北方工業(yè)大學(xué)微電子系 王 超

直流快速充電設(shè)施研究

北方工業(yè)大學(xué)微電子系 王 超

針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力嚴(yán)重不足以及不能及時(shí)充電的問(wèn)題，將電力電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、CAN 總線技術(shù)及Wince系統(tǒng)應(yīng)用到電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究中。開展了無(wú)人值守的智能電動(dòng)車充電樁的現(xiàn)實(shí)依據(jù)和理論可行性分析，提出了一種電動(dòng)汽車智能充電樁的軟件設(shè)計(jì)方法和硬件結(jié)構(gòu)組成方案。本文主要簡(jiǎn)述了電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)流程、工作環(huán)境和工作原理等相關(guān)信息。同時(shí)介紹了電動(dòng)汽車充電樁在未來(lái)的發(fā)展前景與目前的狀況。

電動(dòng)汽車；充電樁；Wince； 智能監(jiān)控

1.背景

在電動(dòng)汽車快速發(fā)展的同時(shí)，作為電動(dòng)汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈上的重要組成部分，電動(dòng)汽車充電設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，不斷發(fā)展。許多發(fā)達(dá)國(guó)家的政府和汽車制造商都致力于電動(dòng)汽車技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。由于技術(shù)發(fā)展的限制，我國(guó)進(jìn)入電動(dòng)汽車充電技術(shù)的研究領(lǐng)域晚于國(guó)外，但是近年來(lái)得益于相關(guān)的扶持政策，以及高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的合作，目前電動(dòng)汽車充電技術(shù)已取得了一定的突破，電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)也呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)頭。

2.電動(dòng)汽車充電樁總體設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電樁數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以國(guó)家電網(wǎng)電動(dòng)汽車充電樁企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。充電樁數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、刷卡消費(fèi)、計(jì)量、安全防護(hù)、照明等基本功能。

圖1 充電樁硬件結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)汽車充電樁的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由主控板和Wince控制系統(tǒng)、打印機(jī)、讀卡器、電能表、急停按鈕、充電連接器、電涌保護(hù)器、斷路器等外接設(shè)備組成，充電樁的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Wince控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作和充電管理功能，其為一個(gè)ARM10的主控板，在其中燒錄編寫的程序從而實(shí)現(xiàn)對(duì)部分外圍設(shè)備的控制和主控板的通訊。Wince控制系統(tǒng)外接設(shè)備主要由打印機(jī)、讀卡器、電能表和移動(dòng)通訊模塊等組成，從而實(shí)現(xiàn)充電樁的人機(jī)交互、刷卡消費(fèi)、計(jì)量、打印等基本功能及保證電動(dòng)汽車充電樁的正常安全運(yùn)行。微型打印機(jī)、數(shù)字電表、IC讀卡器、移動(dòng)通訊模塊與Wince控制系統(tǒng)連接。主要功能是顯示運(yùn)行信息和接收用戶操作命令，實(shí)現(xiàn)自助充電功能。交易結(jié)算單元主要是對(duì)用戶的充電電量、交易金額、交易信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，采用IC卡技術(shù)，為用戶提供便捷的支付手段和有效的身份認(rèn)證管理;數(shù)字電表采用電能計(jì)量單元由單相電能計(jì)量模塊實(shí)現(xiàn)，通過(guò)通信接口向微處理器發(fā)送充電樁運(yùn)行過(guò)程中的電壓、電流、電量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)。

主控板主要實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程控制和充電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作用，以微處理器為核心，對(duì)充電樁的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)外圍設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)充電樁的運(yùn)行管理。主控板主要外接設(shè)備有監(jiān)控板、電池管理系統(tǒng)、按鍵顯示系統(tǒng)等。

監(jiān)控板與主控板進(jìn)行連接，通過(guò)DA控制充電電壓和電流按照設(shè)定參數(shù)輸出；通過(guò)AD數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)采集工作時(shí)的溫度、充電電壓、電流以及一些故障信息，進(jìn)行收集與分析，并反饋給系統(tǒng)，根據(jù)信息發(fā)布指令進(jìn)行充電。指示燈安裝在充電樁的前面板，采用不同發(fā)光顏色的燈指示充電樁當(dāng)前的工作狀態(tài),對(duì)用戶在使用充電樁時(shí)提供運(yùn)行狀態(tài)指示。

3.主控板設(shè)計(jì)

主控板主要實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程控制和充電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作用，以微處理器為核心對(duì)充電樁的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)外圍設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)充電樁的運(yùn)行管理。主控板主要外接設(shè)備有監(jiān)控板、電池管理系統(tǒng)、按鍵顯示系統(tǒng)等。

圖2 STM32電路圖

圖3 ADC電路圖

微處理器系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖2所示，以STM32處理器為核心設(shè)計(jì)一塊獨(dú)立的充電樁控制板。在控制板上設(shè)計(jì)有排針、排座和DP9式的接口，方便與外圍功能設(shè)備連接。

本充電樁具有兩路A/D轉(zhuǎn)換和一路D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)行電壓電流以及溫度等相關(guān)量的采集，傳送給上位機(jī)。選擇的芯片是TLV6538，它是一個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接連接。每次傳輸數(shù)據(jù)由16位數(shù)據(jù)組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖4 CAN總線圖

為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信和多個(gè)模塊串并聯(lián)時(shí)的相互通信，本系統(tǒng)加入串口和CAN通信，具體電路如圖4所示。

圖5 軟件流程圖

4.控制板軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是采用STM32F103VBT6芯片, ST公司給出了該單片機(jī)底層庫(kù)和豐富的例程，在使用時(shí)只要調(diào)用需要的庫(kù)函數(shù)即可，這樣既方便使用又可避免底層程序的BUG，本系統(tǒng)總流程如圖5所示。

5.總結(jié)與展望

本文根據(jù)功能的需求設(shè)計(jì)出了一款基于wince的電動(dòng)汽車充電樁。經(jīng)過(guò)精心調(diào)整測(cè)試使整體的軟、硬件功能均能達(dá)到要求。并且在最后的實(shí)際測(cè)試中達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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