交流充電樁控制裝置的軟硬件設(shè)計

王茜 姚鋒娟 齊嬋 吳冬 劉非非（天津平高智能電氣有限公司，天津 300304）

控制裝置是交流充電樁的核心組成，可實現(xiàn)精確計量、竊電檢測、安全保護、自動打印票據(jù)等功能。交流充電樁的控制裝置由三部分組成，即硬件、軟件和數(shù)據(jù)庫。目前市場上的交流充電樁，充電效率較快，但是智能化程度有待提高。為了進一步優(yōu)化用戶的使用體驗，設(shè)計一款精確計費、智能充電、安全可靠的交流充電樁控制裝置，對充電樁建設(shè)和電動汽車發(fā)展有一定的推動作用。

1 交流充電樁控制裝置的硬件設(shè)計

1.1 主板設(shè)計

主板芯片選擇71M6534H 專用電能計量芯片，基本配置如下：（1）采用16 位MPU，提供專用的ICE 仿真器接口，可支持MPC 程序的在線仿真調(diào)試；（2）提供32 位數(shù)字信號處理器，可實現(xiàn)對電能的精確、快速計算；（3）提供4KB 的外部數(shù)據(jù)存儲器以及512KB 的Flash 存儲器；（4）提供22 位的A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為3 個CK32 周期。除此之外，還有SPI 和I2C 兩路異步串行通信接口，以及10 個外部中斷源。

1.2 充電插頭設(shè)計

充電插頭有7 個端子，在連接電動汽車的充電插座后，可自動識別電池類型，并智能選擇與之匹配的充電模式，向電動汽車提供16A 和32A 兩種交流電流。各個端子的電氣參數(shù)如表1 所示。

表1 充電插頭端子電氣參數(shù)

充電插頭內(nèi)部設(shè)有導引電路。在充電插頭與電動汽車插座連接后，啟動導引電路對連接狀態(tài)和額定電流參數(shù)進行判斷。導引電路中設(shè)有4 個電壓感應芯片，可通過檢測有無電壓來判斷充電插頭與電動汽車的充電插座是否正常連通。在確認正常連通后開始充電。在充電期間，引導電路實時監(jiān)測感應芯片的脈沖占空比和電壓狀態(tài)。設(shè)定最低脈沖占空比為40%，最低電壓為6V。若檢測到實際值低于40%或6V，則自動停止充電，起到保護電氣設(shè)備的作用。

1.3 I/O 硬件接口設(shè)計

71M6534H 芯片自帶2 個異步串行通信接口，其中UART0負責串口通信，UCRT1 則負責紅外遠程抄表。但是交流充電樁的外圍設(shè)備與主板之間進行通信，需要更多的串口。為了滿足通信需要，必須要在現(xiàn)有串口的基礎(chǔ)上進行擴展。本文選擇SP3739 串口擴展芯片，實現(xiàn)1:5 串口電路擴展。擴展方式如圖1所示。

圖1 I/O 接口擴展電路示意圖

SP3739 芯片可將71M6534H 芯片的一個I/O 接口，擴展為7 個可獨立使用的串口，并且支持串口基本參數(shù)（如波特率、數(shù)據(jù)幀長度等）的獨立設(shè)置。SP3739 芯片輸出的TTL 電平，電壓范圍在0-5V；71M6534H 芯片的引腳電壓范圍在0-3.3V。為滿足71M6534H 芯片電流驅(qū)動電路的運行要求，引入了74HC235 驅(qū)動芯片，通過隔離、放大輸出電壓的方式，滿足電流驅(qū)動要求。

2 交流充電樁控制裝置的軟件設(shè)計

2.1 下位機軟件設(shè)計

2.1.1 電能計量設(shè)計

硬件連接完成后，上位機檢測到開始正常充電，發(fā)送電能計量指令至下位機，再通過下位機負責進行電能計量。該模塊的運行流程為：

（1）獨立的數(shù)值計算引擎（CE）接收下位機操作指令后啟動運行，并完成初始化，各項參數(shù)歸零復位。

（2）微處理器開始輪詢所有事件，包括LCD 驅(qū)動器、溫度傳感器、RAM 以及RTC 等。若發(fā)現(xiàn)電能計量模塊中某個元件未復位，則強制復位。直到完成一遍主循環(huán)，并確定全部處于待機狀態(tài)后，CE 計量引擎發(fā)出XFER_BUSY 中斷，其作用是檢測CE 數(shù)據(jù)更新標志是否被置位。

（3）若成功置位，則清除標志位后，開始計算電量。在整個充電期間，CE 計量引擎按照預設(shè)程序，每隔一定頻率發(fā)送一次XFER_BUSY 中斷，電能計量模塊進行一次判定。直到檢測到CE 數(shù)據(jù)更新標志不再復位后，說明電動汽車的電池已經(jīng)被充滿電，此時結(jié)束電量計算，退出程序。單項交流電路有功功率計算公式為：

對功率時間積分后得出消耗的電能，計算公式如下：

下圖2 為單相電路有功電能的接線，要求電能表的電流線圈與電源線一致，或者電流互感器的一次繞組也必須與電源線一致，其中的電壓線圈必須接在電源的相線與零點中間，而且標記有“*”的一側(cè)是電源端，需要與電源線相連。

圖2 單相電路接線圖

（4）同時將最終的電量計算結(jié)果反饋至上位機，再通過上位機將電量數(shù)據(jù)通過液晶顯示屏展示給用戶。電能計量模塊的運行流程如圖3 所示。

圖3 電能計量運行設(shè)計圖

2.1.2 故障報警設(shè)計

（1）按照故障危害程度，需要設(shè)計兩種類型，第一層設(shè)置是緊急故障，包括主控開關(guān)、急停開關(guān)失效、過流保護器拒動等；第二次設(shè)置是普通故障，包括有顯示器亂碼、POS 機異常、柜門無法自動閉合等。

（2）當出現(xiàn)緊急故障，須在故障發(fā)生后有MCU 同步響應，進行報警或者斷電保護。在設(shè)計故障檢測程序時，需應用定時器，并設(shè)定中斷周期為1s。這樣MCU 每1s 完成一次檢測，保證發(fā)生緊急故障后立即處理。對于普通故障，則設(shè)定中斷周期為5s，降低MCU 運行負荷。

（3）系統(tǒng)初始化后，定時器中斷處于打開狀態(tài)，此時定時器投入運行。如上位機發(fā)送RTC 中斷指令后，下位機做出響應并執(zhí)行RTC 中斷程序，此時開始進行緊急故障檢測，檢測到有故障時，需根據(jù)故障識別結(jié)果，將對應的故障標志位置位。在主循環(huán)程序中，同步開展普通故障檢測，步驟同上。

（4）無論是緊急故障還是普通故障，都需要對故障標志的真?zhèn)涡赃M行判斷。若判斷為“假”，則返回主程序，繼續(xù)進行故障檢測；若判斷為“真”，則進行報警。直到管理員處理故障之后，系統(tǒng)再次判定確認故障已經(jīng)消除，則警報自動解除。故障報警模塊的運行流程如圖4 所示。

圖4 故障檢測與報警設(shè)計圖

2.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件即后臺管理系統(tǒng)，其核心是3 個并行循環(huán)程序，即數(shù)據(jù)發(fā)送與接收程序、主循環(huán)程序和異常處理程序。數(shù)據(jù)收發(fā)的設(shè)計可直接調(diào)用動態(tài)鏈接庫中存儲的收發(fā)函數(shù)，對主循環(huán)程序進行設(shè)計后可支持管理員通過人機交互界面進行操作指令設(shè)置，一般操作指令有通信的波特率、設(shè)備的基本參數(shù)等。管理員登錄后臺管理系統(tǒng)后，在主界面上選擇“參數(shù)配置”或者“數(shù)據(jù)庫操作”選項。在選擇參數(shù)配置時，管理員主要設(shè)置啟動設(shè)備、計時設(shè)備、動作保護裝置等設(shè)備的基本參數(shù)；在數(shù)據(jù)庫操作選項中，管理員的操作權(quán)限有查詢歷史記錄、添加或刪除歷史記錄。后臺管理系統(tǒng)的界面如圖5 所示。

圖5 后臺管理系統(tǒng)的界面

2.3 基于LabVIEW 的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

LabVIEW 是一種常見的編程語言，能夠保證文本語言效率高、圖形化表達更加直觀。由于LabVIEW 程序不能直接連接和訪問數(shù)據(jù)庫，因此要想將充電樁上的海量信息傳輸至后臺管理系統(tǒng)，必須要借助于其他工具，在設(shè)計環(huán)節(jié)如下：

（1）利用LabVIEW 平臺自帶的ActiveX 功能，通過調(diào)用Microsoft ADO 插件的方式，為LabVIEW 訪問數(shù)據(jù)庫提供間接通道，并利用Microsoft ADO 插件重新進行底層編程。

（2）接著需要安裝LabSQL 工具包，將底層復雜的ADO 程序和SQL 語言，統(tǒng)一封裝后存儲在虛擬器中。用戶每次訪問數(shù)據(jù)庫時，運行虛擬器后實現(xiàn)LabSQL 的自動加載，即可正常訪問數(shù)據(jù)庫。

3 交流充電樁控制裝置智能充電的實現(xiàn)

完成軟、硬件設(shè)計后，可利用交流充電樁控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能充電，整個過程共分為4 個階段：

3.1 充電握手階段。充電插頭和電動汽車充電插座完成物理連接，并順利通電后，進入充電握手階段。后臺系統(tǒng)實時收集前端參數(shù)，判斷電池是否充滿或存在電壓異常。如果有上述情況，則發(fā)送錯誤報文。

3.2 若判定條件不滿足，則進入充電參數(shù)配置階段。包括估算電池剩余容量、設(shè)置最高充電電流或電壓、最高允許充電溫度等。

3.3 參數(shù)設(shè)置完畢，進入充電階段。充電過程中實時判斷電池是否充滿。若判斷結(jié)果為“是”，則發(fā)送錯誤報文。

3.4 若判定條件不滿足，則進入充電結(jié)束階段，自動完成斷電。智能充電流程如圖6 所示。

圖6 交流充電樁智能充電設(shè)計

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于71M6534H 芯片的交流充電樁控制系統(tǒng)，可對充電狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對所充電能進行精確計量，當電池充滿后自動斷電并將賬單信息通過顯示屏呈示給用戶，具有智能化、安全性、便捷性等優(yōu)勢，應用前景廣闊。