一種雙槍直流充電機核心控制系統設計與實現

覃見吉， 耿魁偉， 左 巍

（廣州銳速智能科技股份有限公司， 廣東 廣州 511340）

0 引言

我國目前面臨嚴重的環境污染和能源短缺問題。 電動汽車作為新型能源應用之一，具有能源利用率高、排放無污染等諸多優點。 大力發展電動汽車已成為全球的趨勢。充電樁作為電動汽車的充電設備，其相關技術的研究是電動汽車廣泛普及的前提條件。 本文以STM32F104ZET6控制器為核心， 設計并實現了直流充電樁嵌入式控制系統。 首先， 設計了直流充電樁嵌入式控制系統的整體框架，根據直流充電樁功能需求，應用嵌入式控制技術，搭建了系統硬件和軟件平臺。 其次，參照國家電網標準，設計并實現了嵌入式控制系統對當前電網參數的實時監控；從實際用戶角度考慮，選擇刷卡支付的方式完成交易結算；參照GB/T18487.1 國家標準，設計并實現了嵌入式控制系統對當前環境溫濕度的實時監測； 參照GB/T 27930《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》，設計并實現了嵌入式控制系統對直流輸出單元的控制； 利用人機交互技術， 從應用程序角度出發，設計并實現了能夠滿足用戶操作的人機交互界面。

1 直流充電機控制器技術要求

直流雙槍核心板是針對直流雙槍充電樁推出的充電控制板，軟硬件設計滿足新國標要求，支持業內主流廠家充電模塊通訊協議。 該產品采用AMR9 高性能處理器，Linux 實時操作系統，穩定性及可裁剪性強；可通過WEB前端對控制板進行狀態查詢，參數設置，遠程控制，充電記錄查詢，系統信息查看，在線升級等。 該產品通過連接充電模塊、絕緣檢測模塊、刷卡板，顯示屏、電能表、防雷模塊等，可實現電動車BMS 通信交互，主充電接觸器控制、同時具有計量計費、溫度監控、槍鎖控制、泄放回路控制、散熱風機及急停控制、主充電狀態檢測、輔助電源狀態檢測、狀態指示等功能，是充電樁內部最重要的組成部分。 另外可通過以太網，4G 通訊等方式，將數據傳送到云端進行存儲，后臺遠程監控和管理，APP 監控和管理。

2 直流充電機控制器系統架構

2.1 直流充電樁內部架構

直流充電樁內部架構如圖1 所示。

圖1 直流充電樁內部架構

2.2 直流充電樁電氣結構

直流充電樁電氣結構如圖2 所示。

圖2 直流充電樁電氣結構

3 直流充電機控制器硬件配置接口

在NB/T 33001-2010 標準中指出， 直流充電樁基本構成包括：功率單元、控制單元、計量單元、充電接口、供電接口及人機交互界面等。

根據各種標準設計出的直流充電樁，早期是五花八門的，主要差別在于強電的各種開關、繼電器、接觸器、漏電保護器、防雷等細節不太一樣。隨著直流充電樁的普及，直流充電樁的具體設計細節逐漸雷同。 接口配置如下：①電源：AC220±20%V 1A； ②備用輸出：2 路干接點輸出，備用；③故障報警輸出：1 路干接點輸出，用于故障輸出，或控制交流輸入；④電磁鎖：2 路電磁鎖12v 輸出，可以切換12v 正負，滿足驅動線圈或電機；⑤泄放電阻控制：2 路泄放控制輸出，用于控制泄放回路；⑥冷卻風扇控制：充電時，控制啟動風扇；⑦故障指示燈：故障指示；⑧B 充電指示燈：B 充電指示；⑨A 充電指示燈：A 充電指示；⑩電源指示燈：電源指示；11○A-BMS 電源輸出：控制A 槍BMS電源輸出； 12○B-BMS 電源輸出： 控制B 槍BMS 電源輸出；13○A-斷路器輸出：A 槍控制DC+DC-斷路器輸出；14○B-斷路器輸出：B 槍控制DC+DC-斷路器輸出； 15○急停狀態：緊急停止充電按鈕狀態，開關量采集；16○A 斷路器KM1 狀態：A 斷路器KM1 狀態，開關量采集；17○A 斷路器KM2 狀態：A 斷路器KM2 狀態，開關量采集；18○B 斷路器KM1 狀態：B 斷路器KM1 狀態， 開關量采集； 19○B斷路器KM2 狀態：B 斷路器KM2 狀態，開關量采集；20○A電磁鎖狀態：A 電磁鎖的閉合或斷開狀態， 開關量采集；21○B 電磁鎖狀態：B 電磁鎖的閉合或斷開狀態，開關量采集； 2○A 槍溫溫度狀態：A 充電槍頭溫度開關量狀態，開關量采集；23○B 槍溫溫度狀態：B 充電槍頭溫度開關量狀態，開關量采集；24○備用狀態：備用開關量狀態，開關量采集；25○柜門狀態：柜門打開關閉開關量狀態，開關量采集；26○A 車CC1 信號：滿足國標滿足國標6v、4v 的模擬量采集；27○B 車CC1 信號：滿足國標滿足國標6v、4v 的模擬量采集；28○外部電源：外部控制電源輸入，用于驅動中間繼電器，電源兼容12V 輸入；29○讀卡器USB 接口：外接ic非接觸式讀卡器，用于結算。同時用于控制器本地升級程序；30○觸摸屏：人機界面操作，單充標配7.0 寸屏，通訊RS232。 其他可定制；31○讀卡器：外接ic 非接觸式讀卡器，用于結算；32○以太網：備用通訊接口，與后臺組網。 標準RJ45 網絡接口；3○絕緣檢測：用于絕緣檢測，同時測量2路絕緣電阻； 34○電表： 電表地址可設， 電表接口為RS485.9600.E.8.1，協議滿足國標DLT645-2007 的三相電表均可以使用；35○A-BMS-CAN 通訊：A 槍電池管理系統（bms）與控制器通訊，滿足新國標；36○B-BMS-CAN 通訊：B 槍電池管理系統（bms）與控制器通訊，滿足新國標；37○A-ACDC-CAN 通訊：控制器與A 槍ACDC 模塊電源can通訊，滿足多種協議，可根據客戶使用的模塊廠家定制協議；38○B-ACDC-CAN 通訊：控制器與B 槍ACDC 模塊電源can 通訊，滿足多種協議，可根據客戶使用的模塊廠家定制協議；39○擴展-備用：預留接口擴展備用；40○A-DC 測量輸入：測量A 槍車輛充電電壓；41○B-DC 測量輸入：測量B 槍車輛充電電壓； 42○支持GPRS 2g/3g/4g 通訊或WIFI 的硬件管腳接口集成，選配時直接插入無線通訊板卡； 43○實現絕緣監測的硬件集成； 44○獨立的各槍的BMS 12V/24V 切換輸出口。

4 直流充電機控制器軟件配置

直流充電機充電功能實現靠軟件界面的操作， 目前控制器通過RS232 接口和一臺鑫瑞達7 寸觸摸屏通信實現功能。

（1）人機界面。①7 寸工業觸摸屏。 （可以根據要求定制10 寸12 寸屏）； ②在充電主界面直觀顯示如下數據：充電電壓、充電電流、電能量計量信息、賬戶余額、消費金額、已充時間，各種狀態輸入；③具備電源、運行充電、故障指示燈；④管理員參數設置，需要密碼進入，并分多個按鈕或多級菜單菜單進入不同類型參數的設置； ⑤顯示故障告警信息記錄最近50 條，掉電不丟失；⑥充電過程中的狀態顯示，文字提醒，防止人員誤操作；⑦人機界面友善，背景不要就是單色調。

（2）充電功能。 ①BMS 符合新國標GBT27930.1-2016；②充電模式：定額充電、定時充電、定量充電、預約充電、自動充滿；③充電控制方式：均充、輪充、功率自動分配；④掉電充電記錄保存功能，充電信息掉電不丟失；⑤斷網充電記錄保存功能，斷網充電信息不丟失，網絡連通繼續上傳結算信息； ⑥循環記錄充電信息100 條。 掉電不丟失，可上傳后臺；⑦循環記錄異常結束充電導致的未結算充電信息100 條。 掉電不丟失，可上傳后臺；⑧支持刷卡啟動充電；⑨支持掃描二維碼啟動充電；⑩支持后臺計費模式、本地刷卡計費模式、本地無卡模式。

（3）保護故障告警功能。 ①交流輸入過壓、欠壓、過流、短路、漏電、防雷保護，部分保護定值可設；②充電中電磁鎖鎖定充電槍；③充電中，槍頭溫度監控，超溫告警，停止充電；④具備急停開關，能通過手動或遠方通信指令緊急停止充電；⑤在啟動充電時需人工確認啟動；⑥系統出現重要告警時，立即上報相關告警故障；⑦BMS 充電4步故障指示。

（4）支付功能。①支持非接觸式IC 卡刷卡支付，并兼容市場上多家主流讀卡器廠家協議；②支付手機APP 掃碼支付；③支持微信掃碼支付。

（5）計量功能：電表計量。

（6）后臺通信功能（協議可定制）。①支持以太網通訊（標配）；②支持RS485 通訊（選配）；③支持RS232 通訊（標配）；④支持GPRS 2g/3g/4g 通訊或WIFI（選配）。

（7）出廠調試功能。①出廠調試功能為出廠測試和調試人員服務， 在這個功能下可以看到四個分頁或菜單按鈕，分別為：監控、開出、開入、模塊控制。調試人員可以通過出廠調試功能進行控制、查看、啟停、對比；②監控界面可以設置輸出的電壓電流，進行啟停，該界面可顯示各種模擬量數據；③調試開出界面，包含了一些必備的開出控制， 調試人員可以在此界面測試各項開出接線是否完好正確；④調試開入界面，包含了一些必備的開入顯示，調試人員可以在此界面通過開關對應的開入源， 來查看每項開入接線是否完好正確；⑤模塊控制界面，調試人員在此界面可以把之前配置好的每組模塊切換給每把槍，并設置好電壓電流進行輸出， 通過這項操作可以判斷模塊分組是否正確，接線是否正確。

（8）功能配置菜單。 ①可配置的功能，均可開啟或者關閉；②絕緣檢測關閉，充電樁將不進行絕緣檢測；③連接確認關閉，充電樁不再判斷是否連接好；④手動模式開啟，退出后再進行充電會進入手動充電模式。

（9）模塊狀態菜單。可實時查看當前各槍的各電源模塊的狀態，例如：各模塊的電流電壓、通訊狀態、故障狀態，各槍當前的總電流電壓。

（10）開入開出配置菜單。 支持各開入開出的可配置功能，以應對不同場景需求；程序邏輯上支持各開入開出的不同開啟關閉狀態，保證充電功能正常運行。

（11）BMS 電源控制。 ①配合硬件上的各槍的BMS 12V/24V 切換輸出口，實現各槍的BMS 12V/24V 切換；②分為三個選項： 自動識別——通過樁體與車輛BMS 的通信自動識別使用12V 或則24V， 并在充電界面下提示當前充電使用的是12V 還是24V； 手動控制--在充電界面下可選擇使用12V 或則24V 給車輛BMS 充電；關閉--程序默認使用12V 給車輛BMS 充電，并在充電界面下不可選擇12V 或則24V 給車輛BMS 充電。

圖3 直流充電機控制器軟件界面

5 結論

根據目前國內電動汽車直流快充的現狀， 設計出了符合新國標GB / T18487.1-2015 等5 項國家標準的電動汽車直流快速充電樁. 首先介紹了目前電動汽車直流充電機的技術特點，在此基礎上，按照新國標的要求，提出了充電樁控制系統的總體設計架構， 并從硬件和軟件兩個方面詳細描述了有關設計。充電樁控制以STM 32F104VE單片機作為核心， 以μC/OSII 為嵌入式操作系統的底層控制程序，實現充電協議與輸出控制功能.人機交互以觸摸顯示模組為核心，基于WinCE 的人機交互界面，實現充電計費和操作指引功能. 改裝置在各大公交場站充電站穩定運行，取得良好的經濟效益和社會效益。