新国标电动汽车的直流充电桩控制系统设计

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(北方工业大学 电子信息工程学院，北京 100141)

引 言

电动汽车在行驶过程中，不会造成排气污染，对环境保护和空气洁净都是十分有益的。但是因为动力蓄电池技术的原因，大部分电动汽车充满电后最大行驶距离只有300～400公里，较传统汽车有较大劣势。目前，国内对于动力蓄电池的充电方式主要分为：交流充电和直流充电两种方式。交流充电部署方便，但是充电速度慢。直流充电又被称为快速充电方式，根据新国标GB/T18487.1-2015等5项国家标准要求[1-3]，充电电流最大不超过125 A。实际应用中也可以达到接近100 A的充电电流，这样使得大部分电动汽车在直流充电模式下，大约半小时就可以完成动力蓄电池电量从30%到80%的充电过程。

为了解决市场上充电接口不统一，电动汽车使用不便的问题,质检总局、国家标准委联合国家能源局、工信部、科技部等五部委在2015年12月28日发布新修订的《电动汽车传导充电系统第1部分：一般要求》(GB/T18487.1-2015)等5项国家标准。新标准全面提升了充电接口的安全性与兼容性[1]。为了满足电动汽车安全快速充电的需求，按照新国标设计电动汽车直流充电桩具有非常重要的意义。

1 系统总体结构

本系统以STM32F103VE[4]单片机为控制核心，控制输出主电源、安全保障模块以及电动汽车CAN总线通信。WinCE触摸显示模组负责充电计费与用户界面的功能。[5]STM32F103VE与WinCE触摸显示模组通过串口进行连接，由STM32单片机进行充电底层控制，可以保证充电过程中的安全，如遇到异常情况可以迅速停止充电。使用WinCE触摸显示模组设计用户界面并进行计费工作，保证了用户界面的美观并且提升了可靠性。本系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 硬件设计

2.1 底层控制板设计

底层控制板由输出电源控制、安全检测监控、电动汽车CAN总线通信等底层控制逻辑硬件组成。

2.1.1 STM32F103VE最小系统

图2 CAN总线电路设计

底层控制板采用STM32F103VE芯片[4]，它集成了多种外设模块，包括A/D和D/A转换器、多达11个定时器、3路SPI接口、5个USART串口、2路I2C总线接口、CAN总线接口(2.0B主动)、USB2.0全速接口、SDIO接口。

STM32F103VE芯片通过丰富的外设通信总线和I/O资源实现了对于充电桩底层硬件的控制。CAN总线用于与电动汽车BMS系统进行通信。A/D转换器用于充电枪状态的识别和充电电压与电流的反馈。通过SPI总线对连接输出主电源的D/A芯片进行控制。USART分别用于与WinCE触摸显示模组和充电状态显示模块通信。STM32F103VE丰富的I/O资源为控制和检测电子锁、泄放控制、IMD模块等提供了极大的方便。

2.1.2 CAN总线设计

此部分采用了ISO1050芯片，它是一款采用氧化硅绝缘隔栅的CAN转发器，完全符合或优于ISO11898-2标准的技术规范，可达到2 500 VRMS隔离。同时，还具有长达25年的使用寿命。通过这部分电路，STM32F103VE实现与电动汽车BMS的通信[3]。CAN总线部分电路如图2所示。

2.1.3 输出主电源控制

输出主电源控制部分由D/A转换芯片和线性光耦隔离电路组成。D/A芯片采用了TLV5638，它具有2路独立的12位D/A转换器，可以同时控制输出主电源的电压和最大输出电流。

线性光耦隔离电路是将控制电路与输出主电源之间的电气连接隔离开，防止输出主电源端的电磁信号对控制电路干扰。线性光耦采用HCNR201，它是AVAGO公司推出的高性能模拟光电耦合器。它内部有一个高性能AlGaAs LED和两个高度匹配的光二极管。它非常适合于需要稳定性、线性度良好的模拟信号隔离。输出主电源控制电路如图3所示。

图3 输出主电源控制电路

2.1.4 充电枪CC1接口

根据新国标GB/T18487.1-2015的《附录B直流充电控制导引电路与控制》中的要求，充电桩要通过充电枪中CC1触头的电压值判断充电桩与电动汽车是否确认连接[1]。根据《附录B直流充电控制导引电路与控制》可知，CC1触头的电压最大值为12.8 V，最小值为3.2 V，所以将CC1触头的电压信号进行衰减后，通过放大倍数为2的运放电路进行放大[6]。充电枪CC1接口电路如图4所示。

图4 充电枪CC1接口电路

2.1.5 状态量输入电路

状态量是指类似于充电枪锁止开关反馈信号、急停开关信号，这类只有2种状态的信号。状态量输入电路主要是将状态量信号输入到STM32F103VE中。状态量输入电路如图5所示。

图5 状态量输入电路

2.1.6 状态量输出电路

状态量输出电路是控制类似于充电枪锁止等装置。状态量输出电路采用了H11L1光耦进行隔离。状态量输出电路如图6所示。

图6 状态量输出电路

2.2 用户交互部分设计

用户交互部分是由WinCE触摸显示模组、嵌入式打印机、三相电能表、RFID刷卡模块组成。

WinCE触摸显示模组采用了北京蓝海微芯科技有限公司的LJD-eWinV5-ET(K)7 型嵌入式触控一体机，它采用7寸触摸LED背光液晶屏幕，预装正版WinCE 6.0系统。它作为一个可显示的终端控制设备，拥有4路RS-232接口，用于与底层控制板、打印机、三相电能表、刷卡模块进行通信[7]。这种显示界面与控制系统分离的结构使各个系统更独立，防止相互之间过于依赖，同时也使系统升级更为方便。

嵌入式打印机采用了北京炜煌科技发展有限公司的WH-E24打印机，它采用针式打印方式，具有可靠性高等特点。嵌入式打印机与WinCE触摸显示模组通过RS-232接口连接。

三相电能表采用了北京海湾智能仪表有限公司的DTS(X)1366型三相电子式有功无功电能表。它可以对系统输入三相电能进行计量，并通过RS-485接口与外部通信。本系统中采用RS-485接口与WinCE触摸显示模组连接，通信上采用《DL/T 645-2007 多功能电能表通信协议》。

RFID刷卡模块采用了广州慧斯佳智能科技有限公司的HSJ800B读卡模块，采用RS-232接口与WinCE触摸显示模组连接。HSJ800B读卡模块屏蔽了非接触式IC卡片底层的操作细节，降低了开发复杂度。非接触IC卡采用FM1208卡片，具有安全性高、通用广泛等特点。

3 系统软件设计

3.1 系统工作流程

用户在给电动汽车充电时，需要先选择充电金额，然后将充电卡贴紧刷卡区域，并进行用户密码认证。将充电枪连接电动汽车直流充电接口，启动充电系统[7-8]。

本充电桩软件系统的主要功能是将底层控制板、WinCE触摸显示模组、RFID刷卡模块、三相电能、嵌入式打印机等功能模块连接在一起，共同完成系统功能，系统工作流程见图7。

图7 系统工作流程图

3.2 分模块设计

本充电桩的软件采用了模块化编程的方式，不仅使得软件系统更加高效和可靠，而且使得软件系统具有较好的可升级能力，对于产品日后升级维护具有重要意义。

由于充电桩系统软件的运行平台不同，主要功能结构如图8所示。

图8 软件系统主要功能结构图

3.2.1 WinCE触摸显示模组程序

本充电桩软件系统分为在WinCE触摸显示模组上运行和在基于STM32的底层控制板上运行两部分。其中，WinCE触摸显示模组上主要运行人机交互部分的程序，主要完成充电过程中的信息显示、用户选择、三相电能表的电能计量、用户充电卡的计费和充电结账清单的打印等内容[5]。WinCE触摸显示模组的人机交互程序具有良好的用户友好性，包括了从欢迎充电、充电金额选择、刷卡确认、密码输入、充电枪连接、充电通信导引、充电过程信息显示、停止充电提示、刷卡结账、打印充电清单等界面。可以帮助用户即使不熟悉充电过程，也能在界面显示信息的导引下顺利充电。WinCE触摸显示模组的程序运行截图如图9所示。

图9 WinCE触摸显示模组程序运行截图

3.2.2 底层控制板程序

图10 充电桩外观图

底层控制板程序运行在STM32F103VE上，它主要负责控制电动汽车的数据通信、充电主电源输出电压和电流控制、安全检测控制和充电状态控制等部分。由于STM32F103VE是基于ARM Cortex-M3内核，具有高可靠性和控制能力强的特点，非常适合进行底层模块的控制。同时，由于它自带CAN模块，可以非常方便地和电动汽车通过CAN总线连接，按照GB/T 27930-2015国家标准进行通信。这部分程序基于μC/OS II嵌入式操作系统，在保证安全检测控制部分运行要求的情况下，实现了良好的高实时性和多任务处理能力，对于日后的产品升级也具有非常大的优势。

4 系统实施情况

本电动汽车充电桩经过测试,可以向北汽EV160、EV200和比亚迪E5等主流电动汽车进行充电。项目应用在山东省乐陵市部分充电站，从2017年4月至今运行正常，充电电流根据电动汽车BMS系统要求的不同，最大可以输出至90 A，输出主电源温度不超过75 ℃。充电桩外观如图10所示。

结 语

本充电桩严格遵守了质检总局等五部委在2015年 12月28日发布新修订的《电动汽车传导充电系统第1部分：一般要求》(GB/T18487.1-2015)等5项国家标准，研制了一种安全、稳定、实用的电动汽车充电桩。运行结果表明，充电桩完全实现了目标效果，提高了电动汽车充电桩的技术水平，展现了电动汽车未来广阔的发展前景。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求[S].北京:中国标准出版社,2015.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 20234.3-2015电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口[S].北京:中国标准出版社,2015.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 27930-2015电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议[S].北京:中国标准出版社,2015.

[4] 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2008.

[5] 孟祥军,梁涛,王兴光,等.电动汽车智能充电桩的设计与实现[J].信息技术与信息化,2011(6):58-61.

[6] 贾俊国, 倪峰. 电动汽车充电接口标准化研究[J]. 电力系统自动化, 2012, 35(8): 76-80.

[7] 李洪峰,李红霞,陈志刚,等.一种新型电动汽车充电桩技术方案探讨[J].电力系统保护与控制,2017,45(6):142-147.

[8] Yang. XD, Liang. XL, Zhang. YB, Z. Wenwei, et al.An application-specific WSN routing protocol for EV charging piles management system[C]//2015 34th Chinese Control Conference (CCC).Hangzhou:IEEE,2015:7651-7658.

孙涛(硕士研究生),主要研究方向为电动汽车BMS控制系统研发。