基于STM32 的可級(jí)聯(lián)交流充電樁設(shè)計(jì)

馬麗娟

（西安外事學(xué)院工學(xué)院，陜西 西安 710077）

截止2019 年底，中國(guó)電動(dòng)自行車保有量達(dá)到3億量。每年電動(dòng)自行車在樓內(nèi)充電引起的火災(zāi)日益增多，嚴(yán)重危害了居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。可室外安裝的便于操作的交流充電樁需求日益增大，現(xiàn)有的充電樁都是固定通道數(shù)量的產(chǎn)品[1]，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)級(jí)聯(lián)及數(shù)量的擴(kuò)充，應(yīng)用不便。因此，一種易于安裝和擴(kuò)展、安全性高、成本較低的新型交流充電樁的開發(fā)顯得迫在眉睫。文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32 控制器和CAN 總線的交流充電樁，可以方便實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，容易滿足不同場(chǎng)合對(duì)充電樁數(shù)量的不同需求，且每通道都有獨(dú)立的安全保護(hù)，適用于社區(qū)、廠房、商業(yè)廣場(chǎng)等不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 充電樁硬件組成與原理

可級(jí)聯(lián)充電樁由主控單元、充電單元、通信線路、供電線路組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 充電樁總體結(jié)構(gòu)

主控單元和充電單元間采用CAN 總線方式[2]進(jìn)行通信，每個(gè)充電單元作為一個(gè)CAN 總線節(jié)點(diǎn)，在一定范圍內(nèi)可以自由地增加或減少充電單元的數(shù)量，通過級(jí)聯(lián)可以滿足不同場(chǎng)合對(duì)不同充電通道數(shù)量的需求。新增充電單元只需通過串口向充電單元發(fā)送其編碼來配置不重復(fù)的通道號(hào)即可將其連入系統(tǒng)，通道擴(kuò)展非常方便。

1.1 主控單元

主控單元是AC220V 總供電入口，內(nèi)部帶有漏電保護(hù)、開關(guān)電源、電源系統(tǒng)、STM32、EEPROM、4G模組、撥檔開關(guān)、按鍵及LED、時(shí)鐘復(fù)位電路、CAN 接口轉(zhuǎn)接輸出，其組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主控單元組成結(jié)構(gòu)

主控單元通過4G 模組接收服務(wù)端指令[3]，用于啟動(dòng)或結(jié)束某通道的充電過程，并通過4G 模組上傳當(dāng)前充電狀態(tài)，包括總通道數(shù)量、當(dāng)前占用通道、在用通道功率、充電時(shí)間、故障信息、某通道充電器插拔信息等。

主控單元內(nèi)部采用STM32F103 系列微控制器作為核心控制器件，實(shí)現(xiàn)與充電單元的通信及控制。其內(nèi)部自帶的FLASH 和RAM 可在不外接存儲(chǔ)器的條件下直接工作，減小了電路板體積，并節(jié)約資源與成本[4]。

EEPROM 用來保存服務(wù)器發(fā)送的配置信息，包括設(shè)備編號(hào)、上限功率、充電器移除后的等待時(shí)間、最大充電時(shí)間[5]等。

時(shí)鐘復(fù)位電路選用DS1302 芯片實(shí)現(xiàn)，每天通過4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次對(duì)時(shí)，以保證各充電單元充電通道開始、結(jié)束時(shí)間的準(zhǔn)確性。

撥檔開關(guān)用來設(shè)置充電樁的通道數(shù)量，根據(jù)CAN 總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求，在保證通信絕對(duì)可靠性的前提下，該充電樁最大可支持128 通道充電數(shù)量。

按鍵及LED 用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)置最大通道數(shù)量、維保操作、上線下線控制等。

CAN 接口用來實(shí)現(xiàn)主控單元和充電單元的通信。STM32F103 自帶CAN 總線控制器，外接SN65HVD230D 型基于3.3 V 供電的CAN 收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的CAN 通信[6]。微控制器的CAN 通信電路如圖3 所示。

圖3 CAN總線接口電路

為保證CAN 總線通信的穩(wěn)定性及抗干擾性能，圖3 中SN65HVD230D 芯片電源加入了電感和電容進(jìn)行濾波，同時(shí)在該芯片輸出端加上了TVS 二極管P6KE6.8CA 進(jìn)行保護(hù)，總線輸出回路中串入了自恢復(fù)保險(xiǎn)WH250-120 進(jìn)行過流保護(hù)，還加入了共模電感WCM3216-222T，用于對(duì)總線進(jìn)行濾波保護(hù)[7]。

STM32 通過4G 模組接收服務(wù)器端的控制命令后，經(jīng)過解析后通過CAN 總線傳輸?shù)蕉鄠€(gè)充電單元的CAN 節(jié)點(diǎn)，各充電單元根據(jù)自身地址編碼讀取CAN 信息后進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)充電的啟停，并將充電過程的狀態(tài)信息通過CAN 總線再傳輸給主控單元[8]。

1.2 充電單元

充電單元通過CAN 總線接收主控單元的控制命令，實(shí)現(xiàn)充電過程的啟?？刂疲⒂?jì)算充電功率、判斷充電器是否插入或拔出以及電路是否故障、顯示充電時(shí)間等?；诔杀究刂?，每個(gè)充電單元管理兩路充電通道，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 充電單元硬件組成

充電單元除了通過光耦驅(qū)動(dòng)電路來控制繼電器實(shí)現(xiàn)充電插座的供電外，還要通過電壓檢測(cè)電路檢測(cè)繼電器輸出端是否有電壓[9]，以確保充電無誤，并判斷繼電器是否損壞。電壓檢測(cè)電路如圖5 所示。

圖5 電壓檢測(cè)電路

圖5 中，利用二極管IN4007 實(shí)現(xiàn)半波整流，通過R1限流，利用TLP521-1 光耦實(shí)現(xiàn)隔離，輸出端V1_IN 接STM32 的GPIO 引腳，通過程序判斷即可實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)[10]。該電路僅實(shí)現(xiàn)交流電壓的有無檢測(cè)，不計(jì)算具體值。

電流檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)充電負(fù)載精準(zhǔn)電流值測(cè)量[11]，以計(jì)算充電功率，如圖6 所示。

圖6 電流檢測(cè)電路

由于STM32的AD轉(zhuǎn)換器量程為電源電壓(3.3 V)，因此要實(shí)現(xiàn)交流電流的測(cè)量，需要將交流電流通過穿線式電流互感器變換成在0～3.3 V 范圍的信號(hào)。故在圖6 中，利用R4和R5實(shí)現(xiàn)分壓并經(jīng)運(yùn)放U1 跟隨產(chǎn)生1.65 V 的基準(zhǔn)電壓(Vref_1.65V)，該基準(zhǔn)電壓一端接互感器T1，T1 的另一端接電阻R5后產(chǎn)生交變電壓信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入STM32 的ADC0 通道，利用ADC0 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后經(jīng)均方根算法實(shí)現(xiàn)交流電流的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 充電樁程序設(shè)計(jì)

2.1 主控單元程序設(shè)計(jì)

主控單元的功能是通過4G 接收服務(wù)器端控制命令，并將充電單元的狀態(tài)返回給服務(wù)端，主要完成報(bào)文解析、通信轉(zhuǎn)發(fā)、狀態(tài)暫存、配置信息存儲(chǔ)等業(yè)務(wù)[12]，其流程圖如圖7 所示。

圖7 主控單元程序流程圖

主控單元上電初始化后，重點(diǎn)是通過4G 網(wǎng)絡(luò)建立與服務(wù)器的連接，也就是上線通知，告訴服務(wù)端設(shè)備編號(hào)及通道數(shù)量等信息[13]，便于服務(wù)端管理。同時(shí)，從服務(wù)端獲取配置信息，如單位價(jià)格的充電時(shí)長(zhǎng)、插頭拔掉后多長(zhǎng)時(shí)間斷電、允許的最大功率、保護(hù)功率等。

2.2 充電單元程序設(shè)計(jì)

充電單元要完成CAN 通信、繼電器控制、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)（功率計(jì)算）等功能，其程序流程如圖8所示。

圖8 充電單元程序流程圖

初始化部分需通過撥檔開關(guān)確定兩通道的通道號(hào)，并初始化AD 轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、CAN 總線控制器、LED 顯示器等。

功率計(jì)算主要是計(jì)算充電電流[14]，采用定時(shí)器定時(shí)200 μs，并采用中斷方式，每隔200 μs 采樣ADC通道，這樣在交流電的一個(gè)周期20 ms 內(nèi)可采樣100個(gè)點(diǎn)。為保證計(jì)算精度，連續(xù)采樣5 個(gè)周期即500 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再利用均方根算法計(jì)算交流電流有效值[15]，計(jì)算時(shí)注意不同電路引起的系數(shù)不同[16]。

充電單元兩通道電流值的計(jì)算代碼如下：

為保證采樣和計(jì)算的連續(xù)性，用兩個(gè)二維數(shù)組保存500 個(gè)采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算其中一組數(shù)據(jù)的均方根時(shí)，另一組繼續(xù)用于存儲(chǔ)采樣值。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，繼電器剛接通瞬間，由于充電器的瞬間接入，電流值的計(jì)算會(huì)有跳躍，從而造成計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，因此實(shí)際電流的選取要避過該階段。表1 列舉了該方案中不同實(shí)際電流情況下的測(cè)量值。

表1 電流實(shí)際值與測(cè)量值比較

從表1 中可以看出，選用的是量程為5 A 的電流互感器，當(dāng)電流過小時(shí)，經(jīng)過互感器后的波形幅值太小，導(dǎo)致測(cè)量精度不高。但是常見電動(dòng)車的充電器功率范圍在130～650 W 之間，也就是電流范圍在0.6～3 A 之間，因此，該低成本的電流采樣設(shè)計(jì)完全可以滿足實(shí)際需要。

2.3 主控單元與充電單元通信協(xié)議設(shè)計(jì)

主控單元通過CAN 總線與各充電單元通信，轉(zhuǎn)發(fā)充電命令，接收充電過程數(shù)據(jù)。主控單元ID 設(shè)為0x555，所有充電單元ID 都設(shè)為0x666，每個(gè)充電單元用通道號(hào)來區(qū)分。

CAN 總線每次發(fā)送最大字節(jié)數(shù)為8，主控單元發(fā)送的啟停命令格式見表2。

表2 主控單元控制命令格式

充電單元返回給主控單元的數(shù)據(jù)格式見表3，每條報(bào)文最多6 字節(jié)，其中字節(jié)0 總是充電單元自身的通道號(hào)。

表3 充電單元返回?cái)?shù)據(jù)格式

表3 中充電停止原因定義如下：1 表示時(shí)間到；2 表示充滿；3 表示拔出時(shí)間到；4 表示過載；5 表示故障；6 表示APP 命令結(jié)束。

3 結(jié)束語

基于STM32 及CAN 總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可級(jí)聯(lián)交流充電樁，在128 通道范圍內(nèi)可靈活配置，適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)加入電壓檢測(cè)，可有效判斷繼電器故障；加入電流檢測(cè)，可精確計(jì)算充電功率，為階梯收費(fèi)提供依據(jù)。此外，電流檢測(cè)還可實(shí)現(xiàn)充電器的插入拔出檢測(cè)，在被別人誤拔出時(shí)為用戶及時(shí)推送消息，在10 min 內(nèi)不斷電，保證用戶可及時(shí)處理，提高了設(shè)備的人性化設(shè)計(jì)。若10 min 內(nèi)仍未插入充電器，則自動(dòng)結(jié)束充電，防止插座帶電產(chǎn)生安全隱患。同時(shí)，每個(gè)充電單元帶有獨(dú)立的板載保險(xiǎn)，大大提高了設(shè)備使用的安全性。