一种交流便携式电动汽车充电箱的系统设计
一种交流便携式电动汽车充电箱的系统设计
摘要：介绍了一种低成本的交流便携式电动汽车充电箱的设计，针对需求设计了基于Freescale K60微控制器的系统解决方案，详细介绍了该系统主控单元的软硬件设计和控制基本原理。该系统设计紧凑、安装和操作简单、对场地条件要求低，适用于家庭电动汽车应用的推广和普及。关键词：电动汽车；充电箱；控制导引电路；MCU
当前，随着能源与环境成为全球最为关注的问题，作为交通转型、绿交通重要载体的电动汽车，已经得到了世界各国的广泛关注和高度重视。而充电设施是电动汽车推广应用和商业化运营的基础，大量低成本、安装简单、占地面积小的交流充电设施也是电动汽车能否获得大量普及和应用的先决条件之一。1系统基本需求墙壁安装的交流充电设施（以下简称充电箱）是用于电动汽车的简单、快速的充电设施。充电箱实现对电动汽车的充电控制，必须具有的基本控制功能如下：（1）充电箱未连接到电动汽车：待机状态必须有视觉指示；（2）充电箱通过充电电缆接到电动车辆：如果车辆电池准备正常，充电应自动开始。此时有必要考虑多辆汽车同时充电的功能；充电过程中必须有视觉指示；若充电电缆连接在车上，而充电箱不在充电状态，则应有特殊的指示；（3）充电箱通过充电电缆接到电动车辆：充电电池充满后，充电自动结束。此时车辆未充电，但处于&ldquo；准备充电&rdquo；状态，须有视觉上的标示；（4）用户使用充电箱上的&ldquo；紧急停止&rdquo；按钮停止充电过程时，
电动汽车网
必须立即停止充电。2硬件设计充电箱主要由主控单元、开入开出单元和电源组成，其核心是主控单元，原理框图。
为了节省硬件设计成本，采用了一种单芯片解决方案。控制芯片选用的是Freescale公司的Kinetis K60系列低功耗MCU。该款MCU提供了较丰富的I/O和外设，包括多达20路以上的可配置分辨率（最高16位）模拟采样模块、PWM输出、串口通信、SPI通信、I2C通信、IEEE1588
以太网通信等，具有较强的功能。使用该MCU再配合简单的外围电路即可完全满足该充电箱的设计要求。2.1模拟电路设计充电箱需要实时检测交流电压和电流，作为辅助功能，本充电箱同时提供电能计量功能，能够为用户就单次充电和累积充电在电能消耗方面提供直观准确的数据。使用3路PT、3路CT实现三相电压和电流相关模拟量的获取。PT、CT
电流输出经精密电阻转换成电压再经过滤波放大处理后接入K60的模拟采样模块，而无需单独的A/D转换芯片，利于节省成本。2.2控制导引PWM信号充电箱和电动汽车通过控制导引电路实现信号的交互，控制导引电路的基本功能定义如下[1-2]：（1）连接确认。车辆控制装置通过检测相关监测点与PE之间的电阻值来判断车辆插头与车辆插座是否完全连接。（2）载流能力和供电设备供电功率的识别。车辆控制装置通过检测相关检测点与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；通过检测相关检测点的PWM信号占空比确认当前供电设备的最大供电电流。（3）充电过程的监测。充电过程中，车辆控制装置可以对相关检测点与PE之间的电阻值和PWM信号占空比进行监测，
供电控制装置可以监测相关检测点的电压值。（4）充电系统的停止。在充电过程中，当充电完成或因为其他原因不能满足继续充电的条件时，车辆控制装置和供电控制装置分别停止充电的相关控制功能。控制导引信号工作示意图。
对于供电控制装置来说，在电动汽车充电过程中需要通过充电电缆在车辆控制装置间实现控制导引电路的基本功能，并完成相应的工作控制。当操作人员对供电设备完成启动设置后，如供电设备无故障，并且供电接口已完成对接，则将开关切换至PWM连接状态，由供电控制装置输出1 kHz的PWM信号（初始PWM的占空比由供电控制装置的容量确定）[3]。控制线上PWM信号向车辆输出电源允许的最大充电电流的大小由PWM 的占空比来决定[4]。充电设施的PWM信号编码如下(根据SAE J1772[8]和IEC61851-1[2])：PWM正向部分占空比定义如下：电流=(占空比％)×0.66A(10％)~51A(85％)电流=(占空比％-64)×2.551A(85％)~80A(96％)电流=0A 占空比0％~3％(标称0％)，100％，7％~10％充电设施控制导引使用高级通信方式（如PLC）时，PWM占空比为3％~7％（标称值：5％）。在充电过程中，供电控制装置检测对应检测点的电压值，根据电压值来确定当前的状态：12V(状态1)、9V(状态2)或者其他非6V(状态3)，根据不同状态决定是否断开或者闭合交流供电回路。对于电动汽车充电连接状态的回读电路，本充电箱设计了一种简单可靠的比较电路，实时监视充电PWM信号输出的3个电压状态(12V、9V、6V)，并利用信号监
视情况来判断充电阶段及充电过程是否正常。本电路先将PWM信号滤波，然后提供给比较器电路，并
且结合不同的参考电平，在不同的比较器输出端获得对应的输出，最后进入MCU的I/O端口，实现充电状态的识别。其原理框图。
2.3开入开出功能设计由于该充电箱的开入、开出电路较多，没有必要为每一个信号分配独立的MCU的I/O管脚。而对于开入信号分时读取即可，因此全部采用信号复用电路。通过74AHC245PW芯片，将PWM 回读信号、旋钮与拨码开关状态信号、电子锁状态回读信号、充电使能和急停等外部开入信号分时读入MCU。而对于开出功能，相对来说比较重要，如接触器控制、PWM信号输出等必须单独分配MCU的I/O管脚。
2.4通信电路交流便携式充电箱提供了2路CAN网，便于充电箱与车载充电模块间进行局部组网；提供4路串口通信，方便用户连接显示屏、打印机、等外设；提供以太网接口，便于设备调试和远程监控。CAN通信采样带电源隔离功能的ADM3053模块。ADM3053在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口，能以最高1Mb/s 的数据速率工作。该器件具有限流和热关断特性，可防止输出短路。充电箱提供3路RS232串口通信和1路RS485串口通信。两路232转到中间接口板，从凤凰端子引出。剩下的1路232和1路485通过DB9引出。为防止接错，232使用DB9公头，485使用DB9母头。串口使用ADUM1201AR实现电气隔离。由于芯片内部集成MAC，外部电路
只需要利用K60的MII接口与一片PHY芯片BCM5241并配合对应的电气隔离电路即可。以太网通信协议
使用uIP协议栈，该协议栈专门为嵌入式系统而设计，具有代码非常少、方便阅读和移植、占用内存少等优点，其对数据的处理采用轮循机制，不需要操作系统的支持。3程序设计软件设计工作基本没有较复杂的算法或者数据处理，主要功能是I/O和外设的管理、数据的通信等。硬件的初始化包括系统时钟初始化、A/D采样初始化、I/O管教初始化、时钟芯片初始化等。具体情况本文不作详细介绍。本文研制的充电箱操作简单、直观，一旦误操作能立即通过LED 产生明显的视觉效果标识。充电箱设计紧凑，便于安装。安装地点可以是私家车库、公司停车场或商业停车场。充电箱的尺寸和重量符合人体工学的要求，便于移动。该充电箱和充电桩满足户外安装条件，且无需额外防护。该系统能够满足电动汽车的一般慢速充电要求。无车辆充电时，该系统进入休眠低功耗模式；当充电箱连接到车辆时，无需人工干预即可自动充电，该系统能够同时为最多3辆电动汽车提供充电服务，作为充电基础设施，该系统的推广应用必将有力促进电动汽车的普及应用。