電過(guò)程中，對(duì)充電樁和電動(dòng)汽車的連接狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)、控制導(dǎo)引充電過(guò)程的開(kāi)始及結(jié)束過(guò)程并實(shí)時(shí)監(jiān)控充電過(guò)程中的電流電壓等信息，并將信息提供給微控制器模塊，進(jìn)而控制整個(gè)充電過(guò)程；人機(jī)交互模塊，用于用戶與充電樁的交流，并進(jìn)行各種操作，展示當(dāng)前界面、充電的各項(xiàng)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(yàn)證，上報(bào)充電樁狀態(tài)信息，上報(bào)充電過(guò)程信息以及后臺(tái)對(duì)充電樁進(jìn)行參數(shù)配置及數(shù)據(jù)的更新；電能計(jì)量模塊，用于充電電流電壓的測(cè)量，以及充電電量的計(jì)算，并將數(shù)據(jù)以供給微控制器模塊，用于費(fèi)用的計(jì)算；電氣防護(hù)模塊，用于充電樁出現(xiàn)各種危險(xiǎn)情況時(shí)的緊急保護(hù)，包括水平檢測(cè)、充電溫度檢測(cè)及漏電、過(guò)流、浪涌檢測(cè)及保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，充電樁能及時(shí)斷電，保護(hù)設(shè)備安全；讀寫(xiě)器模塊，用于充電射頻卡的讀寫(xiě)，充電卡充值與充電結(jié)束時(shí)的交易結(jié)算；電源模塊，用于提供能使整個(gè)設(shè)備正常工作的電源模塊。 本文設(shè)計(jì)的交流充電樁是采用單相交流電供電的，即無(wú)論是為電動(dòng)汽車充電還是充電樁控制電路及

16、外部模塊的電源的來(lái)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(gè)系統(tǒng)的安全及防干擾，或者保護(hù)后端設(shè)備不受雷擊，浪涌或電壓尖峰破壞，強(qiáng)電部分應(yīng)和弱電部分隔離開(kāi)來(lái)，因此，在電路的設(shè)計(jì)上，為了將強(qiáng)弱電隔離，采用將強(qiáng)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(jìn)行電源模塊設(shè)計(jì)前，首先要明確本設(shè)計(jì)中各個(gè)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(shè)計(jì)的交流充電樁的各模塊的電源電壓需求如表3.1所示。 因?yàn)槭菃蜗嘟涣麟姽╇?，而控制模塊及各個(gè)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(zhuǎn)換為所需要的12V直流電。從穩(wěn)定性以及可靠性方面進(jìn)行考慮，本文選擇市場(chǎng)上現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)電源作為單相交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電的電源模塊。經(jīng)過(guò)比較，最終選擇了深圳市普德新星電源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)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(shù)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(zhuǎn)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(diǎn)，同時(shí)具有短路、過(guò)壓、過(guò)功率、過(guò)流等輸出保護(hù)功能，完全滿足本設(shè)計(jì)的需求。 在得到12V的直流電源后，還需要將其轉(zhuǎn)換為+5.0V和+3.3V的電源。關(guān)于電源模塊，通常分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源一般通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部的管子的通斷來(lái)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(lái)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是芯片體積一般較大，轉(zhuǎn)換效率不高且價(jià)格較高；而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有轉(zhuǎn)換效率高，成本較低，而外圍電路較多，輸出紋波較大。 經(jīng)過(guò)多方面的比較以及從系統(tǒng)

19、的實(shí)際需求進(jìn)行考慮，在本文中，+5.0V的電源選用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM2576-5.0開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源模塊。其在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖3.4所示。 LM2576是一種開(kāi)關(guān)型的穩(wěn)壓電源模塊，它的輸出電流可高達(dá)3A?？赏耆珴M足整個(gè)+5.0V供電系統(tǒng)的輸入要求。此外LM2576的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%以上，這減少了系統(tǒng)運(yùn)行中的一些不必要的能源損耗，有助于降低運(yùn)營(yíng)成本。它還具有較寬的輸入電壓范圍，這有助于維持整個(gè)系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性，當(dāng)輸入電壓受到外部干擾而產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，較寬的工作電壓范圍有助于減少其對(duì)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(shè)計(jì)中應(yīng)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作的影響。 因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程中，包含單相交流電、開(kāi)關(guān)電源輸出的12V直流電，開(kāi)關(guān)電源輸出的+5V直流電、線性電源輸出的+3.3V直流電以及當(dāng)充電樁與電動(dòng)汽車相連時(shí)汽車提供的直流電。這些電源交叉在一起，使整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境變得復(fù)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(shè)計(jì)中將強(qiáng)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(lái)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(gè)與外界信號(hào)相對(duì)隔離的環(huán)境，保障控制模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。 本設(shè)計(jì)中在兩板間需要隔離的電源為+5V。本設(shè)計(jì)選用廣州金升陽(yáng)科技有限公司的隔離電源模塊B0505S-3WR2。該模塊在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)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?jiǎn)温份敵觯?W功率的DC-DC電源模塊。它是專門針對(duì)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(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的。該模塊具有較高的工作效率，效率可達(dá)80%~84%，輸出負(fù)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(cè)試時(shí)間，輸入和輸出間的漏電流小于1mA。 在電路設(shè)計(jì)中通常在電源模塊的輸入前加上TVS過(guò)壓器件瞬態(tài)抑制二極管，該類型二極管通常具有反應(yīng)速度塊，體積小，脈沖功率大，箝位電壓低等特點(diǎn)，當(dāng)有瞬間的較大電流和電壓通過(guò)時(shí)，可以迅速的對(duì)該信號(hào)進(jìn)行泄放，從而避免對(duì)后面的電路造成沖擊，保護(hù)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(hù)。本文選用SMBJ18CA型TVS二極管用作靜電保護(hù)，其在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖3.7所示。 3.3 微控制器及其外圍電路設(shè)計(jì) 微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它決定著整個(gè)系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)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(gè)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(jìn)行分析或處理。所以，微控制器的選擇是整個(gè)采集板電路設(shè)計(jì)的重中之重，選擇不好，則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的使用。 根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能以及各個(gè)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(gè)AD轉(zhuǎn)換引腳。 根據(jù)上述基本條件以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能及性價(jià)比的綜合考慮，本文設(shè)計(jì)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(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的微控制器。 3.3.1 LPC1768單片機(jī)簡(jiǎn)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(yīng)用。LPC1768芯片的操作頻率可達(dá)100MHz，其CPU具有3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，因此工作效率高、速度快。 下面簡(jiǎn)要介紹一下LPC1768芯片跟本設(shè)計(jì)相關(guān)的若干特性： (1) 4個(gè)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(gè)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(zhǎng)度.2個(gè)SSP控制器，帶有FIFO，可按多種協(xié)議進(jìn)行通信。其中一個(gè)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(gè)增強(qiáng)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(jī)時(shí)鐘輸入輸出； (4) 4個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，共有8個(gè)捕獲輸入和10個(gè)比較輸出。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)外部計(jì)數(shù)輸入。 3.3.2 微控制器的資源分配 本文設(shè)計(jì)的充電樁因?yàn)橐B接較多的功能部件并與之進(jìn)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(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的管理和控制，本設(shè)計(jì)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(fù)位電路 LPC17XX系列微控制器擁有四個(gè)復(fù)位源，分別是外部RESET復(fù)位、看門狗復(fù)位、上電復(fù)位以及掉電檢測(cè)復(fù)位。本部分硬件電路完成上電復(fù)位和外部復(fù)位。 由圖所示的復(fù)位電路是由RC振蕩器來(lái)控制RESET引腳進(jìn)行復(fù)位的。RC復(fù)位電路由一個(gè)0.1uF的電容和一個(gè)10K的電阻組成。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，電容兩端突然有了電壓，在這一瞬間，這個(gè)直流電對(duì)電容來(lái)說(shuō)就是交流電，由于電容通交流阻直流，這時(shí)候，電容相當(dāng)于短路，此時(shí)RESET引腳是低電平，然后，當(dāng)電容充滿電時(shí)，RESET引腳是高電平，此時(shí)單片機(jī)就要開(kāi)始從程序地址0處執(zhí)行了。整個(gè)復(fù)位完成所需的低電平時(shí)間由RC值決定。只有維持足夠長(zhǎng)的低電平

27、時(shí)間，單片機(jī)才能夠正常復(fù)位。 3.3.3 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 單片機(jī)剛上電時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)選擇內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器IRC進(jìn)行工作的，而無(wú)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(gè)系統(tǒng)的主時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)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(gè)定時(shí)器電路，一般有一個(gè)輸入，叫喂狗，一個(gè)輸出到MCU的RST端，MCU正常工作的時(shí)候，每隔一端時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端，給WDT清零，如果超過(guò)規(guī)定的時(shí)間不喂狗，（一般在程序跑飛時(shí)），WDT定時(shí)超過(guò)，就回給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到MCU，是MCU復(fù)位。防止MCU死機(jī)?？撮T狗的作用就是防止

28、程序發(fā)生死循環(huán)，或者說(shuō)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(duì)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(yīng)用電路如圖3.10所示。 3.4 連接檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 連接檢測(cè)電路是交流充電樁設(shè)計(jì)的最為重要的部分之一。每次充電前和充電中，都要檢測(cè)電動(dòng)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(guò)程不被允許或被立即停止。所以一個(gè)穩(wěn)定可靠的連接檢測(cè)電路是進(jìn)行交流充電樁設(shè)計(jì)的重要前提。 3.4.1 充電接口 充電接口是指連接供電設(shè)備與電動(dòng)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(chǎng)及方便用戶充電，國(guó)家頒布了新的電動(dòng)汽車充電接口及通信協(xié)議五項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)汽車充電接口的通用要求、功能定義、接口結(jié)構(gòu)、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(dǎo)引電路 控制導(dǎo)引是充電樁和電動(dòng)汽車進(jìn)行連接的一個(gè)過(guò)程，它是確保充電樁和電動(dòng)汽車之間安全可靠連接的關(guān)鍵。它具有充電樁和電動(dòng)汽車連接的確認(rèn)，識(shí)別電纜能通過(guò)的最大電流和充電樁的最大功率，監(jiān)測(cè)充電過(guò)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(guò)程。本文設(shè)計(jì)的交流充電樁的控制導(dǎo)引電路采用國(guó)標(biāo)中推薦的充電模式3所對(duì)應(yīng)的連接方式A，如圖3

30、.12所示。 其中開(kāi)關(guān)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(dòng)汽車的充電接口上，開(kāi)關(guān)S2位于電動(dòng)汽車的充電控制模塊上。 當(dāng)充電樁未與電動(dòng)汽車進(jìn)行充電接口連接時(shí)，開(kāi)關(guān)S1與+12V相連，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的電壓為+12V。當(dāng)電動(dòng)汽車與充電樁的充電接口連接后準(zhǔn)備充電時(shí)，充電樁內(nèi)的控制電路首先測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的穩(wěn)定的電壓，若該點(diǎn)電壓為+9V，此時(shí)充電樁內(nèi)的控制電路確認(rèn)電動(dòng)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(zhǔn)備好向電動(dòng)汽車充電時(shí)，其內(nèi)部的控制電路控制開(kāi)關(guān)S1與PWM信號(hào)相連，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的信號(hào)為峰值為+9V的PWM信號(hào)，電動(dòng)汽車內(nèi)部的充電

31、控制模塊測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)2處的信號(hào)從+12V的電平變成了峰值為+9V的PWM信號(hào)，此時(shí)電動(dòng)汽車內(nèi)部的充電控制模塊將S2閉合。S2閉合后，檢測(cè)點(diǎn)1處的峰值電壓就變?yōu)榱?6V。當(dāng)充電樁內(nèi)的控制電路檢測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)1處的峰值電壓為+6V時(shí)，說(shuō)明整個(gè)充電導(dǎo)引過(guò)程完成，此時(shí)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(kāi)始向電動(dòng)汽車充電。 3.4.3 充電接口檢測(cè)電路 從上文可知，要想順利地完成控制導(dǎo)引過(guò)程，充電樁必須時(shí)刻監(jiān)控著檢測(cè)點(diǎn)1的狀態(tài)，即CP點(diǎn)的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)分析可知，根據(jù)CP點(diǎn)的幅值即可判斷充電接口和電動(dòng)汽車的狀態(tài)，然后可根據(jù)兩者的狀態(tài)來(lái)決定是否開(kāi)始進(jìn)行充電過(guò)程，所以只要測(cè)量出CP點(diǎn)的幅值，即可判斷

32、整個(gè)控制導(dǎo)引過(guò)程是否完成。因此充電口檢測(cè)電路的核心為如何準(zhǔn)確的測(cè)量CP點(diǎn)的電壓且使這一過(guò)程不受外界所干擾。所以充電接口檢測(cè)電路的本質(zhì)就是設(shè)計(jì)用于可靠的檢測(cè)CP點(diǎn)電壓幅值的應(yīng)用電路。 在本文中選用了美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器TL082C對(duì)CP點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。TL082C是一種通用的J-FET雙運(yùn)用算放大器，其特點(diǎn)有：輸入偏置電壓和偏移電流非常低；輸出沒(méi)有短路保護(hù)，輸入級(jí)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖3.13所示。 將CP點(diǎn)的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，便可將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)供微控制器測(cè)量。由前文可知，充電樁給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)各

33、種信號(hào)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(hào)不能直接與微控制器進(jìn)行相連，使用要選用模塊將微控制器和外部信號(hào)進(jìn)行隔離，同時(shí)還要保證微控制器能接收到正確的信號(hào)，輸出的控制信號(hào)能夠準(zhǔn)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(shè)計(jì)的交流充電樁選用線性光耦作為信號(hào)隔離模塊。線性光耦是一種用作模擬信號(hào)隔離的光耦器件，它能夠?qū)⒐怦顑啥说碾娏餍盘?hào)隔離，從而達(dá)到隔離效果，同時(shí)，與普通光耦不同，線性光耦增加了一個(gè)光接收電路用于反饋。就是說(shuō)，線性光耦在信號(hào)兩端各有一個(gè)光接收電路，這兩個(gè)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(guò)兩者的反饋可以抵消非線性，使得光耦兩端的信號(hào)為線性的，從而達(dá)到線性隔離的目的。由此可見(jiàn)，線性光耦剛好能滿足本設(shè)計(jì)的需求。 3.5 監(jiān)測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì) 3.5.2 電氣防護(hù)模塊 電氣防護(hù)模塊主要用于保護(hù)人員和設(shè)備的安全，主要包括漏電保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)以及過(guò)流保護(hù)等。這些功能主要是由相關(guān)保護(hù)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中保護(hù)裝置包括漏電保護(hù)器、浪涌保護(hù)器等。 3.5.3 緊急停止模塊 緊急停止模塊用于當(dāng)充電樁或人員出現(xiàn)故障或危險(xiǎn)時(shí)，其他保護(hù)裝置未起作用，通過(guò)人員手動(dòng)的方式緊急斷開(kāi)系統(tǒng)電源，保護(hù)人員和設(shè)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(hào)為NP2-BE102的按鈕作為急停開(kāi)

35、關(guān)，如圖3.18所示。 3.6 電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì) 電能計(jì)量模塊用于測(cè)量整個(gè)充電過(guò)程中的電量消耗以及瞬時(shí)功率、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流等參數(shù)。從可靠性等方面考慮，本文設(shè)計(jì)的交流充電樁采用電能表作為電能計(jì)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(shè)計(jì)的交流充電樁采用DL/T645-2007規(guī)約。 DL/T645規(guī)約是針對(duì)電表通信而制定的通信協(xié)議，主要有兩個(gè)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(chǎng)上主要是07版的協(xié)議。 該協(xié)議為主從結(jié)構(gòu)的半雙工的一種通訊協(xié)議。一般情況下，電表作為一個(gè)從機(jī)，而其他與電表進(jìn)行通信的模塊為主機(jī)。多個(gè)電表可以同時(shí)接到一個(gè)主機(jī)上，由于每個(gè)電表都有自己特定的地址編碼，所以在通信過(guò)程中不會(huì)發(fā)生信息的紊亂。當(dāng)多個(gè)電表同時(shí)連接時(shí)，由主機(jī)發(fā)出通信請(qǐng)求，發(fā)送主機(jī)需要通信的電表的地址編碼來(lái)進(jìn)行通信的建立，并且最終由主機(jī)來(lái)斷開(kāi)這一通信連接，然后再次等待主機(jī)發(fā)送的下一個(gè)連接指令。 主機(jī)發(fā)送的指令信息由7個(gè)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(zhǎng)度、數(shù)據(jù)部分、CS校驗(yàn)碼、結(jié)束符。其具體的含義如表3.4所示。 每次主機(jī)要與電表進(jìn)行通信時(shí)，會(huì)先發(fā)送

37、四個(gè)字節(jié)FEH，用以喚醒電表。所有的數(shù)據(jù)都會(huì)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(jī)向選擇的地址編碼所對(duì)應(yīng)的電表發(fā)送請(qǐng)求命令開(kāi)始的，被請(qǐng)求的電表根據(jù)命令指示做出回應(yīng)。字節(jié)的校驗(yàn)方式是偶校驗(yàn)，而幀校驗(yàn)的校驗(yàn)方式為縱向信息校驗(yàn)和，一旦校驗(yàn)和出錯(cuò)，無(wú)論是哪一個(gè)，該幀數(shù)據(jù)無(wú)效，不予處理。該規(guī)約的通信速率的標(biāo)準(zhǔn)速率為600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps。通信速率的變更過(guò)程為主機(jī)首先向電表發(fā)送連接請(qǐng)求，待電表應(yīng)答后，向電表發(fā)送變更通信速率的請(qǐng)求，然后電表回復(fù)確認(rèn)或否認(rèn)。當(dāng)主機(jī)接收到電表的確認(rèn)回復(fù)后，雙方邊開(kāi)始以新的通信速率進(jìn)行通信。

38、 3.6.3 電能表通信電路設(shè)計(jì) DDS3366D1單相電子式電能表配置有一個(gè)RS485通訊接口。該電能表的RS485通訊速率為1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps可設(shè)，出廠的默認(rèn)速率為2400bps。該電能表通過(guò)該RS485接口與微控制器進(jìn)行通訊，完成電能表參數(shù)的設(shè)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(jī)沒(méi)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(hào)轉(zhuǎn)換為微控制器可識(shí)別的信號(hào)。 RS485是一種在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的通信協(xié)議，它因接口簡(jiǎn)單，一般只需兩根線，組網(wǎng)方便

39、，可一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)進(jìn)行連接，傳輸距離遠(yuǎn)，干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的使用。因?yàn)镽S485可以是半雙工的，所以它經(jīng)常使用在局域網(wǎng)中，使一個(gè)主機(jī)能和多個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信。RS485通信接口是一種差分信號(hào)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?yàn)槠錇槠胶怛?qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，所以RS485的抗干擾能力很強(qiáng)。 本文設(shè)計(jì)的交流充電樁使用MAX3485作為RS485信號(hào)轉(zhuǎn)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(dāng)本機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其余所以對(duì)端都不能發(fā)送數(shù)據(jù)，而本機(jī)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，本機(jī)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(hào)滿足RS485的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)；MAX3485的RS485接口信號(hào)是由芯片對(duì)DI引腳上的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的，而RO引腳上電電平是由芯片對(duì)RS485接口信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的。MAX3485在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖3.21所示。 當(dāng)微控制器處于接收模式時(shí)，引腳DE和RE都為低電平，引腳RO使能，引腳DI禁能；當(dāng)微控制器要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將引腳DE和RE置為高電平，此時(shí)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(jié)算模塊設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的交流充電樁的交易結(jié)算模塊采用刷卡式方案，即通過(guò)讀寫(xiě)充電卡來(lái)進(jìn)行充電交易的結(jié)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(lái)記錄所需的信息，常常用于身份識(shí)別或者是支付交易。但是磁卡在使用中會(huì)受到各種因素的影響而受到損壞，同時(shí)磁卡的保密性能極差，很容易被破解，從而造成財(cái)產(chǎn)損失或信息泄露。不過(guò)其價(jià)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(xiě)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(guò)讀寫(xiě)設(shè)備的觸點(diǎn)與IC芯片的觸點(diǎn)進(jìn)行接觸后來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)；而非接觸式IC卡是利用RFID（Radio Frequency Identification）射頻識(shí)別技術(shù)來(lái)進(jìn)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(chǔ)量大、保密性能較強(qiáng)、使用方便、無(wú)源、非接觸、卡片的損耗低等特點(diǎn)，不過(guò)其價(jià)格較高。 從可靠性、安全性等多方面進(jìn)行考慮，最終選擇非接觸式IC卡作為本文所設(shè)計(jì)的交流充電樁的充電卡。而常見(jiàn)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(jià)比以

43、及整個(gè)項(xiàng)目的需求進(jìn)行考慮，本設(shè)計(jì)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(zhǎng)達(dá)10年，可改寫(xiě)至少10萬(wàn)次而且可以讀無(wú)限次，無(wú)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(dá)8Kbyte； 2) 擴(kuò)展性好：16個(gè)扇區(qū)（Sector），每個(gè)扇區(qū)4塊（Block）（塊0~3），共64塊，按塊號(hào)編址為0~63，內(nèi)部塊互補(bǔ)干涉； 3) 安全性能好：每張卡有唯一序列號(hào)，共32位； 4) 抗干擾能力強(qiáng)：具有防沖突機(jī)制，可以多張卡片同時(shí)操作。 3.7.2 充

44、電卡讀寫(xiě)模塊設(shè)計(jì) 本文采用NXP 公司的13.56MHz無(wú)接觸讀寫(xiě)IC MFRC522進(jìn)行充電卡讀寫(xiě)模塊的設(shè)計(jì)。MFRC522是高度集成的13.56MHz的非接觸式讀寫(xiě)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(shuō)明如表3.5所示?？梢?jiàn)其與微控制器通信采用了I2C接口。該模塊在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖3.24所示。 3.8 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的交流充電樁主要是通過(guò)帶觸摸功能的顯示屏來(lái)進(jìn)行人機(jī)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(guò)觸摸屏向微控制器

45、發(fā)送相應(yīng)的指令，從而實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)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(shí)用性、可靠性以及性價(jià)比等方面進(jìn)行考慮，本文設(shè)計(jì)的交流充電樁最終選用了北京迪文科技有限公司的型號(hào)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(jí)4線電阻式TFT觸摸屏，分辨率為800*480，預(yù)裝了DGUS軟件，方便研發(fā)人員進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)。 3.8.2 DGUS屏的參數(shù)及開(kāi)發(fā)流程 與傳統(tǒng)的LCM通過(guò)時(shí)序或者指令來(lái)控制顯示不同，DGUS屏采用直接變量驅(qū)動(dòng)顯示方式，所有的顯示和操作都是基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件來(lái)工作的。兩種不同的各種方式導(dǎo)致

46、用戶應(yīng)用時(shí)的軟件架構(gòu)和二次開(kāi)發(fā)難度完全不同。 DGUS的開(kāi)發(fā)體系是由DGUS屏和DGUS軟件所組成。DGUS開(kāi)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(shí)際需求選擇使用RS485協(xié)議，波特率設(shè)置為9600。 由于LPC1768單片機(jī)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的RS485引腳接口，所以DGUS屏與微控制器的通信過(guò)程中要加入轉(zhuǎn)換模塊，將DGUS屏的RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換為微控制器能夠接受的信號(hào)。所以，此處同樣選用MAX3485作為DGUS屏與微控制器進(jìn)行通信的轉(zhuǎn)換芯片。該芯片在本文的應(yīng)用電路如圖3.27所示。 3.9

47、通信模塊設(shè)計(jì) 通信模塊用于實(shí)現(xiàn)充電樁充電數(shù)據(jù)與后臺(tái)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(jié)算，用戶的信息修改，充電樁的實(shí)時(shí)狀態(tài)，充電過(guò)程中的電參數(shù)實(shí)時(shí)上傳，充電樁故障信息的上傳以及后臺(tái)管理系統(tǒng)更新配置等。 3.9.1 通信方式的選擇 而經(jīng)過(guò)多方面的考慮，本文選擇了深圳阿樂(lè)卡通訊公司設(shè)計(jì)的基于中興微電子的297520平臺(tái)開(kāi)發(fā)的4G無(wú)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(luò)，可實(shí)現(xiàn)全球漫游。MZ382模塊設(shè)計(jì)了豐富的外圍接口和強(qiáng)大的軟件支撐平臺(tái)，具備友好的二次開(kāi)發(fā)軟硬件平臺(tái)，可以支持多種外圍設(shè)備，滿足用戶豐富的業(yè)務(wù)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(wù) 2) 提供LCC/LGA混合接口 3) 提供友好的軟件開(kāi)發(fā)接口 4) 支持豐富的外部接口 5) 單面PCB，2.5 mm超薄設(shè)計(jì) 6) 支持多種操作系統(tǒng)：Windows\Android\Linux