汽車是現(xiàn)代生活中不可或缺的交通工具，但隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)展面臨著越來越大的壓力。電動汽車憑借其在環(huán)保和節(jié)能等方面的優(yōu)勢，已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。然而，電動汽車要想得到快速廣泛的普及，便捷高效的電能補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是重要的前提之一。充電系統(tǒng)為電動汽車運行提供能量補(bǔ)給，是電動汽車的重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。交流充電樁是指固定安裝在電動汽車外，與交流電網(wǎng)連接，為電動汽車車載充電機(jī)提供交流電源的供電裝置。

1、 總體方案設(shè)計

本文研制了一種落地式交流充電樁，外觀如圖1所示，該交流充電樁安裝方便，使用簡單，可布設(shè)于充電站、停車場等室內(nèi)或室外場所。

1．1 功能需求分析

首先，作為電動汽車電能補(bǔ)給裝置，系統(tǒng)必須采取必要的安全防護(hù)措施，向車載充電機(jī)可靠地輸出高質(zhì)量的交流電能，同時保障操作人員及設(shè)備的電氣安全。其次，準(zhǔn)確的電能計量及收費是系統(tǒng)的基本功能，要滿足分時段多費率的使用要求。最后，一個友善的人機(jī)接口界面及便捷的操作流程設(shè)計，能夠給用戶留下愉快的使用體驗，從而使產(chǎn)品更容易為市場所接受。

1．2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)交流充電樁的功能需求，對系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計，包括交流輸入控制模塊、交流輸出控制模塊及中央管理模塊，如圖1所示。

各模塊主要實現(xiàn)的功能如下：

（1）交流輸入控制模塊。實現(xiàn)交流電能的計量，交流供電控制，電氣安全防護(hù)等。

（2）交流輸出控制模塊。實現(xiàn)充電電纜連接判斷，與車載充電機(jī)進(jìn)行通信。

（3）中央管理模塊。實現(xiàn)人機(jī)交互、用戶身份識別、計量收費、數(shù)據(jù)管理和通信、交流輸入／輸出模塊控制，以及故障診斷等功能。

2、 交流輸入／輸出控制模塊設(shè)計

2．1 交流輸入控制模塊

交流輸入控制模塊由斷路器、保護(hù)裝置、電能計量裝置、交流接觸器及急停按鈕等裝置組成，硬件框圖如圖2所示。

斷路器和保護(hù)裝置提供對操作人員及電動汽車車載充電機(jī)的電氣安全防護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)意外情況時，如電涌、過壓、漏電等，保護(hù)裝置能及時響應(yīng)，切斷電能輸出。此外，在緊急情況下，可使用安裝在操作面板上的急停按鈕斷開斷路器；異常檢測電路可檢測到斷路器的開合狀態(tài)，并將其反饋到中央控制模塊。

計量裝置用于實現(xiàn)單次充電操作的消費電能計量，考慮到系統(tǒng)分時段多費率計費的需求，選用了智能電表。工作時，電表可通過RS 485接口向中央控制模塊發(fā)送消費電能、瞬時／平均電壓及電流數(shù)據(jù)。

交流接觸器位于電動汽車專用充電插座一側(cè)，當(dāng)充電電纜準(zhǔn)確連接后，用戶可通過中央管理模塊發(fā)送驅(qū)動信號閉合接觸器，向車載充電機(jī)輸出交流電能。

2．2 交流輸出控制模塊

交流輸出控制模塊主要由電動汽車充電專用電氣接口及控制導(dǎo)引電路組成，硬件框圖如圖3所示。

系統(tǒng)自檢時，閉合開關(guān)S1，脈沖信號傳輸至電壓監(jiān)測點，表示充電樁準(zhǔn)備完畢，可以進(jìn)行充電。當(dāng)電動汽車充電電纜與充電樁供電插座可靠連接后，控制導(dǎo)引電路閉環(huán)，R1和R2阻值相同，檢測點正電壓減半則表示連接正確。充電樁通過輸出PWM信號將當(dāng)前能提供的最大連續(xù)額定電流值告知車載充電機(jī)（約定可用的線電流和PWM信號占空比成線性比例關(guān)系）。

3 、中央管理模塊設(shè)計

中央管理模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由嵌入式微處理器、LCD顯示屏、鍵盤、導(dǎo)引燈、喇叭、射頻卡讀寫裝置、存儲器及一些通信與控制接口組成。

系統(tǒng)采用了基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式微處理器作為主控芯片，ARM Cortex-M3處理器是行業(yè)領(lǐng)先的32位處理器，適用于具有高確定性的實時應(yīng)用，能提供出色的計算性能和對事件的卓越系統(tǒng)響應(yīng)，同時可以適應(yīng)低動態(tài)和靜態(tài)功率的系統(tǒng)需求。選用的芯片系統(tǒng)時鐘設(shè)置為96 MHz，可以滿足交流充電樁的控制需求。

LCD顯示屏、鍵盤、導(dǎo)引燈、喇叭及射頻卡讀寫器組成交流充電樁的人機(jī)接口界面。LCD顯示交流充電樁的詳細(xì)工作信息；導(dǎo)引燈快速指示工作狀態(tài)；喇叭提供語音提示；用戶可利用鍵盤設(shè)置充電參數(shù)；射頻卡完成用戶身份識別、充電過程啟停管理及交易結(jié)算功能。

大容量FLASH用來存儲交易記錄及充電樁運行記錄。通過通信接口，實現(xiàn)交流充電樁與上級監(jiān)控中心通信，上傳交易信息及充電樁運行信息，接收監(jiān)控中心控制指令。

充電樁工作流程描述如下：用戶刷卡進(jìn)入系統(tǒng)后，顯示射頻卡讀寫裝置獲取的用戶信息，提示用戶連接充電插頭。用戶可利用鍵盤選擇合適的充電方式（自動、定電量、定時間、定費用）并設(shè)置相應(yīng)的充電參數(shù)。再次刷卡可啟動充電過程，同時向用戶卡內(nèi)寫入未付費標(biāo)識，用戶將無法在未完成本次交易之前再次使用該卡。

充電過程中，管理模塊定時獲取狀態(tài)參數(shù)（電量、時間、故障信息等）并顯示。當(dāng)判斷出車載充電機(jī)已結(jié)束充電或已完成用戶設(shè)置的充電目標(biāo)時，充電過程結(jié)束，提示用戶結(jié)賬。用戶再次刷卡可完成本次交易，并清除卡內(nèi)未付費標(biāo)識。此外，用戶也可在充電過程中的任意時刻刷卡結(jié)束充電并完成交易。

4 、軟件設(shè)計

選用μC／OS-Ⅱ作為本設(shè)計的軟件平臺，它是一種具有可剝奪性多任務(wù)內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，移植方便，而且穩(wěn)定性和可靠性好。μC／ OS-Ⅱ的系統(tǒng)資源豐富，最多可管理64個任務(wù)，并提供信號量、消息郵箱、消息隊列及內(nèi)存管理等系統(tǒng)級服務(wù)，用戶還可根據(jù)需要進(jìn)行裁剪。因此，比較適合于中小型實時控制系統(tǒng)。

4．1 任務(wù)規(guī)劃

為實現(xiàn)交流充電樁的功能要求，本文設(shè)計了以下任務(wù)：按鍵查詢?nèi)蝿?wù)、按鍵處理任務(wù)、LCD顯示任務(wù)、IC卡讀寫任務(wù)、充電參數(shù)設(shè)置任務(wù)、充電過程控制任務(wù)、看門狗及異常檢測任務(wù)。其中，按鍵查詢?nèi)蝿?wù)和看門狗及異常檢測任務(wù)設(shè)置為周期性任務(wù)。任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵是任務(wù)優(yōu)先級的分配，根據(jù)任務(wù)的關(guān)聯(lián)性、關(guān)鍵性、緊迫性、頻繁性、快捷性和傳遞性，本文最終確定的優(yōu)先級規(guī)劃如表1所示。

4．2 任務(wù)關(guān)聯(lián)設(shè)計

任務(wù)關(guān)聯(lián)設(shè)計如圖5所示。系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括7個任務(wù)，其中，按鍵查詢?nèi)蝿?wù)延時循環(huán)檢測按鍵輸入，并將輸入鍵值通過消息郵箱傳遞給按鍵處理任務(wù)實現(xiàn)按鍵控制，或傳遞給參數(shù)設(shè)置任務(wù)完成充電參數(shù)輸入；按鍵處理任務(wù)接收輸入鍵值并相應(yīng)驅(qū)動軟件的工作流程；充電參數(shù)設(shè)置任務(wù)接收輸入?yún)?shù)值并保存為全局變量；IC卡讀寫任務(wù)接收信號量在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)進(jìn)行尋卡及讀寫操作，并利用信號量對充電過程實現(xiàn)啟?？刂?；喂狗及異常檢測任務(wù)以一定的周期循環(huán)，阻止看門狗溢出，在出現(xiàn)異常時進(jìn)行故障處理，并通過消息郵箱停止充電過程；LCD顯示任務(wù)接收到其他任務(wù)的信號量通知后，更新當(dāng)前顯示信息。

軟件設(shè)計中，各任務(wù)優(yōu)先級之間有一定的間隔，將來在更新任務(wù)或增加一個新任務(wù)時，能在不改變現(xiàn)有優(yōu)先級分配的情況下，輕松找到一個合適的空閑優(yōu)先級，為系統(tǒng)的改進(jìn)和升級提供了便利。操作系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍設(shè)為10 ms，可以滿足充電樁的實時性要求。經(jīng)過調(diào)試，軟件運行穩(wěn)定，人機(jī)交互響應(yīng)及時，電能計量與收費準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)通信可靠。

5 、結(jié)語

本文以基于Cortex-M3內(nèi)核的微處理器為主體，結(jié)合μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)構(gòu)建成中央管理模塊的軟硬件平臺，加上交流輸入、輸出控制模塊，實現(xiàn)了電動汽車交流充電樁的整體設(shè)計，系統(tǒng)具有以下特點：

（1）模塊化設(shè)計，各模塊在物理上分開，便于維護(hù)；

（2）人機(jī)接口友善，顯示形式多樣，操作方便；

（3）硬件上采用冗余設(shè)計，軟件采用實時操作系統(tǒng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，便于產(chǎn)品的快速升級。

目前，研制的交流充電樁樣機(jī)已完成了功能試驗、環(huán)境試驗及電磁兼容試驗等測試，實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，樁體安裝方式靈活，適用于構(gòu)建便捷的電動汽車電能補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)，有利于電動汽車的普及和推廣。

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