電動(dòng)車交流充電樁設(shè)計(jì)

周濠　徐福勝

摘 要：簡(jiǎn)要介紹電動(dòng)汽車交流電樁的技術(shù)研究，研發(fā)一種新型的交流充電樁。提出完整的設(shè)計(jì)技術(shù)方案，并提出交流充電樁的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)包括人機(jī)交互、充電控制、計(jì)量收費(fèi)、票據(jù)打印、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充電保護(hù)等多種完善的功能，滿足充電過(guò)程的要求。

關(guān)鍵詞：交流充電樁 TMS32F2812 充電樁

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-125-02

隨著全球能源危機(jī)的不斷加深，地碳經(jīng)濟(jì)也成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，電動(dòng)汽車將最為我國(guó)新能源戰(zhàn)略的的重要組成部分，我國(guó)政府及汽車產(chǎn)業(yè)普遍認(rèn)識(shí)帶節(jié)能和減排將是未來(lái)汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向，發(fā)展電動(dòng)汽車則是重中之重，也是汽車工業(yè)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，環(huán)境和氣候變化的挑戰(zhàn)，保持可持續(xù)和諧發(fā)張的最佳途徑。電動(dòng)汽車是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，交流充電樁就是其中一項(xiàng)重要的部分，因此開(kāi)發(fā)該產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景，必將給社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)務(wù)院辦公廳公布的《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》中提出，未來(lái)三年我國(guó)計(jì)劃“形成50萬(wàn)輛純電動(dòng)車、充電式混合動(dòng)力和普通型混合動(dòng)力等新能源汽車產(chǎn)能，新能源汽車銷量占乘用車銷售總量5%作用”。根據(jù)當(dāng)前我國(guó)電動(dòng)汽車的發(fā)展情況以及對(duì)電動(dòng)汽車充電站的需要，本文提出了一種基于dsp的電動(dòng)汽車交流充電樁設(shè)計(jì)方案。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以其高速的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源以及功耗低等特點(diǎn)，已在控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。本文以HDSP-Core2812作為核心控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用PWM控制技術(shù)，利用智能模塊設(shè)計(jì)一種電動(dòng)車交流充電樁系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

1 交流充電樁的控制原理

電動(dòng)汽車交流充電樁是一種輔助設(shè)備，與交流電網(wǎng)鏈接在一起，專門為電動(dòng)汽充電機(jī)提供電源的供電裝置，并具備相應(yīng)測(cè)控保護(hù)功能的專用裝置，功率一般不大于 7kW。

充電樁應(yīng)具備以下功能：提供友好的人機(jī)操作界面，進(jìn)行相應(yīng)的控制操作、計(jì)量計(jì)費(fèi)、和通信管理的電動(dòng)汽車專用交流供電裝置。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格考慮了交流充電樁的實(shí)用性、安全性、智能化和可靠性。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，它呈現(xiàn)了一些參與者和一些用例，以及它們之間的關(guān)系，主要用于對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類的功能行為進(jìn)行建模。用流程圖展示了系統(tǒng)工作的原理以及同用例參與者之間是怎樣相互聯(lián)系的。

充電樁的正常運(yùn)行如本圖1的運(yùn)行流程圖。設(shè)備上電后，通過(guò)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)入工作狀態(tài)，用戶使用時(shí)，若操作不合法或校驗(yàn)不通過(guò)，則重新刷卡。若操作合法，則顯示器上顯示用戶信息，保護(hù)查詢余額。賬號(hào)明細(xì)等；用戶正確連接后，選擇充電模式既按電量充電，按時(shí)間充電，按金額充電和自動(dòng)充電進(jìn)行充電，計(jì)費(fèi)表開(kāi)始上傳直到用戶結(jié)束充電。同時(shí)，在充電過(guò)程中，DSP實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)并顯示相關(guān)信息，判定充電結(jié)束或用戶定義的任務(wù)完成后則結(jié)束充電，另外，在充電過(guò)程中，用戶可隨時(shí)結(jié)束充電過(guò)程。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP控制系統(tǒng)用于實(shí)施監(jiān)控交流充電樁的運(yùn)行，并通過(guò)人際交互界面向用戶提供人工接口。整個(gè)系統(tǒng)按不同的功能科劃分為人機(jī)交互單元，控制單元，計(jì)量單元，安全防護(hù)單元組成。其中，人機(jī)交互單元其中：樁體、LCD觸摸屏、讀卡模塊、充電插頭；控制單元主要包括：主監(jiān)控與輔助模塊；計(jì)量單元為電能表；安全防護(hù)單元包括；漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、防倒開(kāi)關(guān)以及急停開(kāi)關(guān)、過(guò)壓保護(hù)功能、欠壓保護(hù)。人機(jī)交互單元主要用于充電樁的工作信息顯示和控制參數(shù)的輸入，控制單元式系統(tǒng)的核心，控制充電樁的運(yùn)行，計(jì)量單元用于計(jì)、量所用電能，安全防護(hù)單元主要用于系統(tǒng)的安全保護(hù)。

3 硬件構(gòu)成

本產(chǎn)品主要采用微電子技術(shù)，采用TI公司的高速數(shù)據(jù)處理器DSP（TMS320F2812）作為主控芯片，結(jié)合強(qiáng)大的外設(shè)功能（包括威倫通的人機(jī)界面、微型打印機(jī)、非接觸式IC卡讀卡裝置、多功能智能電能表等）完成計(jì)量收費(fèi)、安全保護(hù)、系統(tǒng)通訊等功能。為此，需要一些基礎(chǔ)的電氣試驗(yàn)和測(cè)量器材和設(shè)備，以及相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的相關(guān)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

在上述研究的基礎(chǔ)上我們對(duì)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，硬件設(shè)計(jì)完成后應(yīng)具備以下功能：

3.1 計(jì)量功能

充電樁應(yīng)為計(jì)量表計(jì)預(yù)留電氣接口和安裝空間，計(jì)量表計(jì)應(yīng)采用電子式有功電能表。電能表的通訊規(guī)約應(yīng)符合DL/T 645-1997或DL/T 645-2007，電能表有功計(jì)量精度不低于1級(jí)。充電樁應(yīng)能通過(guò)RS485/RS232總線讀取在充電前后電能表的電量止度，結(jié)合用戶選用的充電模式計(jì)算出相關(guān)數(shù)據(jù)（包括電能使用量、消費(fèi)金額、充電時(shí)間等等），并將該數(shù)據(jù)上傳給后臺(tái)系統(tǒng)存儲(chǔ)顯示。

3.2 人機(jī)交互界面功能

（1）具有液晶屏顯示，顯示面積應(yīng)大于3.2寸；

（2）具有運(yùn)行狀態(tài)指示燈，能對(duì)應(yīng)顯示交流充電樁各狀態(tài)下的相關(guān)信息；

（3）具有查詢功能，可通過(guò)人機(jī)操作界面進(jìn)行相關(guān)信息查詢；

（4）查詢余額：使用普通卡能夠在充電樁上查詢用戶賬戶內(nèi)的剩余金額；

（5）查詢里程：使用里程卡能夠在充電樁上查詢用戶賬戶內(nèi)的剩余里程；

（6）消費(fèi)明細(xì)查詢：充電樁應(yīng)采用LCD顯示屏，能夠顯示用戶最近一次充電的時(shí)間、金額（普通卡）、里程（里程卡）、電量等信息；

（7）具有不同充電服務(wù)選擇，交流充電樁能顯示各種充電模式，并進(jìn)行充電服務(wù)，充電樁應(yīng)具有以下多種充電模式：

模式1：定電量充電，即在人機(jī)界面上輸入所需電量，充電樁開(kāi)始充電直到達(dá)到電量設(shè)定值。

模式2：定時(shí)間充電，即在人機(jī)界面上輸入設(shè)定時(shí)間，充電樁開(kāi)始充電直到達(dá)到時(shí)間設(shè)定值。

模式3：自動(dòng)（充滿為止）充電，即在人機(jī)界面上選擇自動(dòng)充電，充電樁會(huì)開(kāi)始充電直到用戶手動(dòng)結(jié)束充電為止。

顯示的字符應(yīng)清晰、完整，沒(méi)有缺損現(xiàn)象，不依靠環(huán)境光源即可辨認(rèn)。鍵盤能正常輸入，并拌有按鍵聲。

在充電過(guò)程中，充電樁顯示時(shí)間（已充電時(shí)間、剩余時(shí)間等）、電量（已充電電量、待充電電量）等信息。充電結(jié)束后，充電樁顯示用戶的用戶號(hào)、剩余金額、剩余里程、本次充電金額等信息。

3.3 非接觸式IC卡功能

交流汽車充電樁配備非接觸式IC卡讀卡裝置，能夠識(shí)別符合ISO 14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡。用戶能夠在交流充電樁完成充電等各項(xiàng)功能。

3.4 通訊功能

交流充電樁能利用CAN總線技術(shù)完成與BMS和集中器的通訊，以及和人機(jī)界面、智能電能表、IC卡模塊、微型打印機(jī)的實(shí)時(shí)在線通訊。

3.5 安全防護(hù)功能

充電樁應(yīng)具備急停開(kāi)關(guān)。按下急停開(kāi)關(guān)后，應(yīng)能立刻切斷充電樁內(nèi)整個(gè)供電回路的電源。充電樁應(yīng)具備平衡開(kāi)關(guān)。充電樁在受外力（如被汽車撞斷）破壞時(shí)，應(yīng)能立刻切斷充電樁內(nèi)整個(gè)供電回路的電源。

安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括充電電纜的控制導(dǎo)引單元、緊急停止單元、電氣防護(hù)及靜電防護(hù)單元，傾斜保護(hù)單元。

電氣防護(hù)單元能夠通過(guò)斷路器、漏電保護(hù)裝置、電涌保護(hù)裝置等相關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)、漏電保護(hù)、防雷擊功能。靜電防護(hù)功能主要從接地和電路抗靜電放電（ESD）設(shè)計(jì)兩方面著手。

3.6 故障及報(bào)警功能

充電樁在工作過(guò)程中，出現(xiàn)故障，充電樁應(yīng)能及時(shí)作出故障報(bào)警動(dòng)作。充電樁控制器應(yīng)具有自檢功能，自檢程序應(yīng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)部和外部電路或通訊通道，確保充電樁可靠工作，當(dāng)自檢程序發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或故障時(shí)，應(yīng)能立刻做出故障報(bào)警動(dòng)作。

4 結(jié)論

該交流充電樁具有豐富的系統(tǒng)功能，電動(dòng)汽車充電樁，由于其體積小，容易建設(shè)，方便可靠的特點(diǎn)，可方便的安裝于小型服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)、停車場(chǎng)、街道邊、居民小區(qū)等地。用戶在較長(zhǎng)時(shí)間停放車輛時(shí)，可使用充電樁進(jìn)行充電。在我國(guó)大力發(fā)展純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)背景下，交流充電樁將成為消費(fèi)者主要的充電選擇之一，具有很大的市場(chǎng)價(jià)值，可以彌補(bǔ)企業(yè)此塊的空白，為企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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