【精品文章】基于STM32的三相交流充电桩控制系统设计*

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【精品文章】基于STM32的三相交流充电桩控制系统设计* [复制链接]

作者简介　

 

盛杰, 郭春林, 杨洪旺

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206)

 

文章简介　

 

摘要：基于STM32F105VCT6芯片，设计了一款支持触摸/刷卡操作、电能计量和4G通信等功能的三相交流充电桩控制系统。提出了三相交流充电桩控制系统的主体结构，对其进行了功能模块划分，设计了控制系统的硬件电路和软件程序，主要包括控制导引状态检测电路、三相电压和电流测量等电路，并且采用Keil μVision5软件开发系统对控制系统进行软件开发，设计了控制导引电路和状态检测电路等软件程序。样机测试表明，所设计的三相交流充电桩控制系统能够实现充电桩与车辆的正确响应，可以用于电动汽车充电领域。

 

关键词：STM32；三相交流充电桩；控制系统；电动汽车

0 引 言

随着全球节能减排政策的推进，电动汽车取代燃油汽车已经列入了多国未来十年乃至二十年的规划目标之一，未来电动汽车将会更多的出现在我们的日常生活中。但是，电动汽车的充电问题一直未能得到妥善解决。目前，市面上常见的用于电动汽车的充电设备是单相交流充电桩和直流充电桩，单相交流充电桩因其安全稳定，对电动汽车电池的损伤小，常常用于个人和小型充电站，但不适于对充电速度要求高的场合，并且单相交流充电桩大规模的接入电网会引起三相不平衡问题，给现有配电网结构、网络潮流分布和网络线损等带来了极大的影响；直流充电桩因其充电速度快，常用于大型充电站和高速换电站等场合，但由于其整流输出的直流电没有经过车载充电机而直接接入汽车电池，其冲击电流会对电池的使用寿命造成影响。

 

三相交流充电桩在向电动汽车快速充电的同时，可以降低对电动汽车电池的损害，并且其接入电网的是三相电，不会引起三相不平衡问题。同时相同功率大小的三相交流充电桩造价要比直流充电桩低很多，综合了直流桩和单相桩的优点。目前，由于汽车技术条件的限制，车载充电机整流出的漏电流未能得到有效抑制，导致三相交流充电桩未能普及，根据市场调研，仅有比亚迪公司生产的电动汽车能够使用三相交流充电桩充电，但随着技术的改进，三相交流充电桩一定会得到更加广泛地应用。文中基于STM32F105VCT6芯片，设计了一款42 kW三相交流充电桩控制系统的硬件电路和软件程序，并制成了样机，最终对该充电桩样机充电时的CP(充电触头名称)信号电压与充电电压和电流做了现场充电测试，验证了其可行性，满足相关国标要求，可以用于电动汽车充电领域。

1 三相交流充电桩控制系统主体结构

文中三相交流充电桩控制系统主要根据嵌入式理论，采用软硬件结合的方式来设计。控制系统由主控制模块和辅助模块两部分组成，主控制模块和辅助模块之间通过TTL串口实现通信，如图1所示。其中，主控制模块MCU选用STM32F105VCT6处理器，该处理器是某公司的一款基于ARM的32位的微控制器，工作频率为72 MHz，运算时速可达1.25 DMIPS，引脚数100，充分满足本充电桩的运行内存和功能需求。

 

图1 充电桩控制系统结构图

Fig.1 Structure diagram of charging pile control system

 

主控制模块是控制系统的核心，主要包含了以下内容:

(1)检测充电桩电气接口连接状态和充电控制时序的控制导引模块；

(2)对输出继电状态、电磁锁状态、漏电状态等各种模拟信号进行数据采集的信息采集模块；

(3) 给充电桩各类硬件电路提供恒定直流电压的电源模块；

(4)保证充电过程中的人身安全，防止设备出现意外损坏的电气安全防护模块，其中包括避雷器、漏电保护装置、交流接触器、急停开关等设备；

(5)测算充电过程中的三相电压和电流、有功能量、无功能量和有功功率等的电能计量模块。

除主控制模块外，还设计了辅助模块，主要实现人机交互和网络通信功能，包括了REID读卡器、电源和充电状态指示灯、LCD触摸屏、RS485备用接口以及4G网络通信模块等设备，满足多种功能需求。

2 三相交流充电桩控制系统的硬件电路设计

基于上述三相交流充电桩控制系统结构图，进行三相交流充电桩控制系统的硬件电路设计，其硬件电路主要包括控制导引状态检测电路、三相电压和电流测量电路等，对其设计描述如下：

2.1 充电桩控制导引工作电路

在电动汽车充电过程中，怎样判断充电桩和电动汽车之间的连接确认以及充电桩的额定电流至关重要，结合新版国标GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统：通用要求》，所设计的三相交流充电桩控制导引电路原理图如图2所示。

图2 控制导引电路原理图

Fig.2 Schematic diagram of control guiding circuit

2.2 控制导引状态检测电路

根据三相交流充电桩控制导引电路及充电连接控制时序，充电时供电控制装置会发出±12V PWM信号，该信号通过电阻R1的分压使得检测点1存在六种充电电平状态，而对于充电连接时序控制的关键就在于精确地检测出这六种充电状态。因此，文章设计了控制导引状态检测电路，用于控制导引电路电平信号的实时检测，如图3所示。

图3 控制导引状态检测电路

Fig.3 Control guiding state detecting circuit

 

文章采用LM239D型四路电压比较器，并设置其中三路的比较阈值分别为+10 V、+7 V和+5 V，最终可通过这三路输出的逻辑真值排列组合，来判断相应的充电电平状态。为了防止检测点1输出的CP信号电压异常过大损坏电路，在比较器输入端加入了MMBD4148SE型开关二极管，将输入的CP信号电压范围钳制在-12 V～+12 V。同时，在电压比较器的每一路信号输出之后，还经过一个TLP121型光电耦合器，将CP信号隔离后再输出进行检测，增强了电路的电绝缘能力和抗电磁波干扰能力。

2.3 三相电压流测量电路

随着现代电力电子技术的发展，智能式的电能计量芯片越来越多的应用于工业设备计量中，针对文章所设计的三相交流充电桩，选用了ATT7022EU型计量芯片来测量其三相电压和电流。ATT7022EU型计量芯片是一款高精度多功能的三相电压流采集测量专用计量芯片，适用于三相三线与三相四线设备，该芯片集成了七路二阶sigma-delta ADC、所有功率、参考电压电路、有效值、能量、频率测量及功率因数的数字信号处理等电路，可以测量各相的有功能量、无功能量、视在功率、有功功率以及无功功率，并且还能检测各相的电流、功率因数、电压有效值、频率和相角等参数，完全满足三相复费率电能表的各种需求。结合ATT7022EU型计量芯片，文章所设计的三相电压流测量电路如图 4所示。

图4 三相电压流测量电路

Fig.4 Three-phase voltage flow measuring circuit

3 三相交流充电桩控制系统的软件设计

在已有硬件电路的基础上，文章采用Keil μVision5软件开发系统对三相交流充电桩的控制系统进行软件开发，并设计了控制导引电路和控制导引状态检测电路等主要部分的软件程序。

3.1 控制导引电路软件设计

对于三相交流充电桩控制系统的程序设计，应该紧密结合电动汽车的整个充电过程，在充电枪头接入电动汽车后，汽车应该自动锁止从而让车辆处于非行驶状态，然后充电桩和电动汽车分别通过判断相应检测点的值来确认供电接口和车辆接口是否已完全连接，在车载充电机自检完成并且电池组可以充电时，车端闭合开关S2，充电桩检测到检测点1的电压值为+6 V后，闭合交流接触器使三相供电回路导通，此时充电系统启动。在充电过程中，车辆控制端会实时监测充电接口的连接状态和电流变化情况。最后，当驾驶员下达停止充电命令、满足车辆预先设置的结束条件以及发生其他异常情况时，充电桩应停止充电。文章设计的控制导引电路软件流程图如图5所示。

 

 

图5 控制导引电路软件流程图

Fig.5 Control guiding circuit software flow chart

3.2 控制导引状态检测电路软件设计

通过2.2节充电时序控制硬件电路可以得出，精确地检测出六种充电电平状态是控制导引电路软件设计的关键，充电控制装置和车辆控制装置通过判断CP1、CP2和CP3的值来确认此时所处的电平状态，其真值状态检测表如表1所示。

 

表1 控制导引状态检测真值表

Tab.1 Control guide state detection truth table

在程序中，针对每一次采样的数据，都会进行五次循环采样，以提高数据的精准性，以下程序为CP1信号采样循环语句：

for (i = 1; i < PWM_STATUS_BUF_LEN; i++)

{

if (CP1StatusBuf[0] != CP1StatusBuf) { break;}

if (GndStatusBuf[0] != GndStatusBuf) { break;}

if (GndStatus != GndStatusBuf[0])

{ GndStatus = GndStatusBuf[0]; }

if (CP1Status != CP1StatusBuf[0])

{ CP1Status = CP1StatusBuf[0];

SetBeepTimes(1);}

}

4 充电桩样机测试

根据上述三相交流充电桩控制系统硬件电路和软件程序，文章搭建了一台三相交流充电桩样机，并对其进行现场充电测试，测量充电过程中的CP信号是否能让充电桩和车辆正常通信以及充电的实际电压和电流。

4.1 CP信号通信功能测试

文章使用示波器，对样机充电过程中的CP信号电压进行了测量，如图6所示，此时CP信号电压为+9.0 V/-12.2 V的PWM信号，表明充电枪已接入车辆，电动汽车准备就绪；当CP信号电压变为+6 V/-12 V并且持续收到充电桩发出的PWM信号时，车辆已经处于充电状态，如图7所示。

此时CP信号为+6.0 V/-12.2 V的连续PWM信号，输出电压幅值相差0.2 V，且频率为1 000 Hz，符合国标GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统：通用要求》中输出频率范围为970 Hz～1 030 Hz，输出电压幅值不超过±0.6 V的要求。

 

图6 预备充电时CP信号

Fig.6 CP signal during pre-charging

 

图7 充电过程中CP信号波形

Fig.7 CP signal waveform during charging

4.2 实际充电电压和电流测试

文章还对充电过程中输出的电压和电流进行了测试，如图8所示，A、B、C三相的电压和电流都能维持在一个恒定值左右，经计算实际的充电功率为41.7 kW。

图8 实际充电电压和电流

Fig.8 Actual charging voltage and current

 

上述测试表明，文章设计的三相交流充电桩控制系统在充电过程中可以实现“桩与车”的正确响应，充电功率基本达到所设定的额定值，该控制系统能够应用于电动汽车充电领域。

5 结束语

文章设计的基于STM32F105VCT6芯片的三相交流充电桩控制系统和其他控制系统中使用的STM32系列相比，可以更好地处理运算数据，其丰富的外设能够简化外围电路设计。该充电桩控制系统还支持按电量充、按金额充以及按时间充等各种充电场景，并能准确测算充电时的电能以及充电费用。经过后期大量的测试，该控制系统在充电过程中的电压、电流和功率等数据均可以维持在正常范围内，并且其充电速度是一般单相交流充电桩的五倍，普通电动汽车充满电所需时间不到两个小时，满足电动汽车安全、稳定和快速的充电需求。所设计的三相交流充电桩控制系统对于充电桩控制系统的研发以及电动汽车的快速普及具有一定的意义。
 

（详见《电测与仪表》杂志2020年第16期，可查看公众号底部导航：期刊杂志--《电测与仪表》选择相应期刊进入阅读）

来源/《电测与仪表》杂志社

编辑/李金荣