一種面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的設(shè)計

唐玉建 陳 河 高金鵬 李 濤

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一種面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的設(shè)計

唐玉建 陳 河 高金鵬 李 濤

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200）

本文介紹了一種以CORTEX-M3芯片為核心結(jié)合Keil RTX實(shí)時操作系統(tǒng)完成的交流充電樁的設(shè)計。分析了交流充電樁嵌入式軟件在Keil RTX實(shí)時操作系統(tǒng)下多任務(wù)編程的實(shí)現(xiàn)流程，介紹了充電樁嵌入式軟件通過多任務(wù)編程完成充電任務(wù)并檢測輸入信號異常及相應(yīng)異常處理的方法。實(shí)驗(yàn)表明CORTEX-M3芯片為核心結(jié)合Keil RTX實(shí)時操作系統(tǒng)完成交流充電樁的設(shè)計具有良好的穩(wěn)定性和故障檢測處理能力。

電動汽車；交流充電樁；互聯(lián)網(wǎng)

電動汽車的動力來源為電力，具有環(huán)保高效、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。然而充電難的問題已經(jīng)成為電動汽車進(jìn)一步拓展市場的絆腳石。據(jù)悉，在我國各地，還廣泛存在著充電樁配備不足，利用率不高等現(xiàn)象，這樣以來，縱然購置了電動汽車，也長期飽受充電難的困擾，將勢必影響車主的使用體驗(yàn)，也必將影響電動汽車的整體評價，進(jìn)而也會影響到電動汽車在我國的進(jìn)一步推廣。

充電樁是電動汽車發(fā)展中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，其重要性日益凸顯[4-5]，但是當(dāng)前社會上的充電樁大都不能聯(lián)網(wǎng)，在充電過程中用戶也不能隨時查看充電樁的充電信息，充電樁運(yùn)營公司不能實(shí)時監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)充電樁需要進(jìn)行功能更新時，必須要工作人員去現(xiàn)場才能更新，用戶查找空閑充電樁也不方便，直接降低了充電樁的使用效率，建設(shè)一個電動汽車智能服務(wù)平臺[6-7]，為電動汽車用戶提供一個互聯(lián)網(wǎng)訪問渠道，實(shí)現(xiàn)電動汽車用戶的核心業(yè)務(wù)查詢功能，以及充電預(yù)約、路線規(guī)劃、政策法規(guī)展示、網(wǎng)上客服等輔助功能，并提供用戶手機(jī)客戶端訪問，是解決這些問題的有效辦法[8-10]，電動汽車通過合理安排充電時段，能響應(yīng)可再生能源的不穩(wěn)定性負(fù)荷，減少可再生能源的浪費(fèi)[11-12]。通常交流充電樁占用的土地面積較小，且管理成本也比較低，一般在城市的停車場、住宅小區(qū)等車流量和車輛停放密度比較大的區(qū)域進(jìn)行建設(shè)，以滿足電動汽車的充電需求。同時，交流充電樁一般采用的是慢充模式，電流比較小，安全性能較高，在一定程度上能夠延長電動汽車電池的壽命[13]。

因此本文在面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電系統(tǒng)[14]的基礎(chǔ)上提出了一種面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的設(shè)計。

1 充電樁系統(tǒng)構(gòu)成

智能充電樁是基于智能云平臺通過手機(jī)APP端進(jìn)行控制和監(jiān)控的新型交流充電樁，人機(jī)交互操作界面由傳統(tǒng)的充電樁體屏幕顯示，變?yōu)榭蛻羰謾C(jī)終端顯示形式，使客戶信息更加安全，遠(yuǎn)程控制更加方便快捷，解決了常規(guī)充電樁手動開啟、手動付費(fèi)、手動結(jié)算的過程，充電樁具備完善測控保護(hù)功能，可以實(shí)時與客戶手機(jī)客戶端通信，保證信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時性。具備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電分時計量、歷史數(shù)據(jù)記錄和存儲等功能[14]。充電樁系統(tǒng)交互如圖1所示。

圖1 充電樁系統(tǒng)交互示意圖

2 充電樁硬件設(shè)計

MCU采用低功耗，高性價比的CORTEX-M3系列芯片，通過RS 485接口與電能表通信，實(shí)現(xiàn)電流、功率、電能信號的采集。并采用低功耗的WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

1）MCU單元。為充電裝置的控制核心，完成邏輯判斷與信息分發(fā)，采用低功耗，高性價比的ARM CORTEX-M3系列芯片，型號為STM32107。片上集成了豐富的外圍功能模塊，便于設(shè)計高性能低成本的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，芯片通過串口與WiFi通信模塊通信，通過RS 485總線與電能表通信。MCU通過驅(qū)動電路與接觸器相連實(shí)現(xiàn)充電電能輸出的通斷控制與反饋檢測，通過驅(qū)動電路與車載充電機(jī)相連實(shí)現(xiàn)與車載充電機(jī)的信息輸出與反饋檢測。通過片上的Flash，實(shí)現(xiàn)用電信息的存儲、保存采集的用電歷史數(shù)據(jù)以及重啟事件、故障或告警事件等[14]。

2）電能表。電能表是一種可以監(jiān)測電流、電壓、功率、電量等電參數(shù)的專用裝置，電能表串接在交流供電線路上，數(shù)字電表與MCU之間通過RS 485通信方式完成數(shù)據(jù)交互。

3）WiFi通信模塊。采用低功耗的WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)與無線網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電裝置開關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)程控制、電流、功率、電能信息的上報。

4）保護(hù)單元。包括防雷器和漏電保護(hù)器，防雷器用于防止雷電或其他內(nèi)部過電壓侵入設(shè)備造成損壞，漏電保護(hù)器用于在設(shè)備發(fā)生漏電故障以及有致命危險的人身觸電保護(hù)。

5）電源轉(zhuǎn)換模塊。用于將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，提供不同電壓等級的直流電，為充電裝置中的其他電路提供電源[14]。

6）接觸器。作為實(shí)現(xiàn)充電裝置的輸出電能通斷的執(zhí)行部件，由MCU經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行控制。

7）急停開關(guān)。作為充電裝置的緊急制動裝置，具備最高優(yōu)先級，當(dāng)充電樁工作發(fā)生異常時強(qiáng)行終止工作。

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖

3 充電樁嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為應(yīng)用區(qū)軟件和BOOT區(qū)兩部分，采用模塊化設(shè)計思想，如圖3所示。應(yīng)用區(qū)軟件完成充電樁相關(guān)的各種功能，包括數(shù)據(jù)通信功能、接觸器通斷電功能、電能量數(shù)據(jù)采集等功能，采用多任務(wù)模塊化的軟件設(shè)計方法，使設(shè)計過程變得更加簡單，方便后續(xù)功能擴(kuò)展，軟件的實(shí)時性、穩(wěn)定性和可靠性都有很高的保障，開發(fā)周期也會相應(yīng)地縮短。BOOT軟件主要完成充電樁應(yīng)用區(qū)軟件的在遠(yuǎn)程級功能，方便后期應(yīng)用區(qū)軟件的維護(hù)。

圖3 充電樁軟件架構(gòu)示意圖

3.1 BOOT區(qū)程序

該程序模塊完成對應(yīng)用區(qū)程序遠(yuǎn)程升級和從BOOT區(qū)程序跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用區(qū)程序的功能。模塊處理流程如圖4所示。

圖4 BOOT區(qū)程序流程圖

3.2 應(yīng)用區(qū)程序

應(yīng)用區(qū)程序完成充電相關(guān)的各種功能，包括告警信息、按鍵信息采集、LED燈控制、與服務(wù)器通信（協(xié)議接收解析和打包發(fā)送）、用電參數(shù)采集等信息，以及相關(guān)的驅(qū)動。

根據(jù)充電樁應(yīng)用的實(shí)時性和多任務(wù)需求，方便后期維護(hù)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)建，軟件編程選用Keil RTX實(shí)時操作系統(tǒng)，Keil RTX是免版稅的確定性實(shí)時操作系統(tǒng)，適用于ARM和Cortex-M設(shè)備。使用該系統(tǒng)可以創(chuàng)建同時執(zhí)行多個功能的程序，并有助于創(chuàng)建結(jié)構(gòu)更好且維護(hù)更加輕松的應(yīng)用程序[15]。

1）充電樁應(yīng)用區(qū)軟件架構(gòu)

根據(jù)充電樁的需求，應(yīng)用區(qū)軟件使用Keil RTX實(shí)時操作系統(tǒng)，節(jié)拍定時器設(shè)為10ms，共包含三個任務(wù)：告警判定任務(wù)、充電控制任務(wù)和用電參數(shù)采集任務(wù)。告警判定任務(wù)設(shè)為三個任務(wù)中最高級任務(wù)優(yōu)先級，充電控制任務(wù)次之，用電參數(shù)采集任務(wù)再次之。

告警判定任務(wù)完成所有告警信息的采集判定，任務(wù)每10ms遍歷一次所有的告警信息，在充電過程中發(fā)生意外時可以在第一時間切斷電源輸出保證充電過程的安全性，且保證時間判定符合GB/T 18487.1的要求。充電控制任務(wù)完成與服務(wù)器通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并根據(jù)服務(wù)器命令和充電流程控制接觸器和指示燈狀態(tài)。用電參數(shù)采集任務(wù)通過與電能表通信完成充電參數(shù)（電壓、電流、電能等）的采集。

圖5所示為充電樁應(yīng)用區(qū)軟件架構(gòu)圖，應(yīng)用區(qū)軟件使用Keil RTX操作系統(tǒng)編程，首先初始化并建立各個任務(wù)然后啟動操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，令告警判定任務(wù)、充電控制任務(wù)和用電參數(shù)采集任務(wù)同時進(jìn)行。

圖5 充電樁應(yīng)用區(qū)軟件架構(gòu)圖

2）充電樁應(yīng)用區(qū)軟件數(shù)據(jù)流圖

如圖6所示，告警判定任務(wù)實(shí)時采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等。告警判定任務(wù)根據(jù)采集的信息判斷告警并輸出給充電控制任務(wù)。用電參數(shù)采集任務(wù)采集電能表信息對另外兩個任務(wù)輸出電壓、電流、電能信息。充電控制任務(wù)接收服務(wù)器信息、告警判定任務(wù)輸出的告警信息和用電參數(shù)采集任務(wù)采集的電壓、電流、電能信息并輸出接觸器控制信息、指示燈控制信息和上報服務(wù)器的信息。

圖6 充電樁數(shù)據(jù)流圖

3）充電樁軟件告警判定任務(wù)流程

如圖7所示，告警判定任務(wù)首先初始化外部電路I/O口等，每隔10ms循環(huán)一次采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等根據(jù)GB/T 18487.1的要求判斷是否產(chǎn)生告警信息，產(chǎn)生告警時如果正在充電則立即停止充電并且記錄告警信息然后將告警信息發(fā)送給充電控制任務(wù)。

圖7 告警判定任務(wù)流程圖

4）充電樁軟件充電控制任務(wù)流程

如圖8所示，充電控制任務(wù)首先初始化外部電路等，首先判斷服務(wù)器是否已經(jīng)連接，如果服務(wù)器沒有連接則需要重新連接服務(wù)器，啟動任務(wù)后第一次連接上服務(wù)器需要檢查有無保存的充電樁上次充電沒有上報的充電結(jié)果，如果有需要上報上次充電的結(jié)果，然后更新與服務(wù)器連接狀態(tài)。

正常與服務(wù)器連接時，需要定時發(fā)送心跳報文（檢測充電樁與服務(wù)器的連接狀態(tài)）、校時報文（保證充電樁與服務(wù)器的時間一致）和狀態(tài)字變化報文（保證服務(wù)器記錄的狀態(tài)和充電樁的狀態(tài)一致）。此種狀態(tài)視為充電樁待機(jī)狀態(tài)，可以隨時接受服務(wù)器指令進(jìn)行充電。

每隔10ms循環(huán)一次采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等根據(jù)GB/T 18487.1的要求判斷是否產(chǎn)生告警信息，產(chǎn)生告警時如果正在充電則立即停止充電并且記錄告警信息然后將告警信息發(fā)送給充電控制任務(wù)。

圖8 充電控制任務(wù)流程圖

5）充電樁軟件用電參數(shù)采集任務(wù)流程

如圖9所示，告警判定任務(wù)實(shí)時采集CP、CC狀態(tài)信息、接觸器狀態(tài)信息、槍鎖狀態(tài)信息、電壓、電流、電能信息等，告警判定任務(wù)根據(jù)采集的信息判斷告警輸出給充電控制任務(wù)。用電參數(shù)采集任務(wù)采集電能表信息對另外兩個任務(wù)輸出電壓、電流、電能信息，充電控制任務(wù)接收服務(wù)器信息、告警判定任務(wù)輸出的告警信息和用電參數(shù)采集任務(wù)采集的電壓、電流、電能信息輸出接觸器控制信息、指示燈控制信息和上報服務(wù)器的信息。

圖9 用電參數(shù)采集任務(wù)流程圖

充電樁軟件與服務(wù)器通信流程如圖10所示，充電樁上電、重新啟動或離線時發(fā)送登錄報文，成功登陸后充電樁將自身狀態(tài)置為在線狀態(tài)。如果充電樁在運(yùn)行過程中連續(xù)一定時間沒有接收到服務(wù)器端的心跳確認(rèn)信息則充電樁將自身狀態(tài)置為離線狀態(tài)并重新開始登錄。

登陸分為冷啟動登陸和因心跳超時而離線后充電樁發(fā)起的登錄，登陸是服務(wù)器與充電樁之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)。登錄后方可進(jìn)行其他的命令交互。

心跳：心跳為樁主動發(fā)起的，每間隔一定時間主動向服務(wù)發(fā)送一個簡短的報文，表明充電樁在線，服務(wù)器接受到這個報文后對充電樁應(yīng)答。心跳正常表明充電樁在線，如果心跳超時則說明充電樁離線，需要重新登錄。

4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

按照圖11搭建實(shí)驗(yàn)電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，利用測試工裝仿真電動汽車。

4.1 功能實(shí)驗(yàn)

1）在搭建好實(shí)驗(yàn)電路的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機(jī)客戶端控制充電樁開始充電。在開始充電到結(jié)束充電過程中，用示波器檢充電樁及工裝上各個點(diǎn)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)和間隔時間，結(jié)果如圖12所示。圖12中信號源1為圖11中①處的電壓，信號源2為圖11中①處的電流，信號源3為圖11中檢測點(diǎn)1處的電壓。

開始充電時檢測點(diǎn)1處的電壓先由12V變?yōu)?V而后變?yōu)?V，充電樁在檢測點(diǎn)1電壓變?yōu)?V后2.4s開始正式對外供電；充電過程中通過手機(jī)APP查看充電樁供電的電壓、電流和電量等信息，與實(shí)際測量值對比基本一致；結(jié)束充電時檢測點(diǎn)1處的電壓由6V變?yōu)?V后，充電樁立刻切斷對外供電，說明充電樁遠(yuǎn)程充電功能正常。

2）通過服務(wù)器端對正常運(yùn)行的且處在空閑狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)充電樁進(jìn)行在線升級，升級后通過服務(wù)器查看實(shí)驗(yàn)充電樁的版本號，可以看到其版本號已經(jīng)更新，說明充電樁在線升級功能正常。

4.2 故障實(shí)驗(yàn)

1）按照圖11實(shí)驗(yàn)電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機(jī)客戶端控制充電樁開始充電。在充電過程中，斷開圖11中⑦處，如圖13充電樁在49.25ms后斷開K1和K2，符合GB/T 18487.1的要求。圖13中信號源3為圖11中①處的電壓，信號源1為圖11中①處的電流，信號源4為“檢測點(diǎn)2”處的電壓，實(shí)驗(yàn)證明了當(dāng)充電槍與充電樁鏈接斷開時，充電樁可以及時停止斷開交流電壓輸出。

圖10 充電樁與服務(wù)器通信流程圖

圖11 實(shí)驗(yàn)電路圖

2）按照圖11實(shí)驗(yàn)電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機(jī)客戶端控制充電樁開始充電。在充電過程中，斷開圖11中⑥處，充電樁在37ms后斷開K1和K2，符合GB/T 18487.1的要求。

圖12 充電過程實(shí)驗(yàn)示波器截圖

圖13 插槍鏈接斷開實(shí)驗(yàn)示波器截圖

3）按照圖11實(shí)驗(yàn)電路，在正常工作的充電樁充電接口上接入測試工裝，通過手機(jī)客戶端控制充電樁開始充電。在充電過程中，斷開S2（檢測點(diǎn)1的電壓值為9V）時，充電樁在57ms后斷開K1和K2，符合GB/T 18487.1的要求。

5 結(jié)論

本文分析了一種面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計。該系統(tǒng)以CORTEX-M3為控制核心，實(shí)現(xiàn)了充電樁程序遠(yuǎn)程升級、遠(yuǎn)程控制、電能計量、運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測、充電保護(hù)和充電信息上傳等功能。面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁是基于云平臺互聯(lián)網(wǎng)充電樁系統(tǒng)的一部分，該充電樁在實(shí)際運(yùn)行了一年多的時間里運(yùn)行良好，能滿足大部分電動汽車的慢速充電要求。本文對面向互聯(lián)網(wǎng)的交流充電樁的設(shè)計分析，對于充電樁的設(shè)計借鑒和推進(jìn)電動汽車的普及具有一些作用。

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Design of software and hardware for an AC charging pile internet-oriented

Tang Yujian Chen He Gao Jinpeng Li Tao

(Beijing Nari Smart-chip Microelectronics Technology Ltd, Changping District, Beijing 102200)

A kind of AC charging pile using CORTEX-M3 chip is introduced in this paper. This paper analyzes the implementation process of the multitask programming for the embedded software of AC charging pile using the Keil RTX real-time operating system. This paper introduces the method of using multi task programming to complete charging task of charging pile embedded software, to detect the abnormal input signal and to deal with them. Experiments show that the design of AC charging pile based on CORTEX-M3 chip and Keil RTX real-time operation system has good stability and good ability of fault detection and fault handling.

electric vehicle; AC charging pile; internet

2018-03-09

唐玉建（1984-），男，本科，中級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)信息化及控制。