基于STM32 的集中式多槍交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用交流充電樁，為電動(dòng)汽車充電提出了一種全新的方案。該充電方案是將交流充電樁的多個(gè)控制單元集中放置在一個(gè)控制柜內(nèi)，做到控制部分的集中化管理，而每個(gè)充電槍頭則作為控制柜的一個(gè)分支，這樣就可以從該控制柜內(nèi)引出多個(gè)分支，每個(gè)分支只需要引出一個(gè)充電槍頭，連接線纜再配上一個(gè)充電槍頭掛板支架，即可滿足給電動(dòng)汽車充電的功能，省去了單個(gè)交流充電樁的構(gòu)建。同時(shí)，提供了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框架、各充電樁之間的通信電路以及軟件的控制流程。

關(guān)鍵詞：集中控制；多槍；交流充電樁；STM32

中圖分類號(hào)：U469.7 收稿日期：2022-11-02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.02.013

1 前言

隨著全國(guó)節(jié)能減排政策的實(shí)施，截至2021 年6 月底，中國(guó)新能源汽車的保有量約600 萬(wàn)輛，超過(guò)全球新能源汽車總量的50%，2021 年1-5 月，新能源汽車效率同比均增長(zhǎng)2.2 倍，增長(zhǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁，但車樁比約為3.1∶1，距國(guó)家規(guī)劃的1∶1 差距甚遠(yuǎn)。

目前，市場(chǎng)上常用的充電設(shè)備主要包括三種：?jiǎn)蜗嘟涣鞒潆姌丁⑷嘟涣鞒潆姌丁⒅绷鞒潆姌叮?］。其中直流充電樁雖然充電速度快，但對(duì)電池?fù)p傷大，頻繁出現(xiàn)車輛自燃的事故，充電設(shè)備成本也較高，一直未能大量普及。三相交流充電樁的車載充電機(jī)的漏電流偏大，且成本高于單相車載充電機(jī)，目前僅有比亞迪的車輛在使用，也沒(méi)有大量普及［2］。單相交流充電樁的充電電流小，對(duì)電池沒(méi)有危害，無(wú)虛電，且可以利用夜間便宜的電費(fèi)來(lái)充電，每晚充電量一般可以滿足非運(yùn)營(yíng)車輛的日常使用，但如果單相充電樁安裝過(guò)多，會(huì)引起電網(wǎng)的三相不平衡，加速變壓器等的老化，增大配電網(wǎng)線損，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生不利的影響［3-6］。

未來(lái)電動(dòng)汽車的充電趨勢(shì)將是“交流充電樁日常慢充”與“公共快充補(bǔ)電”兩種方式的結(jié)合。交流充電樁由于成本等優(yōu)勢(shì)占市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，且交流慢充多以單相充電樁為主。為了加快充電樁的發(fā)展，本文特別針對(duì)單相交流充電樁的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了多槍頭單相交流充電樁，極大地減緩了三相不平衡的問(wèn)題，同時(shí)降低了單相充電樁的成本。

本文基于STM32F107VCT6 與STM32F103C8T6 芯片設(shè)計(jì)了集中式單相交流充電樁，該充電樁自帶掃碼計(jì)費(fèi)、電費(fèi)計(jì)量功能，可拓展3～12 個(gè)樁，模塊化設(shè)計(jì)，配置靈活，具有友好的人機(jī)交互界面，預(yù)留以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信接口，便于智能化能源管理，適用于小區(qū)、商業(yè)綜合體、停車場(chǎng)、公司等場(chǎng)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家規(guī)劃的1∶1 的車樁比例目標(biāo)能起到極大的促進(jìn)作用。

2 集中式單相交流充電樁控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)

集中式單相交流充電樁控制系統(tǒng)軟硬件采用模塊化的設(shè)計(jì)思路、嵌入式的理論來(lái)完成，其中控制系統(tǒng)的硬件主控芯片中，以STM32F107VCT6 作為主站，以STM32F103C8T6 芯片作為從站，主站與從站之間采用SPI 總線進(jìn)行通信，主控芯片均采用意法半導(dǎo)體的兩款基于ARM 的32 位，工作頻率72 MHz，運(yùn)算時(shí)速高達(dá)1.25DMPIS，引腳數(shù)100，其中STM32F107 自帶10/100以太網(wǎng)與USB 接口模塊，內(nèi)存256 字節(jié)，6４kB 的SRAM，充分滿足本充電樁的設(shè)計(jì)需求。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖１所示，主要包含以下幾個(gè)模塊：

a. 電源模塊：包括220 V 轉(zhuǎn)+24 V、±12 V、＋5 V 的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，其中24 V 主要為觸摸屏，三色指示燈供電，±12 V 主要為CC、CP 等運(yùn)放供電，+5 V 功率20 W，5 V 在經(jīng)過(guò)LDO 芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V，為主控芯片提供工作的電源，為了避免一個(gè)電源出現(xiàn)故障導(dǎo)致整個(gè)充電樁不能工作，每相電源使用一路開(kāi)關(guān)電源。

b. 電氣安全防護(hù)模塊：為了保證設(shè)備與人員的安全，該模塊包括三相缺相檢測(cè)、避雷器、PE 接地檢測(cè)、過(guò)欠壓檢測(cè)、漏電檢測(cè)、柜門(mén)開(kāi)啟檢測(cè)、緊急停止模塊等。

c. 電量計(jì)量模塊：包括3～12 路的單相槍頭電量計(jì)量模塊，每個(gè)模塊是獨(dú)立的，且與MCU 之間采用RS485完成通信。

d. 計(jì)費(fèi)模塊：包括刷卡、掃碼扣費(fèi)模塊，該模塊與MCU 之間采用RS485 完成通信。

e. 人機(jī)交互模塊：采用某廠家的10 寸LCD 觸摸屏作為人機(jī)交互窗口，完成槍頭的選擇、繳費(fèi)、電壓、電量的顯示等功能，并完成充電及故障記錄。

f. 網(wǎng)絡(luò)通信模塊：使用ARM 自帶的10/100 以太網(wǎng)作為與遠(yuǎn)程后臺(tái)服務(wù)器的連接接口，便于后期實(shí)現(xiàn)智能化能源管理，不連接后臺(tái)也可保證單個(gè)工作站正常運(yùn)行［7］。

g. 充電指引模塊：包括3～12 路的槍頭三色指示燈的控制，其中紅色代表正在充電或者該樁故障，黃色與綠色代表空閑，等待充電，其中為了降低單相充電樁對(duì)電網(wǎng)的三相不平衡的影響，綠色優(yōu)先使用。

h. 控制導(dǎo)引模塊：按照GB/T 18487.1 國(guó)標(biāo)，完成CC充電連接確認(rèn)、CP 控制引導(dǎo)的輸出、監(jiān)控充電樁充電過(guò)程的各種狀態(tài)［8］；其中主站可完成3～6 路的控制，從站可完成6～9 路的控制，安裝小于6 路只需要一個(gè)MCU，否則需要兩片MCU。

該方案是將單個(gè)交流充電樁所包括的結(jié)構(gòu)部分以及電控部分集中放置在一個(gè)控制柜內(nèi)，從該控制柜內(nèi)引出每個(gè)充電槍頭的分支，每引出一個(gè)分支就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)交流慢充的功能。如圖2 所示，在每個(gè)停車位上需要有一個(gè)充電槍電纜掛板實(shí)現(xiàn)槍頭的放置。如果該方案的交流充電樁建設(shè)在一片空曠的區(qū)域，電纜掛板沒(méi)有支撐物安裝，則除了上述的充電槍頭和電纜掛板外，在每個(gè)車位處還需要有一個(gè)安裝立柱，用來(lái)固定電纜掛板，省去了單個(gè)交流充電樁的組成構(gòu)建。

3 集中式單相交流充電樁控制系統(tǒng)硬件電路

根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思路，可將上述控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖劃分為相應(yīng)獨(dú)立的模塊，比如開(kāi)關(guān)電源電路、電氣安全防護(hù)模塊電路、充電指引電路、控制導(dǎo)引模塊電路等。

有些電路比較簡(jiǎn)單，或者比較常見(jiàn)，在此只針對(duì)個(gè)別電路進(jìn)行描述。

3.1 充電樁反激式開(kāi)關(guān)電源

本開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓為交流220 V，輸出電壓分別為±12 V、+24 V、+5 V，220 VAC 取電電路是經(jīng)過(guò)整流橋U4 將AC 變DC，串入D10、D11 提高抗浪涌的能力，220V 電源整流后的電壓進(jìn)入母線。電路中電容C1，可以降低傳導(dǎo)輻射，且C1 一般使用高壓薄膜電容，需要靠近變壓器和開(kāi)關(guān)管擺放。

電源的控制芯片UC2844 是一款高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，使用該芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與一般的電壓控制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：外圍電路簡(jiǎn)單、電壓調(diào)整率好、頻響特性好、穩(wěn)定幅度大，具有過(guò)流限制、過(guò)壓保護(hù)和欠壓鎖定等功能［9］。該芯片內(nèi)部采用精度為±2.0％的5.00 V基準(zhǔn)電，具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級(jí)；振蕩器的最高振蕩頻率可達(dá)500 kHz。內(nèi)部振蕩器的頻率由芯片引腳8 與引腳4 間電阻R10 引腳4 的接地電容C4 決定。其內(nèi)部帶鎖定的PWM（Pulse Width Modula?tion），可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖的電流限制；能提供高達(dá)1 A的電流直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。

本開(kāi)關(guān)電源的工作原理簡(jiǎn)單描述為：當(dāng)反饋電壓5 V輸出變高時(shí)，經(jīng)電阻R18、R19 分壓后接到TL431 的參考輸入引腳的電壓也隨之升高，與TL431 內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓2.5 V 進(jìn)行比較，TL431 的1 腳電壓降低，進(jìn)而光耦二極管的電流IF 變大，集電極的U1 引腳電壓降低，經(jīng)過(guò)U1 內(nèi)部的電流采樣電壓與電流檢測(cè)比較器進(jìn)行比較后輸出變高，PWMV 鎖存器復(fù)位，或非門(mén)輸出變低，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管MOSFET，變壓器初級(jí)線圈傳遞給次級(jí)線圈的能量變小，輸出電壓變低，反之MOSFET 被打開(kāi)，最終實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電壓的各路電壓輸出不受電網(wǎng)電壓或者負(fù)載變化的影響，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制。其中5 V 與24 V 的電壓的紋波如圖3 所示。

3.2 充電樁電氣與控制導(dǎo)引工作電路

輸入電纜包括三根L、N、PE 三相電纜，其中三根電纜分別接L1、L2、L3，電纜將電網(wǎng)的電輸入到控制柜內(nèi)的電氣安全防護(hù)模塊，然后從主控制模塊的輸出部分再輸出到每個(gè)車位的充電槍頭處，其中，每2～4 個(gè)充電槍頭的輸出電源來(lái)自其中一相火線，這樣做的目的是降低因單根相線上帶的負(fù)載太大造成對(duì)電網(wǎng)線路電壓的波動(dòng)。另外每2～4 充電槍連接一個(gè)急停開(kāi)關(guān)，可以有效地避免因某個(gè)充電槍故障造成整個(gè)充電站斷電不能用的情況。該控制方案能夠提供的充電樁數(shù)量最多為12個(gè)。具體電氣布置如圖4 所示。

在給新能源汽車充電過(guò)程中，準(zhǔn)確無(wú)誤地判斷充電樁和汽車之間的連接是否可靠是至關(guān)重要的，本文結(jié)合最新版國(guó)標(biāo)GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)：通用要求》，設(shè)計(jì)了單相交流充電樁控制導(dǎo)引電路原理圖，如圖5 所示。

3.3 充電樁以太網(wǎng)電路

針對(duì)嵌入式以太網(wǎng)設(shè)備在傳輸距離上受限的缺點(diǎn)，不能滿足充電樁組網(wǎng)時(shí)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨螅疚脑O(shè)計(jì)了一種適合長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，以DM9161EP和STM32F107 嵌入式芯片為核心，進(jìn)行了嵌入式以太網(wǎng)傳輸?shù)挠布c軟件設(shè)計(jì)［10］。

其中DM9161EP 是10/Mbit/s 以太網(wǎng)的物理層的收發(fā)器芯片，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，其完全符合IEEE－802.3 和IEEE－802.3u 規(guī)范，并支持光纖上實(shí)現(xiàn)100Mbit/s 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［11］。硬件上STM32F107 芯片通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RMII 硬件接口與DM9161EP 相連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，這樣可以減少I/O 的占用，節(jié)約芯片引腳資源，使電路設(shè)計(jì)得更加簡(jiǎn)潔，其具體的硬件原理如圖6 所示，軟件上為了節(jié)約芯片資源STM32F107 會(huì)把從DM9161EP 芯片中接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在一個(gè)高速接收/發(fā)送FIFO 中，數(shù)據(jù)包通過(guò)芯片的DMA 進(jìn)行接收/發(fā)送以此完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

4 單相交流充電樁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在原有硬件的基礎(chǔ)上，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，本文采用KeilμVision5 編譯軟件完成整個(gè)軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件的主程序流程圖見(jiàn)圖7。系統(tǒng)初始化后，開(kāi)始一系列的啟動(dòng)功能，其中系統(tǒng)初始化與啟動(dòng)功能，包括I/O 口、ADC 模塊、UART 模塊、以太網(wǎng)通信模塊、定時(shí)器、看門(mén)狗等模塊的初始化與啟動(dòng)。為了提高控制系統(tǒng)運(yùn)行效率，盡可能少開(kāi)中斷，本系統(tǒng)只開(kāi)了定時(shí)器中斷，將PWM 發(fā)波與CC、CP 確認(rèn)放在中斷中執(zhí)行，其余的把2 ms 分成A、B、C、D 四個(gè)函數(shù)，將實(shí)時(shí)性要求不高的功能，比如三色燈的控制、電量的讀取、與觸摸屏的通信等功能模塊放在A、B、C、D 相對(duì)應(yīng)的函數(shù)中，每2 ms 查詢一次。

邏輯控制的主要功能是完成車輛的人機(jī)交互、電量計(jì)算、收費(fèi)功能、充電等功能，具體的流程如圖8 所示。首先客人根據(jù)每個(gè)槍柱的三色燈，進(jìn)行停車并插入槍頭，在觸摸屏上掃碼選擇相對(duì)應(yīng)的槍頭，刷卡或者掃碼預(yù)存充電金額，當(dāng)余額大于0.1 元后進(jìn)行CC 連接確認(rèn)，CC 確認(rèn)完成后進(jìn)行CP 確認(rèn)，連接沒(méi)問(wèn)題后，導(dǎo)通相應(yīng)的槍頭進(jìn)行充電，充電過(guò)車中CC、CP 一直處于狀態(tài)監(jiān)控中，充電完成后結(jié)束充電，期間余額不足或急停被按下時(shí)也會(huì)自動(dòng)停止充電。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所提供的集中控制式交流充電樁方案，節(jié)省了單個(gè)交流充電樁的結(jié)構(gòu)部分，如殼體、密封件、緊固件等。另外，交流充電樁的使用環(huán)境相對(duì)來(lái)說(shuō)比較惡劣，所以對(duì)充電樁的防護(hù)等級(jí)有一定的要求，這種集中控制式交流充電方案的電氣控制部分均集中在一個(gè)控制柜內(nèi)，而每個(gè)車位處的充電槍頭固定部件不牽扯到電氣部分，所以對(duì)于設(shè)計(jì)者以及安裝人員都降低了難度。同時(shí)這種控制方案對(duì)于組裝人員以及安裝人員也可以節(jié)省不少體力和時(shí)間。

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作者簡(jiǎn)介：

沈鳳梅，女，1987 年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚈z測(cè)與維修。