錢建華

（常州交通技師學院，江蘇 常州 213000）

全球節(jié)能減排政策的推行，打破了傳統(tǒng)汽車能耗模式，以電動取代燃油，目前多個城市已經(jīng)開始推廣新能源汽車[1]。為了滿足此類汽車充電需求，為其配備充電樁。當前市面上應用比較多的充電樁有兩種，根據(jù)充電電流模式不同，分為直流充電和單相交流充電[2]。前者雖然充電速度較快，但是充電期間形成的沖擊電流對汽車電池使用壽命影響較大，后者雖然對電池的損傷較小，但是無法滿足高速充電需求，并且不適合大規(guī)模接入電網(wǎng)，容易引發(fā)三相不平衡問題[3]。三相交流充電樁以三相電接入電網(wǎng)，不會引發(fā)三相不平衡問題，同時對電池的影響較小，且充電速度較快，可謂是單相樁和直流樁優(yōu)點的結(jié)合體。由于車載充電機充電控制難度較大，當前尚未實現(xiàn)此項技術(shù)的應用研究，本研究嘗試選取STM32系列單片機作為核心控制器，提出一種三相交流充電樁控制系統(tǒng)研究。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

該系統(tǒng)以STM32F105VCT6作為核心處理器，對系統(tǒng)信息模塊、電能計量、電源模塊、輔助硬件設備、安全防護模塊、充電控制引導模塊加以操控，采用TTL串口通信，建立各個模塊之間的通信連接，從而實現(xiàn)充電樁現(xiàn)場作業(yè)控制[4]。其中，處理器的工作頻率為72 MHz，引腳數(shù)量為100個，符合汽車充電運行需求。一般情況下，充電運算達到1.25DMIPS時，便可以滿足大部分汽車充電效率控制需求，當前系統(tǒng)選取的核心控制器滿足該要求。如圖1所示為系統(tǒng)總體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)在核心控制器的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對各個模塊的操控。以下為各個模塊作業(yè)下實現(xiàn)的主要功能：

（1）信息采集模塊功能：利用各類裝置檢測工具采集當前作業(yè)狀態(tài)信息，作為系統(tǒng)其他功能模塊作業(yè)命令下達、狀態(tài)判斷的參考依據(jù)。其中，涉及的主要信息包括漏電信息、電磁鎖信息、輸出繼電信息等。

（2）電能計量模塊功能：以有功功率、有/無功能量、三相電流和電壓作為測算對象，通過電能計量，掌握汽車當前充電情況。

（3）電源模塊功能：為充電樁提供恒定直流電壓，從而保證系統(tǒng)作業(yè)期間電流和電壓得以穩(wěn)定。

（4）控制引導模塊功能：該模塊以充電控制時序、接口連接狀態(tài)作為控制引導對象，根據(jù)汽車電池連接充電樁狀態(tài)及下達充電操控命令情況加以控制充電模塊，同時提供引導服務。

（5）安全防護模塊功能：為人身安全和設備安全提供保障，在充電樁控制體系中增加急停開關(guān)、漏電保護設備、避雷器等。

（6）人機交互模塊功能：為了便于查看充電樁作業(yè)狀態(tài)及下達控制命令，借助無線通信模塊，將充電樁現(xiàn)場作業(yè)信息發(fā)送至管理中心計算機，為用戶提供終端服務。

（7）輔助模塊功能：為了滿足其他操控需求，在充電樁現(xiàn)場安裝觸摸屏、指示燈、讀卡器、備用接口、無線通信模塊等。

2 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的硬件開發(fā)展開探究。該系統(tǒng)的硬件設計以系統(tǒng)檢測為主，選擇控制引導狀態(tài)、三相電流和電壓作為檢測對象，根據(jù)測量結(jié)果，掌握充電樁當前作業(yè)狀態(tài)和下一步作業(yè)控制需求，配合軟件控制，實現(xiàn)高質(zhì)量新能源汽車充電控制[5]。如圖2所示為系統(tǒng)充電樁控制引導基本原理。

圖2 系統(tǒng)充電樁控制引導基本原理

根據(jù)引導連接電動汽車與充電樁接口，使得車載充電機與電網(wǎng)得以連接。而后充電樁控制端開始為車輛提供充電服務。充電期間，剩余電流保護裝置根據(jù)充電樁當前作業(yè)狀態(tài)，向用戶提供剩余電量不足提醒服務。另外，為了提高電動汽車電池充電安全性，本系統(tǒng)在車輛控制端增加了檢測點，掌握汽車電池充電實時情況。如果完成充電，或者汽車發(fā)生異常狀況，則車輛控制端斷開與充電樁的連接。

關(guān)于控制引導狀態(tài)的檢測硬件設計，按照導通引導基本原理，設計相應的檢測硬件電路?？紤]到充電樁作業(yè)時發(fā)出的信號為±12V PWM，利用電阻R1進行分壓，形成6種不同的充電電平，需要利用本系統(tǒng)硬件電路采集相關(guān)信息。該檢測電路以CP1、CP2、CP3作為信號采集端口，利用四路電壓比較器（型號LM239D），設置這3路電壓比較閾值。通過運行電壓檢測設備，將采集到的信號與閾值做比較，輸出邏輯真值排列組合，對當前充電作業(yè)狀態(tài)加以判斷。其中，比較器線路中增加了開關(guān)二極管（型號MMBD4148SE）、光電耦合器（型號TLP121），利用該裝置對信號加以隔離處理，從而改善信號的抗電磁波干擾能力、電絕緣能力。

關(guān)于三相電流和電壓的檢測硬件設計，以ATT7022EU芯片作為系統(tǒng)三相電流和電壓計量工具。由于該芯片內(nèi)部集成了數(shù)字信號處理電路，所以支持多項參數(shù)準確測量。例如，電壓有效值、各相電流、設備作業(yè)頻率等。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 新能源汽車充電樁充電控制設計

當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的充電槍頭接入汽車后，采用自動鎖止方式，控制汽車作業(yè)狀態(tài)，從而保證汽車在充電期間保持非行駛狀態(tài)。接下來通過檢測3個端口開關(guān)閉合情況、三相電壓和電流變化情況，下達相應充電控制命令。關(guān)于新能源汽車充電樁充電控制主要流程如下：

第一步：將充電箱控制端與車輛的充電控制端連接；

第二步：車輛充電控制端檢測到充電槍后，自動鎖止車輛；

第三步：判斷當前S3開關(guān)閉合情況，同時檢測CP（充電觸頭）連接情況。如果S3開關(guān)處于閉合狀態(tài)，并且3個CP充電觸頭均連接，則進入第四步，反之，繼續(xù)觀察S3開關(guān)閉合情況、CP（充電觸頭）連接情況；

第四步：連接車輛的所有接口；

第五步：檢測當前充電樁作業(yè)期間是否發(fā)出PWM信號，如果已經(jīng)發(fā)出，則進入第六步，反之，繼續(xù)檢測PWM信號；

第六步：連接充電裝置所有接口，使其滿足車輛充電需求；

第七步：自動檢測車載充電機裝置性能，如果無問題，則進入下一步，反之，對該裝置加以維修，直至裝置性能無問題；

第八步：開啟系統(tǒng)充電模式，為汽車充電；

第九步：實時監(jiān)測充電樁控制端口與汽車充電端口之間的連接情況，并獲取相關(guān)信息；

第十步：判斷當前車輛電池是否充滿，如果充電完成，則下達停止充電命令，或者根據(jù)系統(tǒng)操控命令控制充電狀態(tài)。

3.2 新能源汽車充電樁充電控制引導狀態(tài)檢測設計

本系統(tǒng)針對充電樁作業(yè)狀態(tài)的控制，根據(jù)充電電平的變化情況，下達不同的控制命令。其中，電平狀態(tài)類別有6種，通過檢測充電樁充電控制引導狀態(tài)，給予有效控制命令。關(guān)于充電樁充電控制引導狀態(tài)的檢測，以CP1數(shù)值、CP2數(shù)值和CP3數(shù)值作為判斷參數(shù)，根據(jù)數(shù)值變化，判斷當前汽車電平的狀態(tài)。以下為不同數(shù)值組合情況下的電平狀態(tài)判斷結(jié)果：

（1）CP為+12V，CP1數(shù)值為1，CP2數(shù)值為1，CP3數(shù)值為1，判定汽車電平當前狀態(tài)為“充電樁未連接”；

（2）CP為±12V PWM，CP1數(shù)值為1/0，CP2數(shù)值為1/0，CP3數(shù)值為1/0，判定汽車電平當前狀態(tài)為“充電樁未連接”；

（3）CP為+9V，CP1數(shù)值為0，CP2數(shù)值為1，CP3數(shù)值為1，判定汽車電平當前狀態(tài)為“充電樁已連接”；

（4）CP為+9V/-12V PWM，CP1數(shù)值為0，CP2數(shù)值為1/0，CP3數(shù)值為1/0，判定汽車電平當前狀態(tài)為“車輛準備就緒”；

（5）CP為+6V，CP1數(shù)值為0，CP2數(shù)值為0，CP3數(shù)值為1/0，判定汽車電平當前狀態(tài)為“車輛已就緒，開啟充電模式”；

（6）CP為+6V/-12V PWM，CP1數(shù)值為0，CP2數(shù)值為0，CP3數(shù)值為1/0，判定汽車電平當前狀態(tài)為“充電樁處于充電作業(yè)狀態(tài)”。

關(guān)于系統(tǒng)作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，采用循環(huán)取樣方法，分多次獲取數(shù)據(jù)。以CP1信號為例，設計如下采樣循環(huán)操作程序：

其他兩項CP2和CP3端口信息的采集，采用上述同樣的方法獲取，根據(jù)采集到的信息，下達充電控制命令。

4 系統(tǒng)測試分析

本次測試首先對系統(tǒng)的通信功能、安全防護功能展開測試。測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)通信滿足實時性要求，采集數(shù)據(jù)時間與接收數(shù)據(jù)時間相符，信號的實時性較高，并且安全防護性能符合系統(tǒng)開發(fā)要求。

另外，本系統(tǒng)還對系統(tǒng)充電控制作業(yè)期間的電壓與電流進行監(jiān)測，對三相電壓和電流穩(wěn)定性進行監(jiān)測。本次測試設置2個監(jiān)測點，利用系統(tǒng)分別采集A相電壓、B相電壓、C相電壓、A相電流、B相電流、C相電流數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)充電控制中電壓與電流監(jiān)測結(jié)果

表1中檢測結(jié)果顯示，監(jiān)測點1和監(jiān)測點2的三相電壓和電流較為穩(wěn)定，變化幅度非常小，皆可以使得系統(tǒng)正常為新能源汽車充電，穩(wěn)定性較高。

另外，從充電樁的充電效率來看，監(jiān)測結(jié)果顯示，本系統(tǒng)設計方案較以往設計的控制系統(tǒng)充電效率提高了12%左右，可以作為汽車充電樁控制工具。

5 結(jié)語

圍繞新能源汽車充電樁控制問題展開探究，以充電控制系統(tǒng)作業(yè)三相不平衡問題作為重點研究內(nèi)容，提出新的控制系統(tǒng)設計研究。該系統(tǒng)通過采集相關(guān)充電信息，結(jié)合電能計量結(jié)果，對汽車充電狀態(tài)加以有效控制。系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)充電控制穩(wěn)定性較高，三相電壓變化幅度±0.1 V，三相電流幅度變化±3 A。由此判斷，三相電壓和電流數(shù)值變化幅度較小，系統(tǒng)作業(yè)較為穩(wěn)定。