基于嵌入式系統(tǒng)的電動汽車交流充電樁設(shè)計

摘要：交流充電樁是電動汽車充電系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。在此以基于Cortex—M3內(nèi)核的微處理器為核心，結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，完成了電動汽車交流充電樁的設(shè)計與實現(xiàn)。對系統(tǒng)各個硬件模塊的原理和結(jié)構(gòu)進行了描述，并詳細闡述了應(yīng)用軟件的任務(wù)優(yōu)先級安排和各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性設(shè)計。該交流充電樁工作穩(wěn)定、計量準確、操作簡單、安裝布設(shè)方便，系統(tǒng)的可擴展性強，且已通過相關(guān)機構(gòu)鑒定。
關(guān)鍵詞：電動汽車；交流充電樁；嵌入式系統(tǒng)Cortex—M3；μC／OS-Ⅱ

汽車是現(xiàn)代生活中不可或缺的交通工具，但隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴峻，傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)展面臨著越來越大的壓力。電動汽車憑借其在環(huán)保和節(jié)能等方面的優(yōu)勢，已成為汽車工業(yè)發(fā)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)是重要的前提之一。充電系統(tǒng)為電動汽車運行提供能量補給，是電動汽車的重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。交流充電樁是指固定安裝在電動汽車外，與交流電網(wǎng)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(shè)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(shè)于充電站、停車場等室內(nèi)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(tǒng)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(zhì)量的交流電能，同時保障操作人員及設(shè)備的電氣安全。其次，準確的電能計量及收費是系統(tǒng)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(shè)計，能夠給用戶留下愉快的使用體驗，從而使產(chǎn)品更容易為市場所接受。
1．2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)交流充電樁的功能需求，對系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)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(xiàn)的功能如下：
(1)交流輸入控制模塊。實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)人機交互、用戶身份識別、計量收費、數(shù)據(jù)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(shè)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(dāng)出現(xiàn)意外情況時，如電涌、過壓、漏電等，保護裝置能及時響應(yīng)，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(tài)，并將其反饋到中央控制模塊。
計量裝置用于實現(xiàn)單次充電操作的消費電能計量，考慮到系統(tǒng)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(fā)送消費電能、瞬時／平均電壓及電流數(shù)據(jù)。
交流接觸器位于電動汽車專用充電插座一側(cè)，當(dāng)充電電纜準確連接后，用戶可通過中央管理模塊發(fā)送驅(qū)動信號閉合接觸器，向車載充電機輸出交流電能。