孙涛;曹淑琴
【摘 要】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充电方式的现状和新国标的特点,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STM32F103VE单片机作为核心,以μC/OS Ⅱ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WinCE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.%According to the situation of DC charging pile for electronic vehicles in the domestic,a DC charging pile for electronic vehiclesis designed,that confirmes five national standards including GB/T18487.1-2015 etc.Firstly,the situation of DC charging pile and features of new national standard are introduced.And based on requests of new national standard,a structure of charging pile is designed and some project details from hardware and software are introduced.The charging pile takes STM32F103VE as the control core.And the μC/OS Ⅱ is
used as the low-layer control program of embedded operating system.It achieves charging protocol and output control.The human-computer interface takes the WinCE touch display module as the core.It implementes the charging and operation guide function.
【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》
【年(卷),期】2018(018)002
【总页数】5页(P63-66,71)
【关键词】充电桩;电动汽车;STM32F103VE;WinCE
【作 者】孙涛;曹淑琴
【作者单位】北方工业大学电子信息工程学院,北京100141;北方工业大学电子信息工程学院,北京100141
【正文语种】中 文
【中图分类】TP29
引 言
电动汽车在行驶过程中，不会造成排气污染，对环境保护和空气洁净都是十分有益的。但是因为动力蓄电池技术的原因，大部分电动汽车充满电后最大行驶距离只有300～400公里，较传统汽车有较大劣势。目前，国内对于动力蓄电池的充电方式主要分为：交流充电和直流充电两种方式。交流充电部署方便，但是充电速度慢。直流充电又被称为快速充电方式，根据新国标GB/T18487.1-2015等5项国家标准要求[1-3]，充电电流最大不超过125 A。实际应用中也可以达到接近100 A的充电电流，这样使得大部分电动汽车在直流充电模式下，大约半小时就可以完成动力蓄电池电量从30%到80%的充电过程。
比亚迪电动汽车为了解决市场上充电接口不统一，电动汽车使用不便的问题,质检总局、国家标准委联合国家能源局、工信部、科技部等五部委在2015年12月28日发布新修订的《电动汽车传导充电系统第1部分：一般要求》(GB/T18487.1-2015)等5项国家标准。新标准全面提升了充电接口的安全性与兼容性[1]。为了满足电动汽车安全快速充电的需求，按照新国标设计电动汽车直流充电桩具有非常重要的意义。
1 系统总体结构
本系统以STM32F103VE[4]单片机为控制核心，控制输出主电源、安全保障模块以及电动汽车CAN总线通信。WinCE触摸显示模组负责充电计费与用户界面的功能。[5]STM32F103VE与WinCE触摸显示模组通过串口进行连接，由STM32单片机进行充电底层控制，可以保证充电过程中的安全，如遇到异常情况可以迅速停止充电。使用WinCE触摸显示模组设计用户界面并进行计费工作，保证了用户界面的美观并且提升了可靠性。本系统结构图如图1所示。
图1 系统结构图
2 硬件设计
2.1 底层控制板设计
底层控制板由输出电源控制、安全检测监控、电动汽车CAN总线通信等底层控制逻辑硬件组成。
2.1.1 STM32F103VE最小系统
图2 CAN总线电路设计
底层控制板采用STM32F103VE芯片[4]，它集成了多种外设模块，包括A/D和D/A转换器、多达11个定时器、3路SPI接口、5个USART串口、2路I2C总线接口、CAN总线接口(2.0B主动)、USB2.0全速接口、SDIO接口。
STM32F103VE芯片通过丰富的外设通信总线和I/O资源实现了对于充电桩底层硬件的控制。CAN总线用于与电动汽车BMS系统进行通信。A/D转换器用于充电状态的识别和充电电压与电流的反馈。通过SPI总线对连接输出主电源的D/A芯片进行控制。USART分别用于与WinCE触摸显示模组和充电状态显示模块通信。STM32F103VE丰富的I/O资源为控制和检测电子锁、泄放控制、IMD模块等提供了极大的方便。
2.1.2 CAN总线设计
此部分采用了ISO1050芯片，它是一款采用氧化硅绝缘隔栅的CAN转发器，完全符合或优于ISO11898-2标准的技术规范，可达到2 500 VRMS隔离。同时，还具有长达25年的使用寿命。通过这部分电路，STM32F103VE实现与电动汽车BMS的通信[3]。CAN总线部分电路如图2所示。
2.1.3 输出主电源控制
输出主电源控制部分由D/A转换芯片和线性光耦隔离电路组成。D/A芯片采用了TLV5638，它具有2路独立的12位D/A转换器，可以同时控制输出主电源的电压和最大输出电流。
线性光耦隔离电路是将控制电路与输出主电源之间的电气连接隔离开，防止输出主电源端的电磁信号对控制电路干扰。线性光耦采用HCNR201，它是AVAGO公司推出的高性能模拟光电耦合器。它内部有一个高性能AlGaAs LED和两个高度匹配的光二极管。它非常适合于需要稳定性、线性度良好的模拟信号隔离。输出主电源控制电路如图3所示。
图3 输出主电源控制电路
2.1.4 充电CC1接口
根据新国标GB/T18487.1-2015的《附录B直流充电控制导引电路与控制》中的要求，充电桩要通过充电中CC1触头的电压值判断充电桩与电动汽车是否确认连接[1]。根据《附录B直流充电控制导引电路与控制》可知，CC1触头的电压最大值为12.8 V，最小值为3.2 V，所以将CC1触头的电压信号进行衰减后，通过放大倍数为2的运放电路进行放大[6]。充
电CC1接口电路如图4所示。
图4 充电CC1接口电路
2.1.5 状态量输入电路
状态量是指类似于充电锁止开关反馈信号、急停开关信号，这类只有2种状态的信号。状态量输入电路主要是将状态量信号输入到STM32F103VE中。状态量输入电路如图5所示。
图5 状态量输入电路
2.1.6 状态量输出电路
状态量输出电路是控制类似于充电锁止等装置。状态量输出电路采用了H11L1光耦进行隔离。状态量输出电路如图6所示。
图6 状态量输出电路
2.2 用户交互部分设计
用户交互部分是由WinCE触摸显示模组、嵌入式打印机、三相电能表、RFID刷卡模块组成。
WinCE触摸显示模组采用了北京蓝海微芯科技有限公司的LJD-eWinV5-ET(K)7 型嵌入式触控一体机，它采用7寸触摸LED背光液晶屏幕，预装正版WinCE 6.0系统。它作为一个可显示的终端控制设备，拥有4路RS-232接口，用于与底层控制板、打印机、三相电能表、刷卡模块进行通信[7]。这种显示界面与控制系统分离的结构使各个系统更独立，防止相互之间过于依赖，同时也使系统升级更为方便。
嵌入式打印机采用了北京炜煌科技发展有限公司的WH-E24打印机，它采用针式打印方式，具有可靠性高等特点。嵌入式打印机与WinCE触摸显示模组通过RS-232接口连接。
三相电能表采用了北京海湾智能仪表有限公司的DTS(X)1366型三相电子式有功无功电能表。它可以对系统输入三相电能进行计量，并通过RS-485接口与外部通信。本系统中采用RS-485接口与WinCE触摸显示模组连接，通信上采用《DL/T 645-2007 多功能电能表通信协议》。
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