1  交流充電樁簡(jiǎn)介

電動(dòng)汽車充電樁的功能相當(dāng)于加油站里的加油機(jī)，作為電動(dòng)汽車的“加電”設(shè)備。交流充電樁一般也稱作“慢充”，安裝在電動(dòng)汽車停車地點(diǎn)，與電網(wǎng)連接。交流充電樁作為交流電源控制管理器只提供電力輸出，連接電動(dòng)汽車車載充電機(jī)為電動(dòng)汽車充電。交流充電樁基本結(jié)構(gòu)包括箱體、安全配電盤、電磁開(kāi)關(guān)、電量計(jì)量和智能管理系統(tǒng)。鑒于交流充電裝具有占地面積小、布點(diǎn)靈活、費(fèi)用較低和充電時(shí)間方便的原因，電動(dòng)汽車一般優(yōu)先選擇在夜間充電，而每一輛電動(dòng)汽車必配交流充電樁。

2  智能交流充電樁系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由智能控制模塊、顯示模塊、輸入模塊、指紋模塊、報(bào)警模塊、4G 模塊、RS 485 接口電能表、漏電保護(hù)斷路器、交流接觸器、急停控制、控制引導(dǎo)通信模塊等部分組成。顯示模塊提供有好的人機(jī)交流界面，與輸入模塊配合完成人機(jī)互動(dòng)任務(wù)。指紋模塊可以提高充電樁的安全性，保證充電樁的所有權(quán)。4G 模塊完成充電樁與用戶的遠(yuǎn)程無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程充電控制?？刂埔龑?dǎo)通信模塊是充電樁與車載電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行通信并檢測(cè)充電接口連接。設(shè)置安全保護(hù)措施，發(fā)生意外情況時(shí)可自動(dòng)報(bào)警并保護(hù)充電樁和電動(dòng)汽車，或者通過(guò)急停旋鈕來(lái)中斷充電。系統(tǒng)的原理框圖如圖 1 所示。

圖 1 交流充電樁電氣系統(tǒng)原理框圖

3  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器

考慮性能和工作要求，系統(tǒng)控制芯片選擇 ST 公司 LQFP-64 封裝的 STM32F103RCT6 型高性能芯片，芯片工作電壓 2.0V 到 3.6V，工作溫度-40 度到 85 度間。芯片內(nèi)部集成 32 位 Cortex-M3 內(nèi)核，最大時(shí)鐘頻率達(dá)到 72MHz，程序存儲(chǔ)器大小具有 256kB，數(shù)據(jù) RAM 大小為 48kB，包括串口、 SPI、I2C、CAN、USB 等多種形式的接口模式。

3.2 指紋模塊

表 1 ZFM-500SA 指紋模塊技術(shù)指標(biāo)

指紋模塊是指紋鎖的核心部件，安裝在如指紋門禁或者硬盤等器件上，用來(lái)完成指紋的采集和指紋的識(shí)別的模塊。指紋模塊主要由指紋采集模塊、指紋識(shí)別模塊和擴(kuò)展功能模塊（如鎖具驅(qū)動(dòng)模塊）組成。指紋模塊選擇杭州指安科技有限公司推出的 ZFM-500SA 系列半導(dǎo)體指紋模塊，其以高性能高速 DSP 處理器 AS601 為核心，結(jié)合 FPC1011 半導(dǎo)體指紋傳感器，在無(wú)需上位機(jī)參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對(duì)、搜索和模板儲(chǔ)存等功能的智能型模塊。主要技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示，實(shí)物如圖 2 所示。

圖 2 ZFM-500SA 指紋模塊

 3.3 4G 模塊

4G 是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是集 3G 與 WLAN 于一體的技術(shù)產(chǎn)品。4G 系統(tǒng)能夠以 100Mbps 的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快 2000 倍，上傳的速度也能達(dá)到 20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求。4g 具有通信速度更快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、通信更加靈活、智能性能更高、兼容性能更平滑、提供各種增值服務(wù)、實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信、頻率使用效率更高、通信費(fèi)用更加便宜等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用龍尚科技 U8300 系列 4G 模塊，其主要技術(shù)指標(biāo)如表 2 所示。

表 2 U8300 主要技術(shù)指標(biāo)

圖 3 U8300 模塊3.4 控制引導(dǎo)電路

依據(jù) GB/T 20234.2-2011《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置；交流充電接口》中相關(guān)規(guī)定的要求，采用控制引導(dǎo)電路的方式作為充電連接裝置的連接狀態(tài)及額定電流參數(shù)的判斷裝置。供電設(shè)備插頭與插座連接后，供電控制裝置通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)的電壓值判斷供電插頭與供電插座是否已完全連接?？刂埔龑?dǎo)電路可以滿足供電設(shè)備側(cè)和車輛側(cè)的連接確認(rèn)，通過(guò)相關(guān)電路的檢測(cè)保證充電電流和車載充電機(jī)、電源側(cè)供電設(shè)備、充電連接裝置在允許值范圍內(nèi)匹配。在充電過(guò)程中通過(guò)不斷檢測(cè)供電設(shè)備的 PWM 占空比實(shí)時(shí)調(diào)整充電電流，滿足電網(wǎng)側(cè)智能調(diào)度的需要?？刂埔龑?dǎo)檢測(cè)電路如圖 4 所示。

圖 4 控制引導(dǎo)檢測(cè)電路

3.5 通信電路

電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）能使控制和管理電池更加有效率，確保每一個(gè)電池工作在可運(yùn)行的區(qū)間范圍內(nèi)，避免電池過(guò)充過(guò)放和熱失控等問(wèn)題發(fā)生。通常一個(gè)電池系統(tǒng)中包含上百個(gè)，甚至上千個(gè)電芯。如何保持電芯工作在合適的區(qū)間內(nèi)，BMS 發(fā)揮著重要的作用。BMS 功能有監(jiān)視電池狀態(tài)、保護(hù)電池、上報(bào)數(shù)據(jù)、均衡等，對(duì)電動(dòng)汽車電池組進(jìn)行充電時(shí)必須保證充電樁與電動(dòng)汽車 BMS 保持通信。根據(jù)充電樁與電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)相互之間的通信，充電樁控制器才能在線調(diào)節(jié)充電功率，顯示充電電壓、電流、電量和充電費(fèi)用等。充電樁與電池管理系統(tǒng)通信電路如圖 5 所示。

圖 5 CAN 通信電路

4 軟件設(shè)計(jì)

家庭智能交流充電樁系統(tǒng)可以通過(guò)本地控制和遠(yuǎn)程移動(dòng)終端控制兩種方式來(lái)對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行控制。本地控制主要通過(guò)輸入模塊和顯示模塊進(jìn)行人機(jī)交互。遠(yuǎn)程控制通過(guò) 4G 無(wú)線模塊將充電信息發(fā)送到云端和移動(dòng)中終端，通過(guò)移動(dòng)終端的 APP 控制充電信息。遠(yuǎn)程控制可以靈活設(shè)定充電起始時(shí)間，可以在用電低谷期電費(fèi)最便宜的時(shí)間段內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。

還可以隨時(shí)監(jiān)測(cè) BMS，了解汽車的電池使用情況，定期保養(yǎng)更換電池，避免電池組事故的發(fā)生，程序流程圖如圖 6所示。

圖 6 程序流程圖

5 總結(jié)

本文通過(guò)分析家庭交流充電方式，針對(duì)用戶需求特點(diǎn)設(shè)計(jì)家庭智能交流充電樁系統(tǒng)解決方案，敘述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于 STM32F103RCT6 微控制器，具有本地指紋解鎖充電樁的功能，設(shè)計(jì)了充電樁與電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)之間的通信電路，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程人機(jī)交互、充電信息檢測(cè)、充電保護(hù)、充電模式選擇等功能，并搭載 4G 無(wú)線通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，設(shè)計(jì)移動(dòng)端 APP 實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)可以滿足一般家庭對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行慢速充電的需求，并且具有良好的用戶體驗(yàn)功能，作為家庭交流充電樁對(duì)電動(dòng)汽車在普通家庭的普及具有很大的推進(jìn)意義。