交流充电桩控制导引功能检测系统的研究

交流充电桩控制导引功能检测系统的研究

沈旺旺 宋威

青岛特锐德电气股份有限公司 266000

摘要：近年来，新能源汽车的发展是我国战略性新兴产业，国家不断加大对电动汽车及充电基础设施的政策支持，电动汽车及充电基础设施正迎来快速发展的时期。充电接口标准是电动汽车和充电基础设施的根本，是电动汽车与充电设施互联互通的基础[1]。国标GB/T 18487.1—2015规定了电动汽车充电系统的基础性、通用性、安全性，其要求相同或不同型号、版本的供电设备与电动汽车通过信息交换和过程控制，实现充电互联互通的能力。实践中由于充电设备生产商与电动汽车制造商对于新标准的理解偏差，导致充电设备不能可靠地给电动汽车充电，甚至出现电动车不能识别充电设备的现象。

关键词：交流；充电桩；引导功能；检测

1 系统结构与原理

1.1 系统结构

该设计模拟了车辆端的控制导引检测装置，以STM32F107RCT6为控制核心，解析了国标GB/T 18487.1—2015控制导引的电路原理和工作状态参数，设计了交流充电桩控制导引功能检测系统。对控制导引电路的关键信号，设计了安全可靠的采集电路，程序设计中进行软件滤波和数据处理，并与国标给定的电气参数进行比较。充电连接过程中的状态参数通过RS485通信传给上位机，上位机界面可直观地显示被测供电设备的充电连接状态与信号的电气参数，便于故障检测分析。电路设计预留CAN通信接口，可用于车辆端的充电数据通信。

图1为系统整体框图，控制导引功能检测系统的硬件电路主要以STM32F107为控制核心，包括充电接口、CC信号采集电路、CP信号采集电路、R2/R3电阻选择网络、RS485串口通信模块、CAN通信电路、电源电路和上位机等。

充电接口即符合GB/T 20234—2015 电动汽车传导充电用连接装置[3，4]的七芯车辆插座，实现与交流供电设备的物理连接；信号采集模块用于采集充电装置的连接确认信号CC和控制导引信号CP；R2/R3电阻选择网络用来模拟车辆端电阻，接收单片机控制指令，模拟车辆端S2闭合信号，当接入控制导引线路的电阻值变化时会影响供电设备端检测点1的PWM波幅值；通信模块采用RS485通信与触摸屏进行数据传输；上位机实现充电连接过程的状态监控与数据显示，其良好的人机交互功能，便于故障检测分析；电源电路提供各模块所需的工作电压。预留CAN通信接口可用于满足车辆端的充电数据通信。

图1 系统总体设计框图

1.2 系统工作原理

图2是充电模式3连接方式C的控制导引电路检测原理图。

图2 充电模式3/连接方式C的控制导引检测原理图

车辆充电模拟装置通过测量充电连接线CC与PE之间的电阻值来判断车辆插头与车辆插座是否完全连接。电阻R3，R4与开关S3安装在供电设备的插头上，充电枪未插入车辆插座时，单片机根据采集信号判断充电连接线CC与PE(保护地线)之间的电阻值为无穷大。当单片机判断到CC与PE线的电阻值为国标规定范围时，表示有充电枪插入。S3处于断开状态，CC线与PE之间的电阻值为RC+R4时，单片机判断当前连接状态为半连接。S3处于闭合状态，CC线与PE之间的电阻值为RC时，单片机判断当前连接状态为全连接，单片机根据RC的阻值确定当前供电设备的电缆容量。

充电枪连接过程中，车辆端R3电阻接入控制导引线CP，供电设备检测到检测点1 的12 V电平下降到9 V左右，开关S1动作，切换至PWM波输出状态。单片机采集PWM信号的频率与占空比，PWM信号的频率是1 kHz，正负误差小于30 Hz。其占空比表示当前供电设备允许输出的最大供电电流。在实际电动汽车充电时，车辆检测装置会根据当前汽车的电池状态与故障情况决定是否闭合S2开关。在设计中，单片机检测CP信号满足国标要求时，闭合S2，此时R3与R2电阻并联后接入控制导引电路。供电设备检测点1的电平幅值应低至6 V左右，供电设备检测到该电平值满足要求，闭合接触器K1，K2即输出交流220 V。在连接过程中，单片机将采集的数据与逻辑结果通过RS485通信传输给上位机，由上位机进行图形化显示。

3 系统软件设计

在程序编写中采用了模块化的设计思想。系统软件由主程序、外设接口初始化与CC信号采集、CP信号采集、充电连接逻辑判断程序、串口通信等部分组成。

在系统初始化中主要配置单片机的时钟与各个外设的初始化。如通用I/O接口和复用功能的配置、ADC的初始化、定时器初始化与捕捉功能的配置、通信初始化、系统常量与变量初始化、中断初始化等。主程序执行循环时间设置为2 ms，在主程序中不断调用已经封装好的功能子程序。

CC信号采集子程序通过量程的选择，对该量程下的信号进行AD转换，数字滤波后获得AD值，经数据处理后获得当前CC线与PE线之间的电阻值。

CP信号采集子程序通过定时器功能与捕捉功能相互配合获得PWM信号的频率与占空比。在初始化定时器时，选择TIM5输入捕获功能，时钟配置为1 MHz，一个计数值是1 μs。这样的配置可以在计算频率时简化计算方式，设定为上升沿捕捉方式并开启中断。其采集流程如下:

捕捉到PWM波的一个上升沿时进入中断函数，在中断函数里清零计数寄存器，使能定时器TIM5开始计数，同时设置为下降沿捕捉方式，标记捕获到了第一个上升沿；

捕捉到下降沿时再次进入中断函数，获取当前TIM5计数值DutyCycle_μs，同时设置为上升沿捕捉方式；

捕捉到第2个上升沿时再次进入中断函数，获取当前TIM5计数值Frequency_μs，标记一个周期采集完成，关闭定时器与捕捉中断；

检测采集成功标志位，提取PWM波的频率值与占空比，重新启动TIM5上升沿捕捉方式并开启中断，开始下一个周期的采集。

连接状态控制子程序根据CC信号与CP信号的状态完成S2的闭合与关断控制。数据逻辑分析功能将CC信号与CP信号的电气参数与国标参量进行比较，判断其是否满足国标规定值。同时获得当前供电设备的电缆容量和最大充电电流。通信处理子函数主要负责与上位机进行数据传输，将采集的信号数据、充电连接状态、逻辑分析的数据传送给上位机，上位机通过组态画面直观地显示当前供电设备的相关信息。

结语

基于ARM芯片STM32F107为控制核心设计的交流充电桩控制导引功能检测系统，可完成交流供电设备的充电连接过程的监测。可准确测量CC与PE的阻值，捕捉控制导引信号CP的频率、占空比等。采用RS485通信与上位机连接，实现充电连接过程的实时监控。可以为设备维护人员提供交流充电设备的故障检测与故障分析，也可适用于检测是否符合GB/T 18487.1—2015规定的电动汽车交流供电设备，包括缆上控制与保护装置、交流充电桩、非车载充电机等。同时也可以作为新能源汽车专业在交流充电教学过程的实训装置。

参考文献

[1] GB/T 18487.1—2015电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求[S].

[2] GB/T 20234.1—2015 电动汽车传导充电用连接装置通用要求[S].

[3] GB/T 20234.2—2015 电动汽车传导充电用连接装置交流充电接口[S].