汽車是現代生活中不可或缺的交通工具，但隨著能源危機和環境污染問題日益嚴峻，傳統燃油汽車的發展面臨著越來越大的壓力。電動汽車憑借其在環保和節能等方面的優勢，已成為汽車工業發展的必然趨勢。然而，電動汽車要想得到快速廣泛的普及，便捷高效的電能補給網絡建設是重要的前提之一。充電系統為電動汽車運行提供能量補給，是電動汽車的重要基礎支撐系統，也是電動汽車商業化、產業化過程中的重要環節。交流充電樁是指固定安裝在電動汽車外，與交流電網連接，為電動汽車車載充電機提供交流電源的供電裝置。

1、 總體方案設計

本文研制了一種落地式交流充電樁，外觀如圖1所示，該交流充電樁安裝方便，使用簡單，可布設于充電站、停車場等室內或室外場所。

1．1 功能需求分析

首先，作為電動汽車電能補給裝置，系統必須采取必要的安全防護措施，向車載充電機可靠地輸出高質量的交流電能，同時保障操作人員及設備的電氣安全。其次，準確的電能計量及收費是系統的基本功能，要滿足分時段多費率的使用要求。最后，一個友善的人機接口界面及便捷的操作流程設計，能夠給用戶留下愉快的使用體驗，從而使產品更容易為市場所接受。

1．2 模塊化結構設計

根據交流充電樁的功能需求，對系統進行了模塊化設計，包括交流輸入控制模塊、交流輸出控制模塊及中央管理模塊，如圖1所示。

各模塊主要實現的功能如下：

（1）交流輸入控制模塊。實現交流電能的計量，交流供電控制，電氣安全防護等。

（2）交流輸出控制模塊。實現充電電纜連接判斷，與車載充電機進行通信。

（3）中央管理模塊。實現人機交互、用戶身份識別、計量收費、數據管理和通信、交流輸入／輸出模塊控制，以及故障診斷等功能。

2、 交流輸入／輸出控制模塊設計

2．1 交流輸入控制模塊

交流輸入控制模塊由斷路器、保護裝置、電能計量裝置、交流接觸器及急停按鈕等裝置組成，硬件框圖如圖2所示。

斷路器和保護裝置提供對操作人員及電動汽車車載充電機的電氣安全防護，當出現意外情況時，如電涌、過壓、漏電等，保護裝置能及時響應，切斷電能輸出。此外，在緊急情況下，可使用安裝在操作面板上的急停按鈕斷開斷路器；異常檢測電路可檢測到斷路器的開合狀態，并將其反饋到中央控制模塊。

計量裝置用于實現單次充電操作的消費電能計量，考慮到系統分時段多費率計費的需求，選用了智能電表。工作時，電表可通過RS 485接口向中央控制模塊發送消費電能、瞬時／平均電壓及電流數據。

交流接觸器位于電動汽車專用充電插座一側，當充電電纜準確連接后，用戶可通過中央管理模塊發送驅動信號閉合接觸器，向車載充電機輸出交流電能。

2．2 交流輸出控制模塊

交流輸出控制模塊主要由電動汽車充電專用電氣接口及控制導引電路組成，硬件框圖如圖3所示。

系統自檢時，閉合開關S1，脈沖信號傳輸至電壓監測點，表示充電樁準備完畢，可以進行充電。當電動汽車充電電纜與充電樁供電插座可靠連接后，控制導引電路閉環，R1和R2阻值相同，檢測點正電壓減半則表示連接正確。充電樁通過輸出PWM信號將當前能提供的最大連續額定電流值告知車載充電機（約定可用的線電流和PWM信號占空比成線性比例關系）。

3 、中央管理模塊設計

中央管理模塊的硬件結構如圖4所示，主要由嵌入式微處理器、LCD顯示屏、鍵盤、導引燈、喇叭、射頻卡讀寫裝置、存儲器及一些通信與控制接口組成。

系統采用了基于ARM Cortex-M3內核的嵌入式微處理器作為主控芯片，ARM Cortex-M3處理器是行業領先的32位處理器，適用于具有高確定性的實時應用，能提供出色的計算性能和對事件的卓越系統響應，同時可以適應低動態和靜態功率的系統需求。選用的芯片系統時鐘設置為96 MHz，可以滿足交流充電樁的控制需求。

LCD顯示屏、鍵盤、導引燈、喇叭及射頻卡讀寫器組成交流充電樁的人機接口界面。LCD顯示交流充電樁的詳細工作信息；導引燈快速指示工作狀態；喇叭提供語音提示；用戶可利用鍵盤設置充電參數；射頻卡完成用戶身份識別、充電過程啟停管理及交易結算功能。

大容量FLASH用來存儲交易記錄及充電樁運行記錄。通過通信接口，實現交流充電樁與上級監控中心通信，上傳交易信息及充電樁運行信息，接收監控中心控制指令。

充電樁工作流程描述如下：用戶刷卡進入系統后，顯示射頻卡讀寫裝置獲取的用戶信息，提示用戶連接充電插頭。用戶可利用鍵盤選擇合適的充電方式（自動、定電量、定時間、定費用）并設置相應的充電參數。再次刷卡可啟動充電過程，同時向用戶卡內寫入未付費標識，用戶將無法在未完成本次交易之前再次使用該卡。

充電過程中，管理模塊定時獲取狀態參數（電量、時間、故障信息等）并顯示。當判斷出車載充電機已結束充電或已完成用戶設置的充電目標時，充電過程結束，提示用戶結賬。用戶再次刷卡可完成本次交易，并清除卡內未付費標識。此外，用戶也可在充電過程中的任意時刻刷卡結束充電并完成交易。

4 、軟件設計

選用μC／OS-Ⅱ作為本設計的軟件平臺，它是一種具有可剝奪性多任務內核的實時操作系統，移植方便，而且穩定性和可靠性好。μC／ OS-Ⅱ的系統資源豐富，最多可管理64個任務，并提供信號量、消息郵箱、消息隊列及內存管理等系統級服務，用戶還可根據需要進行裁剪。因此，比較適合于中小型實時控制系統。

4．1 任務規劃

為實現交流充電樁的功能要求，本文設計了以下任務：按鍵查詢任務、按鍵處理任務、LCD顯示任務、IC卡讀寫任務、充電參數設置任務、充電過程控制任務、看門狗及異常檢測任務。其中，按鍵查詢任務和看門狗及異常檢測任務設置為周期性任務。任務規劃的關鍵是任務優先級的分配，根據任務的關聯性、關鍵性、緊迫性、頻繁性、快捷性和傳遞性，本文最終確定的優先級規劃如表1所示。

4．2 任務關聯設計

任務關聯設計如圖5所示。系統應用軟件包括7個任務，其中，按鍵查詢任務延時循環檢測按鍵輸入，并將輸入鍵值通過消息郵箱傳遞給按鍵處理任務實現按鍵控制，或傳遞給參數設置任務完成充電參數輸入；按鍵處理任務接收輸入鍵值并相應驅動軟件的工作流程；充電參數設置任務接收輸入參數值并保存為全局變量；IC卡讀寫任務接收信號量在適當的時機進行尋卡及讀寫操作，并利用信號量對充電過程實現啟停控制；喂狗及異常檢測任務以一定的周期循環，阻止看門狗溢出，在出現異常時進行故障處理，并通過消息郵箱停止充電過程；LCD顯示任務接收到其他任務的信號量通知后，更新當前顯示信息。

軟件設計中，各任務優先級之間有一定的間隔，將來在更新任務或增加一個新任務時，能在不改變現有優先級分配的情況下，輕松找到一個合適的空閑優先級，為系統的改進和升級提供了便利。操作系統的時鐘節拍設為10 ms，可以滿足充電樁的實時性要求。經過調試，軟件運行穩定，人機交互響應及時，電能計量與收費準確，數據通信可靠。

5 、結語

本文以基于Cortex-M3內核的微處理器為主體，結合μC／OS-Ⅱ實時操作系統構建成中央管理模塊的軟硬件平臺，加上交流輸入、輸出控制模塊，實現了電動汽車交流充電樁的整體設計，系統具有以下特點：

（1）模塊化設計，各模塊在物理上分開，便于維護；

（2）人機接口友善，顯示形式多樣，操作方便；

（3）硬件上采用冗余設計，軟件采用實時操作系統，可擴展性強，便于產品的快速升級。

目前，研制的交流充電樁樣機已完成了功能試驗、環境試驗及電磁兼容試驗等測試，實現了預期的設計目標。系統工作穩定，樁體安裝方式靈活，適用于構建便捷的電動汽車電能補給網絡，有利于電動汽車的普及和推廣。

責任編輯：gt