新能源汽車充電樁控制系統設計研究

錢建華

（常州交通技師學院，江蘇 常州 213000）

全球節能減排政策的推行，打破了傳統汽車能耗模式，以電動取代燃油，目前多個城市已經開始推廣新能源汽車[1]。為了滿足此類汽車充電需求，為其配備充電樁。當前市面上應用比較多的充電樁有兩種，根據充電電流模式不同，分為直流充電和單相交流充電[2]。前者雖然充電速度較快，但是充電期間形成的沖擊電流對汽車電池使用壽命影響較大，后者雖然對電池的損傷較小，但是無法滿足高速充電需求，并且不適合大規模接入電網，容易引發三相不平衡問題[3]。三相交流充電樁以三相電接入電網，不會引發三相不平衡問題，同時對電池的影響較小，且充電速度較快，可謂是單相樁和直流樁優點的結合體。由于車載充電機充電控制難度較大，當前尚未實現此項技術的應用研究，本研究嘗試選取STM32系列單片機作為核心控制器，提出一種三相交流充電樁控制系統研究。

1 系統總體架構設計

該系統以STM32F105VCT6作為核心處理器，對系統信息模塊、電能計量、電源模塊、輔助硬件設備、安全防護模塊、充電控制引導模塊加以操控，采用TTL串口通信，建立各個模塊之間的通信連接，從而實現充電樁現場作業控制[4]。其中，處理器的工作頻率為72 MHz，引腳數量為100個，符合汽車充電運行需求。一般情況下，充電運算達到1.25DMIPS時，便可以滿足大部分汽車充電效率控制需求，當前系統選取的核心控制器滿足該要求。如圖1所示為系統總體架構。

圖1 系統總體架構

該系統在核心控制器的作用下，能夠實現對各個模塊的操控。以下為各個模塊作業下實現的主要功能：

（1）信息采集模塊功能：利用各類裝置檢測工具采集當前作業狀態信息，作為系統其他功能模塊作業命令下達、狀態判斷的參考依據。其中，涉及的主要信息包括漏電信息、電磁鎖信息、輸出繼電信息等。

（2）電能計量模塊功能：以有功功率、有/無功能量、三相電流和電壓作為測算對象，通過電能計量，掌握汽車當前充電情況。

（3）電源模塊功能：為充電樁提供恒定直流電壓，從而保證系統作業期間電流和電壓得以穩定。

（4）控制引導模塊功能：該模塊以充電控制時序、接口連接狀態作為控制引導對象，根據汽車電池連接充電樁狀態及下達充電操控命令情況加以控制充電模塊，同時提供引導服務。

（5）安全防護模塊功能：為人身安全和設備安全提供保障，在充電樁控制體系中增加急停開關、漏電保護設備、避雷器等。

（6）人機交互模塊功能：為了便于查看充電樁作業狀態及下達控制命令，借助無線通信模塊，將充電樁現場作業信息發送至管理中心計算機，為用戶提供終端服務。

（7）輔助模塊功能：為了滿足其他操控需求，在充電樁現場安裝觸摸屏、指示燈、讀卡器、備用接口、無線通信模塊等。

2 系統硬件設計

根據系統總體框架結構，對系統的硬件開發展開探究。該系統的硬件設計以系統檢測為主，選擇控制引導狀態、三相電流和電壓作為檢測對象，根據測量結果，掌握充電樁當前作業狀態和下一步作業控制需求，配合軟件控制，實現高質量新能源汽車充電控制[5]。如圖2所示為系統充電樁控制引導基本原理。

圖2 系統充電樁控制引導基本原理

根據引導連接電動汽車與充電樁接口，使得車載充電機與電網得以連接。而后充電樁控制端開始為車輛提供充電服務。充電期間，剩余電流保護裝置根據充電樁當前作業狀態，向用戶提供剩余電量不足提醒服務。另外，為了提高電動汽車電池充電安全性，本系統在車輛控制端增加了檢測點，掌握汽車電池充電實時情況。如果完成充電，或者汽車發生異常狀況，則車輛控制端斷開與充電樁的連接。

關于控制引導狀態的檢測硬件設計，按照導通引導基本原理，設計相應的檢測硬件電路。考慮到充電樁作業時發出的信號為±12V PWM，利用電阻R1進行分壓，形成6種不同的充電電平，需要利用本系統硬件電路采集相關信息。該檢測電路以CP1、CP2、CP3作為信號采集端口，利用四路電壓比較器（型號LM239D），設置這3路電壓比較閾值。通過運行電壓檢測設備，將采集到的信號與閾值做比較，輸出邏輯真值排列組合，對當前充電作業狀態加以判斷。其中，比較器線路中增加了開關二極管（型號MMBD4148SE）、光電耦合器（型號TLP121），利用該裝置對信號加以隔離處理，從而改善信號的抗電磁波干擾能力、電絕緣能力。

關于三相電流和電壓的檢測硬件設計，以ATT7022EU芯片作為系統三相電流和電壓計量工具。由于該芯片內部集成了數字信號處理電路，所以支持多項參數準確測量。例如，電壓有效值、各相電流、設備作業頻率等。

3 系統軟件設計

3.1 新能源汽車充電樁充電控制設計

當系統結構中的充電槍頭接入汽車后，采用自動鎖止方式，控制汽車作業狀態，從而保證汽車在充電期間保持非行駛狀態。接下來通過檢測3個端口開關閉合情況、三相電壓和電流變化情況，下達相應充電控制命令。關于新能源汽車充電樁充電控制主要流程如下：

第一步：將充電箱控制端與車輛的充電控制端連接；

第二步：車輛充電控制端檢測到充電槍后，自動鎖止車輛；

第三步：判斷當前S3開關閉合情況，同時檢測CP（充電觸頭）連接情況。如果S3開關處于閉合狀態，并且3個CP充電觸頭均連接，則進入第四步，反之，繼續觀察S3開關閉合情況、CP（充電觸頭）連接情況；

第四步：連接車輛的所有接口；

第五步：檢測當前充電樁作業期間是否發出PWM信號，如果已經發出，則進入第六步，反之，繼續檢測PWM信號；

第六步：連接充電裝置所有接口，使其滿足車輛充電需求；

第七步：自動檢測車載充電機裝置性能，如果無問題，則進入下一步，反之，對該裝置加以維修，直至裝置性能無問題；

第八步：開啟系統充電模式，為汽車充電；

第九步：實時監測充電樁控制端口與汽車充電端口之間的連接情況，并獲取相關信息；

第十步：判斷當前車輛電池是否充滿，如果充電完成，則下達停止充電命令，或者根據系統操控命令控制充電狀態。

3.2 新能源汽車充電樁充電控制引導狀態檢測設計

本系統針對充電樁作業狀態的控制，根據充電電平的變化情況，下達不同的控制命令。其中，電平狀態類別有6種，通過檢測充電樁充電控制引導狀態，給予有效控制命令。關于充電樁充電控制引導狀態的檢測，以CP1數值、CP2數值和CP3數值作為判斷參數，根據數值變化，判斷當前汽車電平的狀態。以下為不同數值組合情況下的電平狀態判斷結果：

（1）CP為+12V，CP1數值為1，CP2數值為1，CP3數值為1，判定汽車電平當前狀態為“充電樁未連接”；

（2）CP為±12V PWM，CP1數值為1/0，CP2數值為1/0，CP3數值為1/0，判定汽車電平當前狀態為“充電樁未連接”；

（3）CP為+9V，CP1數值為0，CP2數值為1，CP3數值為1，判定汽車電平當前狀態為“充電樁已連接”；

（4）CP為+9V/-12V PWM，CP1數值為0，CP2數值為1/0，CP3數值為1/0，判定汽車電平當前狀態為“車輛準備就緒”；

（5）CP為+6V，CP1數值為0，CP2數值為0，CP3數值為1/0，判定汽車電平當前狀態為“車輛已就緒，開啟充電模式”；

（6）CP為+6V/-12V PWM，CP1數值為0，CP2數值為0，CP3數值為1/0，判定汽車電平當前狀態為“充電樁處于充電作業狀態”。

關于系統作業相關數據的采集，采用循環取樣方法，分多次獲取數據。以CP1信號為例，設計如下采樣循環操作程序：

其他兩項CP2和CP3端口信息的采集，采用上述同樣的方法獲取，根據采集到的信息，下達充電控制命令。

4 系統測試分析

本次測試首先對系統的通信功能、安全防護功能展開測試。測試結果顯示，本系統通信滿足實時性要求，采集數據時間與接收數據時間相符，信號的實時性較高，并且安全防護性能符合系統開發要求。

另外，本系統還對系統充電控制作業期間的電壓與電流進行監測，對三相電壓和電流穩定性進行監測。本次測試設置2個監測點，利用系統分別采集A相電壓、B相電壓、C相電壓、A相電流、B相電流、C相電流數據，結果見表1。

表1 系統充電控制中電壓與電流監測結果

表1中檢測結果顯示，監測點1和監測點2的三相電壓和電流較為穩定，變化幅度非常小，皆可以使得系統正常為新能源汽車充電，穩定性較高。

另外，從充電樁的充電效率來看，監測結果顯示，本系統設計方案較以往設計的控制系統充電效率提高了12%左右，可以作為汽車充電樁控制工具。

5 結語

圍繞新能源汽車充電樁控制問題展開探究，以充電控制系統作業三相不平衡問題作為重點研究內容，提出新的控制系統設計研究。該系統通過采集相關充電信息，結合電能計量結果，對汽車充電狀態加以有效控制。系統測試結果顯示，系統充電控制穩定性較高，三相電壓變化幅度±0.1 V，三相電流幅度變化±3 A。由此判斷，三相電壓和電流數值變化幅度較小，系統作業較為穩定。