一种电动汽车直流充电桩控制系统设计

◎葛笑寒

（三门峡职业技术学院 电气工程学院，河南 三门峡 472000）

目前新能源汽车飞速发展，充电系统正在形成以“充电桩为主、充电站为辅”的充电网络。充电桩分交流和直流两种。交流充电桩安装在电动汽车外部，为车载充电机提供交流电源，实现小电流在线慢速充电[1]。直流充电桩作为充电机的一部分，通过非车载充电机直接对动力电池充电。功率转换装置把交流电转化为大功率的直流电能，实现对动力电池充电[2]。该种方式主要针对大功率车辆或者短时充电需求。随着新能源汽车的飞速发展和人们出行对于效率的要求，快速充电技术作为充电设施不可缺少的一部分。以LPC2387微处理器为核心，设计了能够实现快速充电、结算准确的直流充电桩控制系统，完成微处理器单元、人机交互单元和电能输出单元硬件电路的设计。同时对充电控制系统软件进行设计，实现充电及结算功能。本设计方案的实现对于充电设施的推广也有着重要的现实意义。

1 系统的总体设计

1.1 功能分析

整个充电桩系统应能够设定充电方式、通信管理功能、人机交互功能、电能计量和充电管理。主要技术指标如下：

1.1.1 基本性能

工作电源为交流电压：220±10%（充电桩）；交流频率：50Hz±1Hz；电能度量精度为2级；可设置分时段费率，统计费用精确度为0.01元。要具备良好的人机交互功能，能够显示运行状态、操作信息和计量数据等。

1.1.2 符合客户需求

直流充电桩要面向广大客户，简洁、美观、实用是强占市场的重要前提，主要从简洁的操作流程、可视化的设计、多种模式可选等方面满足用户需求。另外，也要求装配、调试简单，易于维护。

1.1.3 保障安全原则

在客流密集的公共领域使用直流充电柱，安全性能则第一重要。具备完善的电气保护系统，保障客户及工作人员和设备的安全；具备防误操作，杜绝安全事故发生。

1.1.4 智能控制原则

电动汽车直流充电桩是直接面向用户的产品，且在无人值守情况下工作。它具有自动化的操作流程，以及人机互动的功能。智能化设计应考虑采用嵌入式控制技术，可使系统具有数据采集、存储、处理及系统管理设计，人机交互友好，操作简单，便于民众使用。

1.2 系统方案设计

根据功能要求，设计充电桩系统构成如图1所示，电源系统主要有一次回路和二次回路组成；一次电路包括交流电路控制断路器、直流输出控制断路器和充电接口连接器等。二次回路包括充电桩智能控制器、读卡器和人机交互界面等。输入模块主要是充电模块与中央控制部分的主控制单元,过CAN接口进行通信连接，实现对电动汽车动力电池充放电的控制与监控工作。中央控制器与智能电能表利用RS485串口通信，实现电能计量功能；中央控制器单元系统以微处理器为核心，结合嵌入式操作系统搭建平台，通过外围设备接口电路的设计和应用软件的开发，实现充电桩的运行管理。并采用合适的输入、输出设备，提供充电桩工作信息显示与用户参数的输入，实现充电桩的管理及自助充电功能；输出控制部分则是实现了充电电缆的连接确认、控制导引与电动汽车动力电池组的通信连接，具备锁紧装置和防误操作的功能。

图1 直流充电桩结构框

2 硬件选型与设计

充电桩系统主要有电源系统、微处理器单元、人机交互单元和电能输出单元构成。微处理器控制充电桩系统运行；电能输出单元驱动充电电能通断继电器工作；人机交互界面向用户提供充电操作流程和显示各项参数。电源提供能量，其他三个单元互相配合实现系统运行。

2.1 电源系统设计

直流充电桩电气系统采用交流220V输入，经输入断路器、过压保护器FV、熔断器、交流接触器和急停按钮控制单相交流电路的启停。后级部分经单相不可控直流器模块输出直流24V电压，供给二次运行状态指示灯、充电桩智能控制器、读卡器和人机交互界面。信号灯提供“待机”、“充电”与“充完”状态；用户终端则提供刷卡计费、充电方式设置与启停控制操作。

在充电桩中直流断路器连接输入与输出动力电缆，具备输出过载保护和短路保护功能；输出连接器提供与电动汽车连接的充电接口，具备锁紧装置和防误操作的功能。

2.2 微处理单元设计

充电桩智能控制器采用MiniARM嵌入式工业控制模块CPULPC2387。该微控器自身带有512KB的高速闪存和128位的存储接口，支持32位代码在高速下运行。它支持16位或者32位ARM7TDMI实时仿真。LPC2387支持以太网和USB通讯，具有高性能的总线系统，保证以太网、USB和闪存之间执行程序时互不影响[3]。如图2微处理器电路构成框图所示，微处理器电路主要包括电源电路、复位电路和JTAG接口电路。

图2 微处理器电路构成框架

2.3 人机交互单元设计

2.3.1 LCD触摸屏的选择

根据充电桩露天布置的特点，触摸屏应能够适应外部恶劣环境的变化，系统采用LR-057ARXJ型号触摸屏，高品质宽屏设计，LED背光模组，采用400MHZRISCCPU，使运行速度更快，使用内置电源隔离保护器，提高了产品的抗干扰能力，适应复杂环境下运行。

2.3.2 键盘接口电路设计

键盘要考虑到户外恶劣的环境条件。本系统采用一体式键盘，控制芯片通过RS232接口通讯，读取键盘的输入信息。控制器调动内部工作程序，将键入信息转化为充电桩充电控制参数，并根据当前工作流程，实现充电参数的读入和控制流程运行和切换。其接口电路如图3示。

2.4 电能输出控制单元电路设计

充电桩使用断路器控制直流能量通断，该断路器具有过载和短路保护等功能。该跳闸线圈串联和加电确认、充电连接确认继电器触点串联，一旦非法操作，断路器的跳闸线圈就动作，切断直流电能。继电器动作是否由控制信号决定，24V信号也无法驱动断路器线圈。因此，利用24V小型中间继电器作为控制器件，实现微控器、继电器的连锁控制。控制信号驱动24V继电器的接口电路如图4所示，当控制器管脚信号有效时，信号经过光耦合器TP521控制24V电压驱动继电器，从而实现充电电缆确认信号的通断控制。实现直流电能的输出和停止控制。

3 软件设计

系统采用小型实时操作系统μC/OS-II为开发平台。它源码公开、实时性好、内核小，适合于中小型系统[4]。利用该平台实现控制系统的资源管理，并进行充电桩相关任务开发等，主要包括任务规划和充电流程设计。

图3 键盘接口电路

图4 电能输出控制电路原理

3.1 任务规划

根据充电桩控制要求，系统主要有7个任务规划，包括按键查询、按键处理、触摸屏显示、智能卡读写、充电桩参数设置、充电过程控制和系统检测任务。工作流程如图5示。

按键查询和处理任务实现检测按键的输入信息，并且接受输入按键信息驱动软件工作。触摸屏显示实现接收其他实时信号，并及时更新界面显示信息。智能IC卡实现寻卡和卡片读写操作任务。充电桩参数设置和过程控制任务实现充电参数的输入和保存。系统检测按照周期扫描，当系统异常时实现故障处理。

图5 系统应用软件设计

3.2 充电桩控制流程设计

根据充电桩的功能要求，规划了如图6示的工作流程。系统启动后，嵌入式系统对充电桩初始化，然后进行系统软硬件自检，充电桩正常启动后处于待机状态，系统启动结束。客户使用充电桩系统时，第一步先刷卡进入系统。如果操作正确，则用户界面显示IC卡内部的用户信息、余额等。否则，无效返回，需要重新刷卡。用户确认后，若有未结账提示，则结算电费返回上一级。如果没有未结账提示，则提示用户插接充电接头。若界面显示连接正确，则进入充电方式选择环节，选择手动或者自动方式后确认。系统根据充电机加电状态标志判断加电确认。确认通过，扣除预售金额进入充电状态。充电结束，调用电量结算子程序结算电费，并提示插入IC卡结账。读卡确认后，拔下接口电缆，充电结束。如果读卡超时，则记录未结账户，重新刷卡结账。

充电过程中，嵌入式系统获取充电状态参数（电压、时间)等并显示。以充电模式、充电电量、充电电量、充电金额、充电机状态和人工干预为判据判断充电过程是否结束。当判断出非车载充电机已结束充电，提示用户结账。若读卡超时，则提示用户再次刷卡，完成本次交易。

图6 直流充电桩刷卡交易流程

图7 UC3845PWM及输出波形

图8 交易测试界面

4 系统测试

4.1 电源系统测试

用万用表测试控制板的电源系统为24V电压，各芯片的输入电源正常。IGBT的驱动信号测试：控制器的驱动电路由UC3845芯片实现，该芯片第6管脚输出PWM信号控制开关管的通断。其PWM信号和5V输出电压波形如图7所示。输出直流信号无脉动，整体满足要求。完成后台充电柜的相关调试后，接入交流电源，用万用表对主回路和控制回路检测，系统正常，启动设备后使设备进入待机状态。

4.2 人机交互系统测试

显示器能显示运行状态、计费信息等；触摸键盘，能够输入数据，且具有手动设置参数及控制功能；指示灯表征充电桩不同的工作状态。将充电桩输出接口连接到动力电池组上，费率为0.67元/度，设置按金额充电。充电结束时充电桩显示充电时间1小时30分，充电电量为10度，消费金额为6.70元，充电电压为400V，电流为15A。如图8交易测试界面所示，通过测试可知:充电桩可以识别并正确读取IC卡信息；可以实施显示充电信息，可以和后台实现准确的实时通讯；可准确读写IC卡内余额信息，按实际消费收取充电费用；

5 结论

笔者设计了以LPC2387为主控芯片的电动汽车直流充电桩控制系统，通过对硬件的选型、接口电路的设计、软件任务规划和软件流程的设计，建立了充电桩控制系统的软硬件模型框架，最后对系统进行了测试，电源系统和人机交互系统均能满足功能要求。该设计能满足用户对车辆快速充电的需求，具有快捷方便的特点。但是它依赖于大型充电站设施的建设，故而目前没有大规模的普及。随着新能源汽车的增加，设计对于电动汽车充电设备的研发及基础设施建设具有一定的参考意义。