一种双枪直流充电机核心控制系统设计与实现

覃见吉， 耿魁伟， 左 巍

（广州锐速智能科技股份有限公司， 广东 广州 511340）

0 引言

我国目前面临严重的环境污染和能源短缺问题。 电动汽车作为新型能源应用之一，具有能源利用率高、排放无污染等诸多优点。 大力发展电动汽车已成为全球的趋势。充电桩作为电动汽车的充电设备，其相关技术的研究是电动汽车广泛普及的前提条件。 本文以STM32F104ZET6控制器为核心， 设计并实现了直流充电桩嵌入式控制系统。 首先， 设计了直流充电桩嵌入式控制系统的整体框架，根据直流充电桩功能需求，应用嵌入式控制技术，搭建了系统硬件和软件平台。 其次，参照国家电网标准，设计并实现了嵌入式控制系统对当前电网参数的实时监控；从实际用户角度考虑，选择刷卡支付的方式完成交易结算；参照GB/T18487.1 国家标准，设计并实现了嵌入式控制系统对当前环境温湿度的实时监测； 参照GB/T 27930《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》，设计并实现了嵌入式控制系统对直流输出单元的控制； 利用人机交互技术， 从应用程序角度出发，设计并实现了能够满足用户操作的人机交互界面。

1 直流充电机控制器技术要求

直流双枪核心板是针对直流双枪充电桩推出的充电控制板，软硬件设计满足新国标要求，支持业内主流厂家充电模块通讯协议。 该产品采用AMR9 高性能处理器，Linux 实时操作系统，稳定性及可裁剪性强；可通过WEB前端对控制板进行状态查询，参数设置，远程控制，充电记录查询，系统信息查看，在线升级等。 该产品通过连接充电模块、绝缘检测模块、刷卡板，显示屏、电能表、防雷模块等，可实现电动车BMS 通信交互，主充电接触器控制、同时具有计量计费、温度监控、枪锁控制、泄放回路控制、散热风机及急停控制、主充电状态检测、辅助电源状态检测、状态指示等功能，是充电桩内部最重要的组成部分。 另外可通过以太网，4G 通讯等方式，将数据传送到云端进行存储，后台远程监控和管理，APP 监控和管理。

2 直流充电机控制器系统架构

2.1 直流充电桩内部架构

直流充电桩内部架构如图1 所示。

图1 直流充电桩内部架构

2.2 直流充电桩电气结构

直流充电桩电气结构如图2 所示。

图2 直流充电桩电气结构

3 直流充电机控制器硬件配置接口

在NB/T 33001-2010 标准中指出， 直流充电桩基本构成包括：功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等。

根据各种标准设计出的直流充电桩，早期是五花八门的，主要差别在于强电的各种开关、继电器、接触器、漏电保护器、防雷等细节不太一样。随着直流充电桩的普及，直流充电桩的具体设计细节逐渐雷同。 接口配置如下：①电源：AC220±20%V 1A； ②备用输出：2 路干接点输出，备用；③故障报警输出：1 路干接点输出，用于故障输出，或控制交流输入；④电磁锁：2 路电磁锁12v 输出，可以切换12v 正负，满足驱动线圈或电机；⑤泄放电阻控制：2 路泄放控制输出，用于控制泄放回路；⑥冷却风扇控制：充电时，控制启动风扇；⑦故障指示灯：故障指示；⑧B 充电指示灯：B 充电指示；⑨A 充电指示灯：A 充电指示；⑩电源指示灯：电源指示；11○A-BMS 电源输出：控制A 枪BMS电源输出； 12○B-BMS 电源输出： 控制B 枪BMS 电源输出；13○A-断路器输出：A 枪控制DC+DC-断路器输出；14○B-断路器输出：B 枪控制DC+DC-断路器输出； 15○急停状态：紧急停止充电按钮状态，开关量采集；16○A 断路器KM1 状态：A 断路器KM1 状态，开关量采集；17○A 断路器KM2 状态：A 断路器KM2 状态，开关量采集；18○B 断路器KM1 状态：B 断路器KM1 状态， 开关量采集； 19○B断路器KM2 状态：B 断路器KM2 状态，开关量采集；20○A电磁锁状态：A 电磁锁的闭合或断开状态， 开关量采集；21○B 电磁锁状态：B 电磁锁的闭合或断开状态，开关量采集； 2○A 枪温温度状态：A 充电枪头温度开关量状态，开关量采集；23○B 枪温温度状态：B 充电枪头温度开关量状态，开关量采集；24○备用状态：备用开关量状态，开关量采集；25○柜门状态：柜门打开关闭开关量状态，开关量采集；26○A 车CC1 信号：满足国标满足国标6v、4v 的模拟量采集；27○B 车CC1 信号：满足国标满足国标6v、4v 的模拟量采集；28○外部电源：外部控制电源输入，用于驱动中间继电器，电源兼容12V 输入；29○读卡器USB 接口：外接ic非接触式读卡器，用于结算。同时用于控制器本地升级程序；30○触摸屏：人机界面操作，单充标配7.0 寸屏，通讯RS232。 其他可定制；31○读卡器：外接ic 非接触式读卡器，用于结算；32○以太网：备用通讯接口，与后台组网。 标准RJ45 网络接口；3○绝缘检测：用于绝缘检测，同时测量2路绝缘电阻； 34○电表： 电表地址可设， 电表接口为RS485.9600.E.8.1，协议满足国标DLT645-2007 的三相电表均可以使用；35○A-BMS-CAN 通讯：A 枪电池管理系统（bms）与控制器通讯，满足新国标；36○B-BMS-CAN 通讯：B 枪电池管理系统（bms）与控制器通讯，满足新国标；37○A-ACDC-CAN 通讯：控制器与A 枪ACDC 模块电源can通讯，满足多种协议，可根据客户使用的模块厂家定制协议；38○B-ACDC-CAN 通讯：控制器与B 枪ACDC 模块电源can 通讯，满足多种协议，可根据客户使用的模块厂家定制协议；39○扩展-备用：预留接口扩展备用；40○A-DC 测量输入：测量A 枪车辆充电电压；41○B-DC 测量输入：测量B 枪车辆充电电压； 42○支持GPRS 2g/3g/4g 通讯或WIFI 的硬件管脚接口集成，选配时直接插入无线通讯板卡； 43○实现绝缘监测的硬件集成； 44○独立的各枪的BMS 12V/24V 切换输出口。

4 直流充电机控制器软件配置

直流充电机充电功能实现靠软件界面的操作， 目前控制器通过RS232 接口和一台鑫瑞达7 寸触摸屏通信实现功能。

（1）人机界面。①7 寸工业触摸屏。 （可以根据要求定制10 寸12 寸屏）； ②在充电主界面直观显示如下数据：充电电压、充电电流、电能量计量信息、账户余额、消费金额、已充时间，各种状态输入；③具备电源、运行充电、故障指示灯；④管理员参数设置，需要密码进入，并分多个按钮或多级菜单菜单进入不同类型参数的设置； ⑤显示故障告警信息记录最近50 条，掉电不丢失；⑥充电过程中的状态显示，文字提醒，防止人员误操作；⑦人机界面友善，背景不要就是单色调。

（2）充电功能。 ①BMS 符合新国标GBT27930.1-2016；②充电模式：定额充电、定时充电、定量充电、预约充电、自动充满；③充电控制方式：均充、轮充、功率自动分配；④掉电充电记录保存功能，充电信息掉电不丢失；⑤断网充电记录保存功能，断网充电信息不丢失，网络连通继续上传结算信息； ⑥循环记录充电信息100 条。 掉电不丢失，可上传后台；⑦循环记录异常结束充电导致的未结算充电信息100 条。 掉电不丢失，可上传后台；⑧支持刷卡启动充电；⑨支持扫描二维码启动充电；⑩支持后台计费模式、本地刷卡计费模式、本地无卡模式。

（3）保护故障告警功能。 ①交流输入过压、欠压、过流、短路、漏电、防雷保护，部分保护定值可设；②充电中电磁锁锁定充电枪；③充电中，枪头温度监控，超温告警，停止充电；④具备急停开关，能通过手动或远方通信指令紧急停止充电；⑤在启动充电时需人工确认启动；⑥系统出现重要告警时，立即上报相关告警故障；⑦BMS 充电4步故障指示。

（4）支付功能。①支持非接触式IC 卡刷卡支付，并兼容市场上多家主流读卡器厂家协议；②支付手机APP 扫码支付；③支持微信扫码支付。

（5）计量功能：电表计量。

（6）后台通信功能（协议可定制）。①支持以太网通讯（标配）；②支持RS485 通讯（选配）；③支持RS232 通讯（标配）；④支持GPRS 2g/3g/4g 通讯或WIFI（选配）。

（7）出厂调试功能。①出厂调试功能为出厂测试和调试人员服务， 在这个功能下可以看到四个分页或菜单按钮，分别为：监控、开出、开入、模块控制。调试人员可以通过出厂调试功能进行控制、查看、启停、对比；②监控界面可以设置输出的电压电流，进行启停，该界面可显示各种模拟量数据；③调试开出界面，包含了一些必备的开出控制， 调试人员可以在此界面测试各项开出接线是否完好正确；④调试开入界面，包含了一些必备的开入显示，调试人员可以在此界面通过开关对应的开入源， 来查看每项开入接线是否完好正确；⑤模块控制界面，调试人员在此界面可以把之前配置好的每组模块切换给每把枪，并设置好电压电流进行输出， 通过这项操作可以判断模块分组是否正确，接线是否正确。

（8）功能配置菜单。 ①可配置的功能，均可开启或者关闭；②绝缘检测关闭，充电桩将不进行绝缘检测；③连接确认关闭，充电桩不再判断是否连接好；④手动模式开启，退出后再进行充电会进入手动充电模式。

（9）模块状态菜单。可实时查看当前各枪的各电源模块的状态，例如：各模块的电流电压、通讯状态、故障状态，各枪当前的总电流电压。

（10）开入开出配置菜单。 支持各开入开出的可配置功能，以应对不同场景需求；程序逻辑上支持各开入开出的不同开启关闭状态，保证充电功能正常运行。

（11）BMS 电源控制。 ①配合硬件上的各枪的BMS 12V/24V 切换输出口，实现各枪的BMS 12V/24V 切换；②分为三个选项： 自动识别——通过桩体与车辆BMS 的通信自动识别使用12V 或则24V， 并在充电界面下提示当前充电使用的是12V 还是24V； 手动控制--在充电界面下可选择使用12V 或则24V 给车辆BMS 充电；关闭--程序默认使用12V 给车辆BMS 充电，并在充电界面下不可选择12V 或则24V 给车辆BMS 充电。

图3 直流充电机控制器软件界面

5 结论

根据目前国内电动汽车直流快充的现状， 设计出了符合新国标GB / T18487.1-2015 等5 项国家标准的电动汽车直流快速充电桩. 首先介绍了目前电动汽车直流充电机的技术特点，在此基础上，按照新国标的要求，提出了充电桩控制系统的总体设计架构， 并从硬件和软件两个方面详细描述了有关设计。充电桩控制以STM 32F104VE单片机作为核心， 以μC/OSII 为嵌入式操作系统的底层控制程序，实现充电协议与输出控制功能.人机交互以触摸显示模组为核心，基于WinCE 的人机交互界面，实现充电计费和操作指引功能. 改装置在各大公交场站充电站稳定运行，取得良好的经济效益和社会效益。