一種雙槍直流充電機(jī)核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

覃見吉， 耿魁偉， 左 巍

（廣州銳速智能科技股份有限公司， 廣東 廣州 511340）

0 引言

我國(guó)目前面臨嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺問題。 電動(dòng)汽車作為新型能源應(yīng)用之一，具有能源利用率高、排放無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。 大力發(fā)展電動(dòng)汽車已成為全球的趨勢(shì)。充電樁作為電動(dòng)汽車的充電設(shè)備，其相關(guān)技術(shù)的研究是電動(dòng)汽車廣泛普及的前提條件。 本文以STM32F104ZET6控制器為核心， 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了直流充電樁嵌入式控制系統(tǒng)。 首先， 設(shè)計(jì)了直流充電樁嵌入式控制系統(tǒng)的整體框架，根據(jù)直流充電樁功能需求，應(yīng)用嵌入式控制技術(shù)，搭建了系統(tǒng)硬件和軟件平臺(tái)。 其次，參照國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；從實(shí)際用戶角度考慮，選擇刷卡支付的方式完成交易結(jié)算；參照GB/T18487.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 參照GB/T 27930《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)直流輸出單元的控制； 利用人機(jī)交互技術(shù)， 從應(yīng)用程序角度出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能夠滿足用戶操作的人機(jī)交互界面。

1 直流充電機(jī)控制器技術(shù)要求

直流雙槍核心板是針對(duì)直流雙槍充電樁推出的充電控制板，軟硬件設(shè)計(jì)滿足新國(guó)標(biāo)要求，支持業(yè)內(nèi)主流廠家充電模塊通訊協(xié)議。 該產(chǎn)品采用AMR9 高性能處理器，Linux 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，穩(wěn)定性及可裁剪性強(qiáng)；可通過WEB前端對(duì)控制板進(jìn)行狀態(tài)查詢，參數(shù)設(shè)置，遠(yuǎn)程控制，充電記錄查詢，系統(tǒng)信息查看，在線升級(jí)等。 該產(chǎn)品通過連接充電模塊、絕緣檢測(cè)模塊、刷卡板，顯示屏、電能表、防雷模塊等，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車BMS 通信交互，主充電接觸器控制、同時(shí)具有計(jì)量計(jì)費(fèi)、溫度監(jiān)控、槍鎖控制、泄放回路控制、散熱風(fēng)機(jī)及急?？刂?、主充電狀態(tài)檢測(cè)、輔助電源狀態(tài)檢測(cè)、狀態(tài)指示等功能，是充電樁內(nèi)部最重要的組成部分。 另外可通過以太網(wǎng)，4G 通訊等方式，將數(shù)據(jù)傳送到云端進(jìn)行存儲(chǔ)，后臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，APP 監(jiān)控和管理。

2 直流充電機(jī)控制器系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 直流充電樁內(nèi)部架構(gòu)

直流充電樁內(nèi)部架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 直流充電樁內(nèi)部架構(gòu)

2.2 直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)

直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)

3 直流充電機(jī)控制器硬件配置接口

在NB/T 33001-2010 標(biāo)準(zhǔn)中指出， 直流充電樁基本構(gòu)成包括：功率單元、控制單元、計(jì)量單元、充電接口、供電接口及人機(jī)交互界面等。

根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的直流充電樁，早期是五花八門的，主要差別在于強(qiáng)電的各種開關(guān)、繼電器、接觸器、漏電保護(hù)器、防雷等細(xì)節(jié)不太一樣。隨著直流充電樁的普及，直流充電樁的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)逐漸雷同。 接口配置如下：①電源：AC220±20%V 1A； ②備用輸出：2 路干接點(diǎn)輸出，備用；③故障報(bào)警輸出：1 路干接點(diǎn)輸出，用于故障輸出，或控制交流輸入；④電磁鎖：2 路電磁鎖12v 輸出，可以切換12v 正負(fù)，滿足驅(qū)動(dòng)線圈或電機(jī)；⑤泄放電阻控制：2 路泄放控制輸出，用于控制泄放回路；⑥冷卻風(fēng)扇控制：充電時(shí)，控制啟動(dòng)風(fēng)扇；⑦故障指示燈：故障指示；⑧B 充電指示燈：B 充電指示；⑨A 充電指示燈：A 充電指示；⑩電源指示燈：電源指示；11○A-BMS 電源輸出：控制A 槍BMS電源輸出； 12○B(yǎng)-BMS 電源輸出： 控制B 槍BMS 電源輸出；13○A-斷路器輸出：A 槍控制DC+DC-斷路器輸出；14○B(yǎng)-斷路器輸出：B 槍控制DC+DC-斷路器輸出； 15○急停狀態(tài)：緊急停止充電按鈕狀態(tài)，開關(guān)量采集；16○A 斷路器KM1 狀態(tài)：A 斷路器KM1 狀態(tài)，開關(guān)量采集；17○A 斷路器KM2 狀態(tài)：A 斷路器KM2 狀態(tài)，開關(guān)量采集；18○B(yǎng) 斷路器KM1 狀態(tài)：B 斷路器KM1 狀態(tài)， 開關(guān)量采集； 19○B(yǎng)斷路器KM2 狀態(tài)：B 斷路器KM2 狀態(tài)，開關(guān)量采集；20○A電磁鎖狀態(tài)：A 電磁鎖的閉合或斷開狀態(tài)， 開關(guān)量采集；21○B(yǎng) 電磁鎖狀態(tài)：B 電磁鎖的閉合或斷開狀態(tài)，開關(guān)量采集； 2○A 槍溫溫度狀態(tài)：A 充電槍頭溫度開關(guān)量狀態(tài)，開關(guān)量采集；23○B(yǎng) 槍溫溫度狀態(tài)：B 充電槍頭溫度開關(guān)量狀態(tài)，開關(guān)量采集；24○備用狀態(tài)：備用開關(guān)量狀態(tài)，開關(guān)量采集；25○柜門狀態(tài)：柜門打開關(guān)閉開關(guān)量狀態(tài)，開關(guān)量采集；26○A 車CC1 信號(hào)：滿足國(guó)標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)6v、4v 的模擬量采集；27○B(yǎng) 車CC1 信號(hào)：滿足國(guó)標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)6v、4v 的模擬量采集；28○外部電源：外部控制電源輸入，用于驅(qū)動(dòng)中間繼電器，電源兼容12V 輸入；29○讀卡器USB 接口：外接ic非接觸式讀卡器，用于結(jié)算。同時(shí)用于控制器本地升級(jí)程序；30○觸摸屏：人機(jī)界面操作，單充標(biāo)配7.0 寸屏，通訊RS232。 其他可定制；31○讀卡器：外接ic 非接觸式讀卡器，用于結(jié)算；32○以太網(wǎng)：備用通訊接口，與后臺(tái)組網(wǎng)。 標(biāo)準(zhǔn)RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口；3○絕緣檢測(cè)：用于絕緣檢測(cè)，同時(shí)測(cè)量2路絕緣電阻； 34○電表： 電表地址可設(shè)， 電表接口為RS485.9600.E.8.1，協(xié)議滿足國(guó)標(biāo)DLT645-2007 的三相電表均可以使用；35○A-BMS-CAN 通訊：A 槍電池管理系統(tǒng)（bms）與控制器通訊，滿足新國(guó)標(biāo)；36○B(yǎng)-BMS-CAN 通訊：B 槍電池管理系統(tǒng)（bms）與控制器通訊，滿足新國(guó)標(biāo)；37○A-ACDC-CAN 通訊：控制器與A 槍ACDC 模塊電源can通訊，滿足多種協(xié)議，可根據(jù)客戶使用的模塊廠家定制協(xié)議；38○B(yǎng)-ACDC-CAN 通訊：控制器與B 槍ACDC 模塊電源can 通訊，滿足多種協(xié)議，可根據(jù)客戶使用的模塊廠家定制協(xié)議；39○擴(kuò)展-備用：預(yù)留接口擴(kuò)展備用；40○A-DC 測(cè)量輸入：測(cè)量A 槍車輛充電電壓；41○B(yǎng)-DC 測(cè)量輸入：測(cè)量B 槍車輛充電電壓； 42○支持GPRS 2g/3g/4g 通訊或WIFI 的硬件管腳接口集成，選配時(shí)直接插入無線通訊板卡； 43○實(shí)現(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)的硬件集成； 44○獨(dú)立的各槍的BMS 12V/24V 切換輸出口。

4 直流充電機(jī)控制器軟件配置

直流充電機(jī)充電功能實(shí)現(xiàn)靠軟件界面的操作， 目前控制器通過RS232 接口和一臺(tái)鑫瑞達(dá)7 寸觸摸屏通信實(shí)現(xiàn)功能。

（1）人機(jī)界面。①7 寸工業(yè)觸摸屏。 （可以根據(jù)要求定制10 寸12 寸屏）； ②在充電主界面直觀顯示如下數(shù)據(jù)：充電電壓、充電電流、電能量計(jì)量信息、賬戶余額、消費(fèi)金額、已充時(shí)間，各種狀態(tài)輸入；③具備電源、運(yùn)行充電、故障指示燈；④管理員參數(shù)設(shè)置，需要密碼進(jìn)入，并分多個(gè)按鈕或多級(jí)菜單菜單進(jìn)入不同類型參數(shù)的設(shè)置； ⑤顯示故障告警信息記錄最近50 條，掉電不丟失；⑥充電過程中的狀態(tài)顯示，文字提醒，防止人員誤操作；⑦人機(jī)界面友善，背景不要就是單色調(diào)。

（2）充電功能。 ①BMS 符合新國(guó)標(biāo)GBT27930.1-2016；②充電模式：定額充電、定時(shí)充電、定量充電、預(yù)約充電、自動(dòng)充滿；③充電控制方式：均充、輪充、功率自動(dòng)分配；④掉電充電記錄保存功能，充電信息掉電不丟失；⑤斷網(wǎng)充電記錄保存功能，斷網(wǎng)充電信息不丟失，網(wǎng)絡(luò)連通繼續(xù)上傳結(jié)算信息； ⑥循環(huán)記錄充電信息100 條。 掉電不丟失，可上傳后臺(tái)；⑦循環(huán)記錄異常結(jié)束充電導(dǎo)致的未結(jié)算充電信息100 條。 掉電不丟失，可上傳后臺(tái)；⑧支持刷卡啟動(dòng)充電；⑨支持掃描二維碼啟動(dòng)充電；⑩支持后臺(tái)計(jì)費(fèi)模式、本地刷卡計(jì)費(fèi)模式、本地?zé)o卡模式。

（3）保護(hù)故障告警功能。 ①交流輸入過壓、欠壓、過流、短路、漏電、防雷保護(hù)，部分保護(hù)定值可設(shè)；②充電中電磁鎖鎖定充電槍；③充電中，槍頭溫度監(jiān)控，超溫告警，停止充電；④具備急停開關(guān)，能通過手動(dòng)或遠(yuǎn)方通信指令緊急停止充電；⑤在啟動(dòng)充電時(shí)需人工確認(rèn)啟動(dòng)；⑥系統(tǒng)出現(xiàn)重要告警時(shí)，立即上報(bào)相關(guān)告警故障；⑦BMS 充電4步故障指示。

（4）支付功能。①支持非接觸式IC 卡刷卡支付，并兼容市場(chǎng)上多家主流讀卡器廠家協(xié)議；②支付手機(jī)APP 掃碼支付；③支持微信掃碼支付。

（5）計(jì)量功能：電表計(jì)量。

（6）后臺(tái)通信功能（協(xié)議可定制）。①支持以太網(wǎng)通訊（標(biāo)配）；②支持RS485 通訊（選配）；③支持RS232 通訊（標(biāo)配）；④支持GPRS 2g/3g/4g 通訊或WIFI（選配）。

（7）出廠調(diào)試功能。①出廠調(diào)試功能為出廠測(cè)試和調(diào)試人員服務(wù)， 在這個(gè)功能下可以看到四個(gè)分頁或菜單按鈕，分別為：監(jiān)控、開出、開入、模塊控制。調(diào)試人員可以通過出廠調(diào)試功能進(jìn)行控制、查看、啟停、對(duì)比；②監(jiān)控界面可以設(shè)置輸出的電壓電流，進(jìn)行啟停，該界面可顯示各種模擬量數(shù)據(jù)；③調(diào)試開出界面，包含了一些必備的開出控制， 調(diào)試人員可以在此界面測(cè)試各項(xiàng)開出接線是否完好正確；④調(diào)試開入界面，包含了一些必備的開入顯示，調(diào)試人員可以在此界面通過開關(guān)對(duì)應(yīng)的開入源， 來查看每項(xiàng)開入接線是否完好正確；⑤模塊控制界面，調(diào)試人員在此界面可以把之前配置好的每組模塊切換給每把槍，并設(shè)置好電壓電流進(jìn)行輸出， 通過這項(xiàng)操作可以判斷模塊分組是否正確，接線是否正確。

（8）功能配置菜單。 ①可配置的功能，均可開啟或者關(guān)閉；②絕緣檢測(cè)關(guān)閉，充電樁將不進(jìn)行絕緣檢測(cè)；③連接確認(rèn)關(guān)閉，充電樁不再判斷是否連接好；④手動(dòng)模式開啟，退出后再進(jìn)行充電會(huì)進(jìn)入手動(dòng)充電模式。

（9）模塊狀態(tài)菜單?？蓪?shí)時(shí)查看當(dāng)前各槍的各電源模塊的狀態(tài)，例如：各模塊的電流電壓、通訊狀態(tài)、故障狀態(tài)，各槍當(dāng)前的總電流電壓。

（10）開入開出配置菜單。 支持各開入開出的可配置功能，以應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景需求；程序邏輯上支持各開入開出的不同開啟關(guān)閉狀態(tài)，保證充電功能正常運(yùn)行。

（11）BMS 電源控制。 ①配合硬件上的各槍的BMS 12V/24V 切換輸出口，實(shí)現(xiàn)各槍的BMS 12V/24V 切換；②分為三個(gè)選項(xiàng)： 自動(dòng)識(shí)別——通過樁體與車輛BMS 的通信自動(dòng)識(shí)別使用12V 或則24V， 并在充電界面下提示當(dāng)前充電使用的是12V 還是24V； 手動(dòng)控制--在充電界面下可選擇使用12V 或則24V 給車輛BMS 充電；關(guān)閉--程序默認(rèn)使用12V 給車輛BMS 充電，并在充電界面下不可選擇12V 或則24V 給車輛BMS 充電。

圖3 直流充電機(jī)控制器軟件界面

5 結(jié)論

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車直流快充的現(xiàn)狀， 設(shè)計(jì)出了符合新國(guó)標(biāo)GB / T18487.1-2015 等5 項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車直流快速充電樁. 首先介紹了目前電動(dòng)汽車直流充電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，按照新國(guó)標(biāo)的要求，提出了充電樁控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)， 并從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)描述了有關(guān)設(shè)計(jì)。充電樁控制以STM 32F104VE單片機(jī)作為核心， 以μC/OSII 為嵌入式操作系統(tǒng)的底層控制程序，實(shí)現(xiàn)充電協(xié)議與輸出控制功能.人機(jī)交互以觸摸顯示模組為核心，基于WinCE 的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)充電計(jì)費(fèi)和操作指引功能. 改裝置在各大公交場(chǎng)站充電站穩(wěn)定運(yùn)行，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。