基于MCGS的充電控制導引功能檢測系統(tǒng)的設計

王新艷,李晶華,李藝超

(1.天津職業(yè)大學 汽車工程學院，天津 300410; 2.天津市動核心科技有限公司，天津 300240)

0 引言

隨著環(huán)境污染的加重，以及高性能電池技術、大規(guī)模集成電路等的發(fā)展，電動汽車又逐漸進入大眾視野。國內(nèi)以及美國、日本、歐洲等發(fā)達國家，政府、各大汽車公司均投入了人力、財力用于電動汽車關鍵技術的研發(fā)。充電樁作為電動汽車充電的基礎設施，市場現(xiàn)有5種充電接口標準，使得充電市場比較混亂。為了保證充電樁市場的規(guī)范性，我國制定電動汽車充電接口及通信協(xié)議國標[1-3]，以便于消費者享受電動汽車帶來的便捷。

近年來，關于交流充電樁的研究較多。文獻[4]完成了充電過程連接確認、控制導引、識別最大充電電流等實時采集功能；文獻[5]和[6]僅描述了一些設計方案與思路，未給出具體的設計方案；文獻[7]基于STM32F103RCT6的充電樁硬件電路設計，對各個硬件模塊的原理進行分析；文獻[8]設計了可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller，PLC)為控制器的交流充電控制系統(tǒng)，解決了充電電動汽車充電計費問題。上述研究對于電動汽車的充電樁的開發(fā)與生產(chǎn)提供了指導建議，但是對于交流充電供電設備的檢測卻較少。因此，在已有研究成果的基礎上，通過對國標中控制導引功能電路的研究，利用組態(tài)軟件技(Monitor and Control Generated System，MCGS)組態(tài)技術開發(fā)了上位機系統(tǒng)，以STM32F103為核心搭建車輛端充電模擬檢測裝置作為下位機，配合完成充電連接過程中控制導引功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對不同型號、版本的電動汽車交流供電設計進行檢測。通過上位機界面，可直觀地顯示被測供電設備地充電連接狀態(tài)與信號的電氣參數(shù)，也可用于交流供電設備的現(xiàn)場檢修。

1 控制導引功能檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 充電模式3連接方式C的控制導引檢測原理圖

控制導引功能檢測系統(tǒng)總體設計如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要由充電接口、邏輯門電平標準(transistor-transistor logic,TTL)轉(zhuǎn)RS485通信模塊、R2/R3電阻選擇網(wǎng)絡、觸摸屏、信號采集與處理單元組成。其中，信號采集與處理單元主要由充電連接確認(connection confirm，CC)信號采集、控制導引功能(Control Pilot，CP)信號采集、STM32F103最小系統(tǒng)等組成。軟件系統(tǒng)模塊主要有單片機數(shù)據(jù)采集與通信程序、MCGS通信驅(qū)動程序、MCGS控制策略和MCGS組態(tài)設計組成。其中，充電接口選用符合GB/T 20234.2-2015 《電動汽車傳導充電用連接裝置 交流充電接口》的車輛端七芯插座；信號采集電路用于CC和CP的變換、整形，處理為單片機可安全識別的信號；單片機負責采集信號的分析處理，并將數(shù)據(jù)打包傳送，同時還要接收上位機發(fā)送的指令驅(qū)動S2開關閉合；TTL轉(zhuǎn)RS485通信模塊負責單片機與觸摸屏之間安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸；電阻選擇網(wǎng)絡是用于模擬車輛端檢測電阻，可模擬車輛端S2閉合狀態(tài)，同時也可以切換不同阻值用于檢測控制導引信號的電路參數(shù)是否處于國標范圍內(nèi)；觸摸屏在本設計中可視為上位機，負責人機交互與檢測邏輯分析。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

充電模式3連接方式C的控制導引檢測原理如圖2所示。按照國家標準，在充電槍插入車輛插座的過程中，車輛充電模擬檢測裝置通過測量CC與PE之間的電阻值來確認當前充電連接裝置(電纜)的額定容量，同時還判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接。通過測量CP檢測點1的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號占空比確認當前供電設備的最大供電電流。在本設計中，為了判斷供電設備CP信號在檢測電阻出現(xiàn)偏差時的電路參數(shù)是否滿足國家標準，在二極管D1之前增加了CP檢測1的信號測量。信號采集模塊將這些信息通過RS485通訊傳送到上位機，上位機的組態(tài)界面將直觀地顯示當前的操作狀態(tài)與信號參數(shù)。與國標規(guī)定的電路參數(shù)的對比，若信號正確，通過指令按鈕發(fā)送S2閉合指令，單片機接收該指令并驅(qū)動S2開關閉合，將R2投入到電路連接中。供電設備監(jiān)測到檢測點1的電平變化，控制K1、K2開關閉合輸出交流220 V，輸出指示燈點亮，充電連接過程結(jié)束。

上位機還可以在充電連接過程中或者充電連接完成后，通過指令控制選擇開關的狀態(tài)，選擇不同的R3與R2的阻值，其阻值的變化會影響到供電設備的檢測點1的CP信號幅值，國標要求供電設備的CP信號在導引狀態(tài)1-3的電壓值誤差在± 0.8 V 以內(nèi)。如果超出此值，可能導致電動車輛與供電設備的誤差容限不匹配，無法進行正常充電。以此判斷CP信號的電路參數(shù)是否滿足國家標準，最終給出檢測結(jié)果。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 觸摸屏選型

基于組態(tài)軟件McgsPro開發(fā)的組態(tài)工程需要運行于昆侖通態(tài)的MCGSTPC系列嵌入式一體化工控機(簡稱觸摸屏)。其G系列的TPC1570Gi是一套以先進的Cortex-A53 4核CPU為核心的高性能觸摸屏，產(chǎn)品采用了15.6英寸(1英寸 =25.4 mm)高亮度TFT液晶顯示屏，具有良好的電磁屏蔽行，其通信接口豐富，有2路RS485、1路RS232、1路LAN。本系統(tǒng)選用RS485接口與下位機通訊。

2.2 車輛端充電模擬裝置設計

單片機采用基于ARM CortexTM-M3內(nèi)核的低功耗STM32F103單片機。芯片具有豐富的外設，具有1路區(qū)域網(wǎng)絡控制(controller area network,CAN)、支持12位ADC轉(zhuǎn)換、 3個通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART)、3路16位帶捕獲功能的定時器、時鐘頻率可達 72 MHz，完全滿足系統(tǒng)需求。

連接確認信號主要檢測充電槍的CC端與地線(protection earthing,PE)端之間的電阻值，所以需要CC信號檢測電路提供信號源，當有充電槍連接到車輛充電端口時將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值。電阻值的大小同時還代表了連接裝置(電纜)的額定容量，由于供電設備不同，CC端與PE端之間的電阻取值范圍在100～3 600 Ω之間。為滿足整個電阻值范圍內(nèi)的測量精度，由單片機根據(jù)采集的AD值的區(qū)間決定采集信號的分壓比。實現(xiàn)當采集電路在小信號時直接連接運算放大器，大信號時先分壓后連接與運算放大器，在整個電阻值范圍內(nèi)能輸出安全可靠的電壓值。

CP采集電路主要是在充電連接階段與充電過程中，對供電設備輸出的PWM波整形，使其為滿足單片機檢測端口的電平要求。準確地采集PWM信號的頻率與占空比是可靠充電的重要保障。為了提高采集電路的抗干擾性，采用RC濾波與門限電壓比較輸出的電路結(jié)構(gòu)，避免了干擾信號帶來的誤觸發(fā)。國標要求PWM信號的上升沿和下降沿時間在不帶電纜空載的情況下保持在2 μs 以內(nèi)。帶電纜并加載情況下，最大時間不超過 10 μs。因此，RC濾波電路的設計要嚴格地計算其時間常數(shù)。

由控制導引檢測原圖可知R2/R3電阻網(wǎng)絡與S2開關放置在車輛端，在充電連接階段與充電過程中，其電路結(jié)構(gòu)的變化直接影響到供電設備檢測點1的電平變化。供電設備根據(jù)檢測點1的電平變化判斷當前充電連接狀態(tài)和是否輸出交流電壓。在國標中對供電設備充電導引電路的電氣參數(shù)有準確的規(guī)定，利用選擇開關選擇不同的R2和R3阻值，根據(jù)供電設備對電氣參數(shù)變化的響應判斷其是否滿足國標要求。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 單片機程序開發(fā)

單片機的程序編寫采用了模塊化設計思想。軟件主要由主程序、外設初始化與CC信號采集、CP信號采集、串口通信數(shù)據(jù)處理等部分組成，系統(tǒng)主流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主流程圖

CC信號采集子程序通過量程的選擇，對該量程下的信號進行模數(shù)(analog to digital,AD)轉(zhuǎn)換，為獲取穩(wěn)定的AD值進行數(shù)字濾波，當前交流充電樁CC與PE線間阻值即可得出。

通過定時器及輸入捕捉功能即可計算得出PWM信號的頻率與占空比參數(shù)值，此PWM波即為CP信號。為簡化計算頻率方式，在進行定時器初始化時，時鐘配置為1 MHz，則一個計數(shù)值為1 μs，配置TIM5為上升沿捕捉方式，將中斷開啟。中斷子函數(shù)對相關寄存器進行賦值，并捕捉相鄰的兩個PWM波上升沿，以標記一個周期進行波形參數(shù)采集。

3.2 MCGS通信腳本驅(qū)動程序開發(fā)

設備窗口是MCGS系統(tǒng)與外部硬件設備間的連接紐帶，可將外部硬件設備的數(shù)據(jù)讀取至MCGS，進而對外部設備進行控制與監(jiān)控。如表1與表2所示，分別是觸摸屏與單片機的通信協(xié)議位定義。在本設計中,由于通信模塊的的數(shù)據(jù)傳輸采用獨立的通信協(xié)議，因此需自行編寫腳本驅(qū)動程序。使用如圖4所示的MCGS設備驅(qū)動開發(fā)工具，將編寫的腳本驅(qū)動安裝至“用戶定制設備”目錄下，供設備窗口選用即可。

表1 觸摸屏下發(fā)通信協(xié)議表

表2 單片機上傳通信協(xié)議表

圖4 組態(tài)軟件開發(fā)工具

3.3 MCGS功能策略腳本程序

MCGS采用如圖5所示的多線程工作方式，保證運行系統(tǒng)的高效率。充電連接過程檢測流程如圖6所示，通信驅(qū)動程序在系統(tǒng)上電后直接啟動運行，系統(tǒng)的邏輯判斷與控制在MCGS的循環(huán)策略中執(zhí)行的。圖7與圖8所示的CC與CP信號檢測流程圖中，在循環(huán)策略中不斷地將單片機傳送來的數(shù)據(jù)進行解析，并與國標中規(guī)定的狀態(tài)參數(shù)進行比較，按照充電連接的控制時序發(fā)送相應控制命令，實現(xiàn)控制導引功能檢測，完成充電連接。

圖5 多線程工作模式

圖6 充電連接過程檢測流程圖

為了檢驗充電設備的控制導引功能對不同狀態(tài)參數(shù)的響應情況，在策略窗口中還編寫了用戶策略，該策略被窗口界面的按鍵調(diào)用執(zhí)行，發(fā)送命令去控制選擇開關將不同阻值的電阻投入電路，影響檢測點參數(shù)。通過供電設備的響應情況來判斷控制導引的電路參數(shù)是否滿足國標要求。

在運行策略窗口創(chuàng)建名稱為“充電連接標準化檢測”的用戶策略。新增策略行采用腳本程序?qū)崿F(xiàn)充電設備的連接確認信號CC端與PE端之間的電阻值是否滿足國標電氣標準的判斷。因為供電設備不同，連接裝置(電纜)的額定容量不同，在不同的連接階段需要將采集的當前電阻值與國標規(guī)定的每一組參數(shù)進行比對，將比對結(jié)果進行數(shù)據(jù)保存便于測試報告調(diào)用。當測試人員在相應界面點擊選擇了“標準化檢測”按鈕，在后臺任務的腳本程序里判斷該按鈕動作，則采用調(diào)用函數(shù)!SetStgyMode(充電連接標準化檢測)調(diào)用該用戶策略。

圖7 充電連接信號檢測流程圖

圖8 控制導引信號檢測流程圖

在運行策略窗口創(chuàng)建名稱為“控制導引標準化檢測”的用戶策略。新增策略行采用腳本程序?qū)崿F(xiàn)充電設備的控制導引信號CP在不同的連接階段的電氣參數(shù)是否滿足國標的判斷。在程序里通過條件判斷的方式將當前檢測點1的電平值與不同連接階段的國標規(guī)定值進行比對，每個階段的比對是否合格通過“OK標志”數(shù)據(jù)位置“1”進行存儲。最終判斷“OK標志”是否等于0X0F判斷在整個充電連接階段CP信號的電平變化是否滿足國標要求。當測試人員在相應界面點擊選擇了“標準化檢測”按鈕，在后臺任務的腳本程序里判斷該按鈕動作，則采用調(diào)用函數(shù)!SetStgyMode(控制導引標準化檢測)調(diào)用該用戶策略。

3.4 MCGS畫面組態(tài)

控制導引功能檢測系統(tǒng)的界面組態(tài)主要有標準查詢界面、圖形化監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，故障測試界面等。標準查詢界面將國標規(guī)定的關鍵數(shù)據(jù)、充電時序圖等組態(tài)到界面里，方便技術人員隨時查詢。圖形化監(jiān)控界面設計了包含控制導引檢測原理的圖元，不同的連接狀態(tài)下采用流動塊指示信號流動路徑，充電連接過程的文字描述等。數(shù)據(jù)監(jiān)控界面主要是當前通信數(shù)據(jù)的顯示。故障測試界面主要用于故障點的設置與電阻參數(shù)的修改命令。組態(tài)好界面后需要將動畫圖元與相關變量進行關聯(lián)，設計動畫效果。

4 實驗測試

深圳巴斯巴科技發(fā)展有限公司的充電模式2控制盒是一種便攜式的電動汽車充電設備，其充電線纜也集成了控制和保護作用的控制系統(tǒng)。采用控制導引功能檢測裝置對其產(chǎn)品EVB13-001N型號的控制盒進行測試。

充電連接CC信號的測量如圖9所示，上位機顯示電阻值RC為681 Ω，對應國標查詢電阻值RC為680 Ω±3%的電纜容量為16A?？刂茖б盘朇P的PWM波的測量如圖10所示，CP的PWM頻率為1 001 Hz，占空比為21.6%，當前供電設備允許輸出的最大供電電流，按照國標計算公式：

IMAX=(D×100)×0.6=(21.6%×100)×0.6=12.96A

(1)

EVB13-001N型號的控制盒的銘牌標注采用的是國標16A交流直頭充電槍，輸出電流值為13A，PWM21.7%，與控制導引功能檢測裝置測量值一致。國標中控制導引電路的參數(shù)規(guī)定輸出頻率為1 000 Hz，誤差范圍為970～1 030 Hz; 輸出占空比誤差在1%以內(nèi)。因此，本設計的控制導引功能滿足國標要求。

圖9 上位機充電連接信號界面

圖10 上位機充電控制導引信號界面

5 結(jié)語

以MCGS組態(tài)技術搭建的電動汽車交流充電設備控制導引功能檢測系統(tǒng)，具有實時性好、速度快，運行穩(wěn)定等優(yōu)點。系統(tǒng)的人機交互方式簡單，監(jiān)控界面的動畫顯示與實際操作同步，直觀地顯示了充電連接過程的狀態(tài)變化與關鍵信號的電氣參數(shù)。其故障測試功能也可檢測當前供電設備的控制導引電路的電氣參數(shù)是否與國標規(guī)定的電氣參數(shù)相一致。經(jīng)試驗結(jié)果表明，該控制導引功能檢測系統(tǒng)適用于檢測是否符合GB/T 18487.1—2015規(guī)定的電動汽車交流供電設備，包括纜上控制與保護裝置、交流充電樁、非車載充電機等；同時也可以作為新能源汽車專業(yè)在交流充電教學過程的實訓裝置。