基于嵌入式系统的电动汽车交流充电桩设计

摘要：交流充电桩是电动汽车充电系统的主要设备之一。在此以基于Cortex—M3内核的微处理器为核心，结合嵌入式实时操作系统μC／OS-Ⅱ，完成了电动汽车交流充电桩的设计与实现。对系统各个硬件模块的原理和结构进行了描述，并详细阐述了应用软件的任务优先级安排和各任务之间的关联性设计。该交流充电桩工作稳定、计量准确、操作简单、安装布设方便，系统的可扩展性强，且已通过相关机构鉴定。
关键词：电动汽车；交流充电桩；嵌入式系统Cortex—M3；μC／OS-Ⅱ

汽车是现代生活中不可或缺的交通工具，但随着能源危机和环境污染问题日益严峻，传统燃油汽车的发展面临着越来越大的压力。电动汽车凭借其在环保和节能等方面的优势，已成为汽车工业发展的必然趋势。然而，电动汽车要想得到快速广泛的普及，便捷高效的电能补给网络建设是重要的前提之一。充电系统为电动汽车运行提供能量补给，是电动汽车的重要基础支撑系统，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。交流充电桩是指固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流电源的供电装置。

1 总体方案设计
本文研制了一种落地式交流充电桩，外观如图1所示，该交流充电桩安装方便，使用简单，可布设于充电站、停车场等室内或室外场所。

1．1 功能需求分析
首先，作为电动汽车电能补给装置，系统必须采取必要的安全防护措施，向车载充电机可靠地输出高质量的交流电能，同时保障操作人员及设备的电气安全。其次，准确的电能计量及收费是系统的基本功能，要满足分时段多费率的使用要求。最后，一个友善的人机接口界面及便捷的操作流程设计，能够给用户留下愉快的使用体验，从而使产品更容易为市场所接受。
1．2 模块化结构设计
根据交流充电桩的功能需求，对系统进行了模块化设计，包括交流输入控制模块、交流输出控制模块及中央管理模块，如图1所示。
各模块主要实现的功能如下：
(1)交流输入控制模块。实现交流电能的计量，交流供电控制，电气安全防护等。
(2)交流输出控制模块。实现充电电缆连接判断，与车载充电机进行通信。
(3)中央管理模块。实现人机交互、用户身份识别、计量收费、数据管理和通信、交流输入／输出模块控制，以及故障诊断等功能。

2 交流输入／输出控制模块设计
2．1 交流输入控制模块
交流输入控制模块由断路器、保护装置、电能计量装置、交流接触器及急停按钮等装置组成，硬件框图如图2所示。

断路器和保护装置提供对操作人员及电动汽车车载充电机的电气安全防护，当出现意外情况时，如电涌、过压、漏电等，保护装置能及时响应，切断电能输出。此外，在紧急情况下，可使用安装在操作面板上的急停按钮断开断路器；异常检测电路可检测到断路器的开合状态，并将其反馈到中央控制模块。
计量装置用于实现单次充电操作的消费电能计量，考虑到系统分时段多费率计费的需求，选用了智能电表。工作时，电表可通过RS 485接口向中央控制模块发送消费电能、瞬时／平均电压及电流数据。
交流接触器位于电动汽车专用充电插座一侧，当充电电缆准确连接后，用户可通过中央管理模块发送驱动信号闭合接触器，向车载充电机输出交流电能。
2．2 交流输出控制模块
交流输出控制模块主要由电动汽车充电专用电气接口及控制导引电路组成，硬件框图如图3所示。

系统自检时，闭合开关S1，脉冲信号传输至电压监测点，表示充电桩准备完毕，可以进行充电。当电动汽车充电电缆与充电桩供电插座可靠连接后，控制导引电路闭环，R1和R2阻值相同，检测点正电压减半则表示连接正确。充电桩通过输出PWM信号将当前能提供的最大连续额定电流值告知车载充电机(约定可用的线电流和PWM信号占空比成线性比例关系)。

3 中央管理模块设计
中央管理模块的硬件结构如图4所示，主要由嵌入式微处理器、LCD显示屏、键盘、导引灯、喇叭、射频卡读写装置、存储器及一些通信与控制接口组成。

系统采用了基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式微处理器作为主控芯片，ARM Cortex-M3处理器是行业领先的32位处理器，适用于具有高确定性的实时应用，能提供出色的计算性能和对事件的卓越系统响应，同时可以适应低动态和静态功率的系统需求。选用的芯片系统时钟设置为96 MHz，可以满足交流充电桩的控制需求。
LCD显示屏、键盘、导引灯、喇叭及射频卡读写器组成交流充电桩的人机接口界面。LCD显示交流充电桩的详细工作信息；导引灯快速指示工作状态；喇叭提供语音提示；用户可利用键盘设置充电参数；射频卡完成用户身份识别、充电过程启停管理及交易结算功能。
大容量FLASH用来存储交易记录及充电桩运行记录。通过通信接口，实现交流充电桩与上级监控中心通信，上传交易信息及充电桩运行信息，接收监控中心控制指令。
充电桩工作流程描述如下：用户刷卡进入系统后，显示射频卡读写装置获取的用户信息，提示用户连接充电插头。用户可利用键盘选择合适的充电方式(自动、定电量、定时间、定费用)并设置相应的充电参数。再次刷卡可启动充电过程，同时向用户卡内写入未付费标识，用户将无法在未完成本次交易之前再次使用该卡。
充电过程中，管理模块定时获取状态参数(电量、时间、故障信息等)并显示。当判断出车载充电机已结束充电或已完成用户设置的充电目标时，充电过程结束，提示用户结账。用户再次刷卡可完成本次交易，并清除卡内未付费标识。此外，用户也可在充电过程中的任意时刻刷卡结束充电并完成交易。

4 软件设计
选用μC／OS-Ⅱ作为本设计的软件平台，它是一种具有可剥夺性多任务内核的实时操作系统，移植方便，而且稳定性和可靠性好。μC／ OS-Ⅱ的系统资源丰富，最多可管理64个任务，并提供信号量、消息邮箱、消息队列及内存管理等系统级服务，用户还可根据需要进行裁剪。因此，比较适合于中小型实时控制系统。
4．1 任务规划
为实现交流充电桩的功能要求，本文设计了以下任务：按键查询任务、按键处理任务、LCD显示任务、IC卡读写任务、充电参数设置任务、充电过程控制任务、看门狗及异常检测任务。其中，按键查询任务和看门狗及异常检测任务设置为周期性任务。任务规划的关键是任务优先级的分配，根据任务的关联性、关键性、紧迫性、频繁性、快捷性和传递性，本文最终确定的优先级规划如表1所示。