基于物联网微信扫码交流充电桩的设计与研究*

韦家正,覃 喜

(广西交通职业技术学院,广西 南宁 530023)

0 引言

我国在“十三五”规划中提出绿色环保节能减排新的发展目标,把新能源汽车产业作为战略性重点发展产业.[1]充电桩的普及是保证电动汽车可持续发展的最重要基础设施之一.目前我国电动汽车充电桩的配置相对落后,一定程度上影响了电动汽车的普及.

随着国家对电动汽车产业发展的大力推进,产业发展逐步跟上发达国家步伐,充电桩作为电动汽车的“加电站”,在一定时期内具有很大市场需求.但现阶段我国大部分充电桩都是独立工作、采用RFID、IC技术刷卡等方式充电,缺乏统一管理及操作便捷性.随着我国移动支付的普及,扫码支付模式已经成为一种较流行的支付方式,本课题研究内容是在这种机遇下,结合当前我国电动汽车蓬勃发展的需求,研究设计一款基于物联网技术的交流充电桩,为广大新能源汽车用户提供节能、高效、便捷的使用体验.因此,本文研究的交流充电桩符合市场发展的需求,具有广泛的市场应用前景,对我国电动汽车的发展和普及具有重要意义.

1 系统总体设计

1.1 充电桩的工作原理

充电桩是一种电动汽车动力电池的充电装置,充电过程使用专用充电接口为动力电池提供电能输入,充电桩具有人机交互、信息交互、用电计量等功能,根据充电方式分为交流和直流充电桩两大类.交流充电桩不需要充电机电路,充电机集成在电动车内,具有构造简单、成本低、安全性好等优点,但是充电功率较小,主要安装在公用停车场及私人车库,目前小型车多采用交流充电桩充电.直流充电桩自带充电机电路,一般采用三相四线制供电,安装在大型充电站内,主要供给电动大巴车充电,输出功率较大,充电速度较快.

1.2 系统的总体设计构架

该系统由硬件电路模块、软件在线充电系统、手机APP软件等模块构成.用户通过手机APP软件扫码支付充电,实现无人看守共享自助式充电,手机APP软件可实现对充电桩充电过程的实时监控,时刻了解充电量及产生的费用,同时可以查看附近充电桩是否有空位,方便用户寻找选择合适空位充电.采用4G/5G 移动网络通信模块作为网络接入点,实现交流充电桩与远程服务器平台之间的无线通信.分布式充电桩通过服务器充电管理系统进行统一管理和监控.该系统整体结构图如图1所示.

图1 充电桩控制装置与网络管理平台拓扑结构图Fig.1 Flow chart of system scheme design

2 硬件电路设计

2.1 总体硬件电路设计

充电桩硬件主要由交流电气部分、MCU 主控部分、充电接口三大部分构成.交流电气部分由空气断路器、漏电保护器、交流电能计量表、交流接触器和辅助断路器等部分构成,该部分主要实现交流电的通断控制和安防保护功能作用;MCU 主控部分主要由微处理及外围电路构成,该模块主要实现和服务器之间建立通信、人机交互、信息检测、计量数据读取及故障诊断等功能;充电接口预留给电动车接入,让交流电气部分和MCU 主控部分构成系统充电主回路.交流充电桩硬件组成如图2所示.

MCU 主控硬件电路采用意法半导体公司生产的嵌入式微处理器STM32F103RCT6 作为控制核心,该处理器片内集成12位ADC 模块、PWM 脉宽调制器、通用串行接口等外设资源.在图2中,STM32通过RS485总线模块实现对智能电表数据的读取;LCD 触摸屏实现用户信息输入和人机交互显示界面;继电器模块和紧急停止开关实现对交流接触器通断控制;STM32通过检测CC、CP信号和控制CP信号完成充电过程控制导引功能;充电插座接口标号中:①为火线L,④为零线N,⑤为地线PE,⑥为充电连接确认CC,⑦为控制导引CP.

图2 充电桩硬件结构框图Fig.2 Hardware structure diagram of charging pile

2.2 RS485总线接口电路

STM32微处理器通过RS485 总线接口电路实现对智能电表信息的读取,RS485总线接口电路如图3所示.主要由MAX3485芯片及外围电路构成,该芯片可工作在3.3 V 电压且兼容5 V 逻辑电平,能够和STM32 电平无缝对接,完成对电表数据的读取.MAX3485芯片的RX 和TX 引脚分别接至STM32串口3的接收RXD3和发送TXD3引脚;电路图中R2为RS485总线的匹配电阻,在电表输出端同样需要并联该匹配电阻来保证数据传输稳定.

图3 RS485接口电路原理图Fig.3 Schematic diagram of RS485 interface circuit

2.3 控制导引原理图的设计

该充电桩采用充电模式3连接方式B典型控制导引接口电路.充电桩的控制导引电路功能是实现充电桩电动车之间实现信息交换.依据国家标准GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统 第1 部分:通用要求》的要求,典型的控制导引电路如图4 所示.[2]

充电桩可通过测量图4检测点4的电压值判断供电插头与供电插座是否连接完好.[3]通过检测点3与PE间的电阻值判断车辆插头与车辆插座是否完好连接,当未连接时CC 和PE 断开,电阻为无穷大;[4]半连接时S3处于断开状态,CC 和PE 之间的电阻为R C加R4阻值之和;完全连接后S3处于闭合状态,CC和PE之间的电阻为R C阻值.CP线上检测点1的电压值根据充电过程分三种状态,典型值分别为12 V、9 V、6 V,充电桩通过这三种不同的电压值来判断充电状态,电压高低由线缆连接状态、S1和S2、电阻R1、R2、R3决定.[5]

图4 典型的控制导引电路原理图Fig.4 Schematic diagram of Typical control guidance circuit

状态1:充电电缆端口没有完全连接,包括供电接口和车辆接口,开关S2断开,S1默认连接+12 V,此状态不能进行充电,此时检测点1的电压:

状态2:充电线缆已完全连接,开关S2为断开状态,此时不能进行充电.由图4可知,检测点1的电压U1由电阻R1、二极管D1、电阻R3串联分压得到,由欧姆定律推算出以下串联分压U1的值:

公式(1)中,U为标称电压,[2]因此U=+12 V,R1、R3、二极管压降U D取国家标准中的标称值,[2]R1=1000Ω,R3=2740Ω,U D=0.7 V,代入公式(1)计算出U1=8.978 V ≈9.0 V.

状态3:充电线缆已完全连接,开关S2闭合,车辆已经做好充电准备,此时可以进行充电.电阻R3和R2并联得到等效电阻R,根据电阻的并联公式可以计算出R的值:

再根据电阻R1、二极管D1、等效电阻R串联分压原理得到测点1的电压U1的值:

根据电阻R2标称值1300Ω,[2]把公式(2)代入公式(3)计算得到U1=5.995 V ≈6.0 V.

2.4 PWM 产生模块电路设计

根据以上原理分析及国家标准要求,[2]要设计峰值为±12 V 的双极性PWM 信号提供给CP总线.双极性PWM 电路原理见图5.脉宽调制PWM 驱动信号由STM32 内部产生,经过高速光电耦合器驱动Q1、Q2三极管交替导通,从而输出峰值为±12 V 的PWM 波,R1为光耦发射管的限流电阻,R4为图4中的电阻R1,Q1和Q2构成典型的互补功率放大电路.

图5 双极性PWM 电路原理图Fig.5 Schematic diagram of Bipolar PWM circuit

PWM波输入电平、TLP105发射管、Q1和Q2、CP总线电压四者状态关联如表1所示:

表1 工作状态关联表Tab.1 Work status association table

2.5 CP电压采集模块电路设计

STM32微处理器要采集电压CP 信号,需要设计强电和弱电之间的线性隔离电路来提高抗干扰能力和稳定性.该电路设计选用安华高生产的线性光电耦合器HCNR200芯片,该芯片具有隔离电压峰值高(最大值为1414 V)、输入电压跟随线性度好(典型值为0.01%)等优点,可实现模拟信号与数字信号之间的线性隔离,电路原理图所图6所示.

图6中R2和R5构成电阻分压电路,CP信号经过电阻分压后衰减至原来的0.25倍,国家标准中CP最大输入电压为12.6 V,[2]根据电阻分压原理计算输入电压Vin=12.6×0.25=3.15 V,STM32内部的ADC采集电压范围为0～3.3 V,输入电压值可以直接使用STM32内部ADC模块采集.光耦和运放及外围器件构成典型的光电压模式下的电流检测电路,整个电路的增益为典型值1,因此,图6中输入电压Vin和输出电压Vout相等,光耦的左边模拟电路和右边数字电路供电完全独立隔离.输出电压Vout连接至STM32模数转换输入接口.

图6 CP信号电压采集电路原理图Fig.6 Schematic diagram of CP signal voltage acquisition circuit

2.6 供电设备CC信号检测电路设计

供电设备的供电插头与供电插座之间的连接状态检测电路原理图如图7所示.当插座和插头未连接时,CC 与PE 断开,光耦内部发射二极管截止,由于有上拉电阻R7的存在,电路输出端口CC_check电压为高电平;当插座和插头完好连接时,CC与PE 连接,二极管导通,光耦接收管导通,CC_check电压被拉低接地,因此输出为低电平.STM32通过判断CC_check电平即可识别插座和插头是否连接.

图7 CC信号检测电路原理图Fig.7 Schematic diagram of CC signal detection circuit

3 STM32软件设计

STM32软件设计包含触摸屏交互式控制、电枪拔插检测、电表数据读取、4G 通信模块的通信驱动、和服务器通信、执行充电控制等.程序的整体流程图如图8所示.

4 软件在线充电系统开发

在线充电系统软件设计包含后台管理、微信接入、充电桩管理、充电管理、充电桩地图搜索、财务管理等内容.后台管理完成人员账号、角色、权限的管理等.微信服务包含配置、菜单管理、自定回复等功能.通过使用充电桩搜索和地图功能,方便用户定位及查看充电桩的工作状态.在线充电系统结构设计框图如图9所示.

图8 软件程序流程图Fig.8 Flow chart of software program

图9 在线充电系统结构图Fig.9 System structure diagram of online charging

5 手机APP软件

移动终端APP功能主要有地图定位、预约充电、扫码连接、在线结算、实时查询、充电提醒等功能.用户通过APP可快捷搜索到附近充电桩的状态,在线查看充电过程,提升充电效率.快速充电系统支持支付宝、微信等主流移动支付方式实现24小时自助服务,当用户成功为自己的车辆充电后,平台会实时检测车辆的电量系统,当车辆充满电后,平台会提醒用户充电中车主无须原地等待.

6 结语

本文分析了新能源汽车产业的发展现状及趋势,详细介绍交流充电桩传导方式控制系统的电路结构和工作原理.阐述了一款符合市场需求交流充电桩的设计,设计构架和模块电路满足预期目标.产品开发已投入到本地多个新能源出租车充电站使用,该系统具有工作稳定、操作方便、运行可靠、用户体验良好等优点,满足电动汽车一般充电要求,对本地新能源汽车产业的普及具有一定的推动作用,对交流充电桩的设计和进一步开发具有可行性参考和借鉴作用.