基于MCGS的充电控制导引功能检测系统的设计

王新艳,李晶华,李艺超

(1.天津职业大学 汽车工程学院，天津 300410; 2.天津市动核心科技有限公司，天津 300240)

0 引言

随着环境污染的加重，以及高性能电池技术、大规模集成电路等的发展，电动汽车又逐渐进入大众视野。国内以及美国、日本、欧洲等发达国家，政府、各大汽车公司均投入了人力、财力用于电动汽车关键技术的研发。充电桩作为电动汽车充电的基础设施，市场现有5种充电接口标准，使得充电市场比较混乱。为了保证充电桩市场的规范性，我国制定电动汽车充电接口及通信协议国标[1-3]，以便于消费者享受电动汽车带来的便捷。

近年来，关于交流充电桩的研究较多。文献[4]完成了充电过程连接确认、控制导引、识别最大充电电流等实时采集功能；文献[5]和[6]仅描述了一些设计方案与思路，未给出具体的设计方案；文献[7]基于STM32F103RCT6的充电桩硬件电路设计，对各个硬件模块的原理进行分析；文献[8]设计了可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，PLC)为控制器的交流充电控制系统，解决了充电电动汽车充电计费问题。上述研究对于电动汽车的充电桩的开发与生产提供了指导建议，但是对于交流充电供电设备的检测却较少。因此，在已有研究成果的基础上，通过对国标中控制导引功能电路的研究，利用组态软件技(Monitor and Control Generated System，MCGS)组态技术开发了上位机系统，以STM32F103为核心搭建车辆端充电模拟检测装置作为下位机，配合完成充电连接过程中控制导引功能的系统。该系统可对不同型号、版本的电动汽车交流供电设计进行检测。通过上位机界面，可直观地显示被测供电设备地充电连接状态与信号的电气参数，也可用于交流供电设备的现场检修。

1 控制导引功能检测系统的结构与原理

1.1 系统结构

图2 充电模式3连接方式C的控制导引检测原理图

控制导引功能检测系统总体设计如图1所示。硬件系统主要由充电接口、逻辑门电平标准(transistor-transistor logic,TTL)转RS485通信模块、R2/R3电阻选择网络、触摸屏、信号采集与处理单元组成。其中，信号采集与处理单元主要由充电连接确认(connection confirm，CC)信号采集、控制导引功能(Control Pilot，CP)信号采集、STM32F103最小系统等组成。软件系统模块主要有单片机数据采集与通信程序、MCGS通信驱动程序、MCGS控制策略和MCGS组态设计组成。其中，充电接口选用符合GB/T 20234.2-2015 《电动汽车传导充电用连接装置 交流充电接口》的车辆端七芯插座；信号采集电路用于CC和CP的变换、整形，处理为单片机可安全识别的信号；单片机负责采集信号的分析处理，并将数据打包传送，同时还要接收上位机发送的指令驱动S2开关闭合；TTL转RS485通信模块负责单片机与触摸屏之间安全可靠的数据传输；电阻选择网络是用于模拟车辆端检测电阻，可模拟车辆端S2闭合状态，同时也可以切换不同阻值用于检测控制导引信号的电路参数是否处于国标范围内；触摸屏在本设计中可视为上位机，负责人机交互与检测逻辑分析。

图1 系统总体设计框图

1.2 系统工作原理

充电模式3连接方式C的控制导引检测原理如图2所示。按照国家标准，在充电枪插入车辆插座的过程中，车辆充电模拟检测装置通过测量CC与PE之间的电阻值来确认当前充电连接装置(电缆)的额定容量，同时还判断车辆插头与车辆插座是否完全连接。通过测量CP检测点1的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号占空比确认当前供电设备的最大供电电流。在本设计中，为了判断供电设备CP信号在检测电阻出现偏差时的电路参数是否满足国家标准，在二极管D1之前增加了CP检测1的信号测量。信号采集模块将这些信息通过RS485通讯传送到上位机，上位机的组态界面将直观地显示当前的操作状态与信号参数。与国标规定的电路参数的对比，若信号正确，通过指令按钮发送S2闭合指令，单片机接收该指令并驱动S2开关闭合，将R2投入到电路连接中。供电设备监测到检测点1的电平变化，控制K1、K2开关闭合输出交流220 V，输出指示灯点亮，充电连接过程结束。

上位机还可以在充电连接过程中或者充电连接完成后，通过指令控制选择开关的状态，选择不同的R3与R2的阻值，其阻值的变化会影响到供电设备的检测点1的CP信号幅值，国标要求供电设备的CP信号在导引状态1-3的电压值误差在± 0.8 V 以内。如果超出此值，可能导致电动车辆与供电设备的误差容限不匹配，无法进行正常充电。以此判断CP信号的电路参数是否满足国家标准，最终给出检测结果。

2 硬件系统设计

2.1 触摸屏选型

基于组态软件McgsPro开发的组态工程需要运行于昆仑通态的MCGSTPC系列嵌入式一体化工控机(简称触摸屏)。其G系列的TPC1570Gi是一套以先进的Cortex-A53 4核CPU为核心的高性能触摸屏，产品采用了15.6英寸(1英寸 =25.4 mm)高亮度TFT液晶显示屏，具有良好的电磁屏蔽行，其通信接口丰富，有2路RS485、1路RS232、1路LAN。本系统选用RS485接口与下位机通讯。

2.2 车辆端充电模拟装置设计

单片机采用基于ARM CortexTM-M3内核的低功耗STM32F103单片机。芯片具有丰富的外设，具有1路区域网络控制(controller area network,CAN)、支持12位ADC转换、 3个通用同步/异步串行接收/发送器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART)、3路16位带捕获功能的定时器、时钟频率可达 72 MHz，完全满足系统需求。

连接确认信号主要检测充电枪的CC端与地线(protection earthing,PE)端之间的电阻值，所以需要CC信号检测电路提供信号源，当有充电枪连接到车辆充电端口时将电阻值转换为电压值。电阻值的大小同时还代表了连接装置(电缆)的额定容量，由于供电设备不同，CC端与PE端之间的电阻取值范围在100～3 600 Ω之间。为满足整个电阻值范围内的测量精度，由单片机根据采集的AD值的区间决定采集信号的分压比。实现当采集电路在小信号时直接连接运算放大器，大信号时先分压后连接与运算放大器，在整个电阻值范围内能输出安全可靠的电压值。

CP采集电路主要是在充电连接阶段与充电过程中，对供电设备输出的PWM波整形，使其为满足单片机检测端口的电平要求。准确地采集PWM信号的频率与占空比是可靠充电的重要保障。为了提高采集电路的抗干扰性，采用RC滤波与门限电压比较输出的电路结构，避免了干扰信号带来的误触发。国标要求PWM信号的上升沿和下降沿时间在不带电缆空载的情况下保持在2 μs 以内。带电缆并加载情况下，最大时间不超过 10 μs。因此，RC滤波电路的设计要严格地计算其时间常数。

由控制导引检测原图可知R2/R3电阻网络与S2开关放置在车辆端，在充电连接阶段与充电过程中，其电路结构的变化直接影响到供电设备检测点1的电平变化。供电设备根据检测点1的电平变化判断当前充电连接状态和是否输出交流电压。在国标中对供电设备充电导引电路的电气参数有准确的规定，利用选择开关选择不同的R2和R3阻值，根据供电设备对电气参数变化的响应判断其是否满足国标要求。

3 软件系统设计

3.1 单片机程序开发

单片机的程序编写采用了模块化设计思想。软件主要由主程序、外设初始化与CC信号采集、CP信号采集、串口通信数据处理等部分组成，系统主流程如图3所示。

图3 系统主流程图

CC信号采集子程序通过量程的选择，对该量程下的信号进行模数(analog to digital,AD)转换，为获取稳定的AD值进行数字滤波，当前交流充电桩CC与PE线间阻值即可得出。

通过定时器及输入捕捉功能即可计算得出PWM信号的频率与占空比参数值，此PWM波即为CP信号。为简化计算频率方式，在进行定时器初始化时，时钟配置为1 MHz，则一个计数值为1 μs，配置TIM5为上升沿捕捉方式，将中断开启。中断子函数对相关寄存器进行赋值，并捕捉相邻的两个PWM波上升沿，以标记一个周期进行波形参数采集。

3.2 MCGS通信脚本驱动程序开发

设备窗口是MCGS系统与外部硬件设备间的连接纽带，可将外部硬件设备的数据读取至MCGS，进而对外部设备进行控制与监控。如表1与表2所示，分别是触摸屏与单片机的通信协议位定义。在本设计中,由于通信模块的的数据传输采用独立的通信协议，因此需自行编写脚本驱动程序。使用如图4所示的MCGS设备驱动开发工具，将编写的脚本驱动安装至“用户定制设备”目录下，供设备窗口选用即可。

表1 触摸屏下发通信协议表

表2 单片机上传通信协议表

图4 组态软件开发工具

3.3 MCGS功能策略脚本程序

MCGS采用如图5所示的多线程工作方式，保证运行系统的高效率。充电连接过程检测流程如图6所示，通信驱动程序在系统上电后直接启动运行，系统的逻辑判断与控制在MCGS的循环策略中执行的。图7与图8所示的CC与CP信号检测流程图中，在循环策略中不断地将单片机传送来的数据进行解析，并与国标中规定的状态参数进行比较，按照充电连接的控制时序发送相应控制命令，实现控制导引功能检测，完成充电连接。

图5 多线程工作模式

图6 充电连接过程检测流程图

为了检验充电设备的控制导引功能对不同状态参数的响应情况，在策略窗口中还编写了用户策略，该策略被窗口界面的按键调用执行，发送命令去控制选择开关将不同阻值的电阻投入电路，影响检测点参数。通过供电设备的响应情况来判断控制导引的电路参数是否满足国标要求。

在运行策略窗口创建名称为“充电连接标准化检测”的用户策略。新增策略行采用脚本程序实现充电设备的连接确认信号CC端与PE端之间的电阻值是否满足国标电气标准的判断。因为供电设备不同，连接装置(电缆)的额定容量不同，在不同的连接阶段需要将采集的当前电阻值与国标规定的每一组参数进行比对，将比对结果进行数据保存便于测试报告调用。当测试人员在相应界面点击选择了“标准化检测”按钮，在后台任务的脚本程序里判断该按钮动作，则采用调用函数!SetStgyMode(充电连接标准化检测)调用该用户策略。

图7 充电连接信号检测流程图

图8 控制导引信号检测流程图

在运行策略窗口创建名称为“控制导引标准化检测”的用户策略。新增策略行采用脚本程序实现充电设备的控制导引信号CP在不同的连接阶段的电气参数是否满足国标的判断。在程序里通过条件判断的方式将当前检测点1的电平值与不同连接阶段的国标规定值进行比对，每个阶段的比对是否合格通过“OK标志”数据位置“1”进行存储。最终判断“OK标志”是否等于0X0F判断在整个充电连接阶段CP信号的电平变化是否满足国标要求。当测试人员在相应界面点击选择了“标准化检测”按钮，在后台任务的脚本程序里判断该按钮动作，则采用调用函数!SetStgyMode(控制导引标准化检测)调用该用户策略。

3.4 MCGS画面组态

控制导引功能检测系统的界面组态主要有标准查询界面、图形化监控界面、数据监控界面，故障测试界面等。标准查询界面将国标规定的关键数据、充电时序图等组态到界面里，方便技术人员随时查询。图形化监控界面设计了包含控制导引检测原理的图元，不同的连接状态下采用流动块指示信号流动路径，充电连接过程的文字描述等。数据监控界面主要是当前通信数据的显示。故障测试界面主要用于故障点的设置与电阻参数的修改命令。组态好界面后需要将动画图元与相关变量进行关联，设计动画效果。

4 实验测试

深圳巴斯巴科技发展有限公司的充电模式2控制盒是一种便携式的电动汽车充电设备，其充电线缆也集成了控制和保护作用的控制系统。采用控制导引功能检测装置对其产品EVB13-001N型号的控制盒进行测试。

充电连接CC信号的测量如图9所示，上位机显示电阻值RC为681 Ω，对应国标查询电阻值RC为680 Ω±3%的电缆容量为16A。控制导引信号CP的PWM波的测量如图10所示，CP的PWM频率为1 001 Hz，占空比为21.6%，当前供电设备允许输出的最大供电电流，按照国标计算公式：

IMAX=(D×100)×0.6=(21.6%×100)×0.6=12.96A

(1)

EVB13-001N型号的控制盒的铭牌标注采用的是国标16A交流直头充电枪，输出电流值为13A，PWM21.7%，与控制导引功能检测装置测量值一致。国标中控制导引电路的参数规定输出频率为1 000 Hz，误差范围为970～1 030 Hz; 输出占空比误差在1%以内。因此，本设计的控制导引功能满足国标要求。

图9 上位机充电连接信号界面

图10 上位机充电控制导引信号界面

5 结语

以MCGS组态技术搭建的电动汽车交流充电设备控制导引功能检测系统，具有实时性好、速度快，运行稳定等优点。系统的人机交互方式简单，监控界面的动画显示与实际操作同步，直观地显示了充电连接过程的状态变化与关键信号的电气参数。其故障测试功能也可检测当前供电设备的控制导引电路的电气参数是否与国标规定的电气参数相一致。经试验结果表明，该控制导引功能检测系统适用于检测是否符合GB/T 18487.1—2015规定的电动汽车交流供电设备，包括缆上控制与保护装置、交流充电桩、非车载充电机等；同时也可以作为新能源汽车专业在交流充电教学过程的实训装置。