电动车交流充电桩设计

周濠　徐福胜

摘 要：简要介绍电动汽车交流电桩的技术研究，研发一种新型的交流充电桩。提出完整的设计技术方案，并提出交流充电桩的主要技术标准。该系统包括人机交互、充电控制、计量收费、票据打印、运行状态监测、充电保护等多种完善的功能，满足充电过程的要求。

关键词：交流充电桩 TMS32F2812 充电桩

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-125-02

随着全球能源危机的不断加深，地碳经济也成为我国经济发展的主旋律，电动汽车将最为我国新能源战略的的重要组成部分，我国政府及汽车产业普遍认识带节能和减排将是未来汽车技术发展的主要方向，发展电动汽车则是重中之重，也是汽车工业应对能源危机，环境和气候变化的挑战，保持可持续和谐发张的最佳途径。电动汽车是一项复杂而系统的工程，交流充电桩就是其中一项重要的部分，因此开发该产品具有广阔的市场前景，必将给社会和企业带来更大的经济效益。

国务院办公厅公布的《汽车产业调整和振兴规划》中提出，未来三年我国计划“形成50万辆纯电动车、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量5%作用”。根据当前我国电动汽车的发展情况以及对电动汽车充电站的需要，本文提出了一种基于dsp的电动汽车交流充电桩设计方案。数字信号处理器（DSP）以其高速的数据处理能力、丰富的内部资源以及功耗低等特点，已在控制领域中得到广泛应用。本文以HDSP-Core2812作为核心控制系统为研究对象，采用PWM控制技术，利用智能模块设计一种电动车交流充电桩系统，并对其进行了系统的分析。

1 交流充电桩的控制原理

电动汽车交流充电桩是一种辅助设备，与交流电网链接在一起，专门为电动汽充电机提供电源的供电装置，并具备相应测控保护功能的专用装置，功率一般不大于 7kW。

充电桩应具备以下功能：提供友好的人机操作界面，进行相应的控制操作、计量计费、和通信管理的电动汽车专用交流供电装置。在本次设计过程中严格考虑了交流充电桩的实用性、安全性、智能化和可靠性。

本系统的设计流程图如图1所示，它呈现了一些参与者和一些用例，以及它们之间的关系，主要用于对系统、子系统或类的功能行为进行建模。用流程图展示了系统工作的原理以及同用例参与者之间是怎样相互联系的。

充电桩的正常运行如本图1的运行流程图。设备上电后，通过系统自适应调整，进入工作状态，用户使用时，若操作不合法或校验不通过，则重新刷卡。若操作合法，则显示器上显示用户信息，保护查询余额。账号明细等；用户正确连接后，选择充电模式既按电量充电，按时间充电，按金额充电和自动充电进行充电，计费表开始上传直到用户结束充电。同时，在充电过程中，DSP实时监控系统并显示相关信息，判定充电结束或用户定义的任务完成后则结束充电，另外，在充电过程中，用户可随时结束充电过程。

2 系统设计

DSP控制系统用于实施监控交流充电桩的运行，并通过人际交互界面向用户提供人工接口。整个系统按不同的功能科划分为人机交互单元，控制单元，计量单元，安全防护单元组成。其中，人机交互单元其中：桩体、LCD触摸屏、读卡模块、充电插头；控制单元主要包括：主监控与辅助模块；计量单元为电能表；安全防护单元包括；漏电保护开关、防倒开关以及急停开关、过压保护功能、欠压保护。人机交互单元主要用于充电桩的工作信息显示和控制参数的输入，控制单元式系统的核心，控制充电桩的运行，计量单元用于计、量所用电能，安全防护单元主要用于系统的安全保护。

3 硬件构成

本产品主要采用微电子技术，采用TI公司的高速数据处理器DSP（TMS320F2812）作为主控芯片，结合强大的外设功能（包括威伦通的人机界面、微型打印机、非接触式IC卡读卡装置、多功能智能电能表等）完成计量收费、安全保护、系统通讯等功能。为此，需要一些基础的电气试验和测量器材和设备，以及相应的软件开发环境，系统的相关构成如图3所示。

图3 系统构成示意图

在上述研究的基础上我们对硬件电路进行了设计研究，硬件设计完成后应具备以下功能：

3.1 计量功能

充电桩应为计量表计预留电气接口和安装空间，计量表计应采用电子式有功电能表。电能表的通讯规约应符合DL/T 645-1997或DL/T 645-2007，电能表有功计量精度不低于1级。充电桩应能通过RS485/RS232总线读取在充电前后电能表的电量止度，结合用户选用的充电模式计算出相关数据（包括电能使用量、消费金额、充电时间等等），并将该数据上传给后台系统存储显示。

3.2 人机交互界面功能

（1）具有液晶屏显示，显示面积应大于3.2寸；

（2）具有运行状态指示灯，能对应显示交流充电桩各状态下的相关信息；

（3）具有查询功能，可通过人机操作界面进行相关信息查询；

（4）查询余额：使用普通卡能够在充电桩上查询用户账户内的剩余金额；

（5）查询里程：使用里程卡能够在充电桩上查询用户账户内的剩余里程；

（6）消费明细查询：充电桩应采用LCD显示屏，能够显示用户最近一次充电的时间、金额（普通卡）、里程（里程卡）、电量等信息；

（7）具有不同充电服务选择，交流充电桩能显示各种充电模式，并进行充电服务，充电桩应具有以下多种充电模式：

模式1：定电量充电，即在人机界面上输入所需电量，充电桩开始充电直到达到电量设定值。

模式2：定时间充电，即在人机界面上输入设定时间，充电桩开始充电直到达到时间设定值。

模式3：自动（充满为止）充电，即在人机界面上选择自动充电，充电桩会开始充电直到用户手动结束充电为止。

显示的字符应清晰、完整，没有缺损现象，不依靠环境光源即可辨认。键盘能正常输入，并拌有按键声。

在充电过程中，充电桩显示时间（已充电时间、剩余时间等）、电量（已充电电量、待充电电量）等信息。充电结束后，充电桩显示用户的用户号、剩余金额、剩余里程、本次充电金额等信息。

3.3 非接触式IC卡功能

交流汽车充电桩配备非接触式IC卡读卡装置，能够识别符合ISO 14443标准的非接触IC卡。用户能够在交流充电桩完成充电等各项功能。

3.4 通讯功能

交流充电桩能利用CAN总线技术完成与BMS和集中器的通讯，以及和人机界面、智能电能表、IC卡模块、微型打印机的实时在线通讯。

3.5 安全防护功能

充电桩应具备急停开关。按下急停开关后，应能立刻切断充电桩内整个供电回路的电源。充电桩应具备平衡开关。充电桩在受外力（如被汽车撞断）破坏时，应能立刻切断充电桩内整个供电回路的电源。

安全防护系统设计，包括充电电缆的控制导引单元、紧急停止单元、电气防护及静电防护单元，倾斜保护单元。

电气防护单元能够通过断路器、漏电保护装置、电涌保护装置等相关装置实现过流保护、漏电保护、防雷击功能。静电防护功能主要从接地和电路抗静电放电（ESD）设计两方面着手。

3.6 故障及报警功能

充电桩在工作过程中，出现故障，充电桩应能及时作出故障报警动作。充电桩控制器应具有自检功能，自检程序应能实时检测内部和外部电路或通讯通道，确保充电桩可靠工作，当自检程序发现错误或故障时，应能立刻做出故障报警动作。

4 结论

该交流充电桩具有丰富的系统功能，电动汽车充电桩，由于其体积小，容易建设，方便可靠的特点，可方便的安装于小型服务网点、停车场、街道边、居民小区等地。用户在较长时间停放车辆时，可使用充电桩进行充电。在我国大力发展纯电动汽车的市场背景下，交流充电桩将成为消费者主要的充电选择之一，具有很大的市场价值，可以弥补企业此块的空白，为企业带来较好的经济效益和社会效益。

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