當前，隨著能源與環(huán)境成為全球最為關(guān)注的問題，作為交通轉(zhuǎn)型、綠色交通重要載體的電動汽車，已經(jīng)得到了世界各國的廣泛關(guān)注和高度重視。而充電設(shè)施是電動汽車推廣應(yīng)用和商業(yè)化運營的基礎(chǔ)，大量低成本、安裝簡單、占地面積小的交流充電設(shè)施也是電動汽車能否獲得大量普及和應(yīng)用的先決條件之一。
1 系統(tǒng)基本需求
    墻壁安裝的交流充電設(shè)施（以下簡稱充電箱）是用于電動汽車的簡單、快速的充電設(shè)施。充電箱實現(xiàn)對電動汽車的充電控制，必須具有的基本控制功能如下：
    （1）充電箱未連接到電動汽車：待機狀態(tài)必須有視覺指示；
    （2）充電箱通過充電電纜接到電動車輛：如果車輛電池準備正常，充電應(yīng)自動開始。此時有必要考慮多輛汽車同時充電的功能；充電過程中必須有視覺指示；若充電電纜連接在車上，而充電箱不在充電狀態(tài)，則應(yīng)有特殊的指示；
    （3）充電箱通過充電電纜接到電動車輛：充電電池充滿后，充電自動結(jié)束。此時車輛未充電，但處于“準備充電”狀態(tài)，須有視覺上的標示；
    （4）用戶使用充電箱上的“緊急停止”按鈕停止充電過程時，必須立即停止充電。
2 硬件設(shè)計
    充電箱主要由主控單元、開入開出單元和電源組成，其核心是主控單元，原理框圖如圖1所示。

    為了節(jié)省硬件設(shè)計成本，采用了一種單芯片解決方案?？刂菩酒x用的是Freescale公司的Kinetis K60系列低功耗MCU。該款MCU提供了較豐富的I/O和外設(shè)，包括多達20路以上的可配置分辨率（最高16位）模擬采樣模塊、PWM輸出、串口通信、SPI通信、I2C通信、IEEE 1588以太網(wǎng)通信等，具有較強的功能。使用該MCU再配合簡單的外圍電路即可完全滿足該充電箱的設(shè)計要求。
2.1 模擬電路設(shè)計
    充電箱需要實時檢測交流電壓和電流，作為輔助功能，本充電箱同時提供電能計量功能，能夠為用戶就單次充電和累積充電在電能消耗方面提供直觀準確的數(shù)據(jù)。使用3路PT、3路CT實現(xiàn)三相電壓和電流相關(guān)模擬量的獲取。PT、CT電流輸出經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓再經(jīng)過濾波放大處理后接入K60的模擬采樣模塊，而無需單獨的A/D轉(zhuǎn)換芯片，利于節(jié)省成本。
2.2 控制導引PWM信號
    充電箱和電動汽車通過控制導引電路實現(xiàn)信號的交互，控制導引電路的基本功能定義如下[1-2]：
    （1）連接確認。車輛控制裝置通過檢測相關(guān)監(jiān)測點與PE之間的電阻值來判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接。
    （2）載流能力和供電設(shè)備供電功率的識別。車輛控制裝置通過檢測相關(guān)檢測點與PE之間的電阻值來確認當前充電連接裝置（電纜）的額定容量；通過檢測相關(guān)檢測點的PWM信號占空比確認當前供電設(shè)備的最大供電電流。
    （3）充電過程的監(jiān)測。充電過程中，車輛控制裝置可以對相關(guān)檢測點與PE之間的電阻值和PWM信號占空比進行監(jiān)測，供電控制裝置可以監(jiān)測相關(guān)檢測點的電壓值。
    （4）充電系統(tǒng)的停止。在充電過程中，當充電完成或因為其他原因不能滿足繼續(xù)充電的條件時，車輛控制裝置和供電控制裝置分別停止充電的相關(guān)控制功能。
    控制導引信號工作示意圖如圖2所示。

    對于供電控制裝置來說，在電動汽車充電過程中需要通過充電電纜在車輛控制裝置間實現(xiàn)控制導引電路的基本功能，并完成相應(yīng)的工作控制。當操作人員對供電設(shè)備完成啟動設(shè)置后，如供電設(shè)備無故障，并且供電接口已完成對接，則將開關(guān)切換至PWM連接狀態(tài)，由供電控制裝置輸出1 kHz的PWM信號（初始PWM的占空比由供電控制裝置的容量確定）[3]。
    控制線上PWM信號向車輛輸出電源允許的最大充電電流的大小由PWM的占空比來決定[4]。充電設(shè)施的PWM信號編碼如下(根據(jù)SAE J1772[8]和IEC61851-1[2])：
    PWM正向部分占空比定義如下：
    電流=(占空比％)×0.6         6 A(10％)~51 A(85％)
    電流=(占空比％-64)×2.5    51 A(85％)~80 A(96％)
    電流=0 A        占空比0％~3％(標稱0％)，100％，7％~10％
    充電設(shè)施控制導引使用高級通信方式（如PLC）時， PWM占空比為3％~7％（標稱值：5％）。
    在充電過程中，供電控制裝置檢測對應(yīng)檢測點的電壓值，根據(jù)電壓值來確定當前的狀態(tài)：12 V(狀態(tài)1)、9 V(狀態(tài)2)或者其他非6 V(狀態(tài)3)，根據(jù)不同狀態(tài)決定是否斷開或者閉合交流供電回路。
    對于電動汽車充電槍連接狀態(tài)的回讀電路，本充電箱設(shè)計了一種簡單可靠的比較電路，實時監(jiān)視充電PWM信號輸出的3個電壓狀態(tài)(12 V、9 V、6 V)，并利用信號監(jiān)視情況來判斷充電階段及充電過程是否正常。本電路先將PWM信號濾波，然后提供給比較器電路，并且結(jié)合不同的參考電平，在不同的比較器輸出端獲得對應(yīng)的輸出，最后進入MCU的I/O端口，實現(xiàn)充電槍狀態(tài)的識別。其原理框圖如圖3所示。

2.3 開入開出功能設(shè)計
    由于該充電箱的開入、開出電路較多，沒有必要為每一個信號分配獨立的MCU的I/O管腳。而對于開入信號分時讀取即可，因此全部采用信號復用電路。通過74AHC245PW芯片，將PWM回讀信號、旋鈕與撥碼開關(guān)狀態(tài)信號、電子鎖狀態(tài)回讀信號、充電使能和急停等外部開入信號分時讀入MCU。而對于開出功能，相對來說比較重要，如接觸器控制、PWM信號輸出等必須單獨分配MCU的I/O管腳。
2.4 通信電路
    交流便攜式充電箱提供了2路CAN網(wǎng)，便于充電箱與車載充電模塊間進行局部組網(wǎng)；提供4路串口通信，方便用戶連接顯示屏、打印機、刷卡機等外設(shè)；提供以太網(wǎng)接口，便于設(shè)備調(diào)試和遠程監(jiān)控。
    CAN通信采樣帶電源隔離功能的ADM3053模塊。ADM3053在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個完全隔離的接口，能以最高1 Mb/s的數(shù)據(jù)速率工作。該器件具有限流和熱關(guān)斷特性，可防止輸出短路。
    充電箱提供3路RS232串口通信和1路RS485串口通信。兩路232轉(zhuǎn)到中間接口板，從鳳凰端子引出。剩下的1路232和1路485通過DB9引出。為防止接錯，232使用DB9公頭，485使用DB9母頭。串口使用ADUM1201AR實現(xiàn)電氣隔離。
    由于芯片內(nèi)部集成MAC，外部電路只需要利用K60的MII接口與一片PHY芯片BCM5241并配合對應(yīng)的電氣隔離電路即可。以太網(wǎng)通信協(xié)議使用uIP 協(xié)議棧，該協(xié)議棧專門為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計，具有代碼非常少、方便閱讀和移植、占用內(nèi)存少等優(yōu)點，其對數(shù)據(jù)的處理采用輪循機制，不需要操作系統(tǒng)的支持。
3 程序設(shè)計
    軟件設(shè)計工作基本沒有較復雜的算法或者數(shù)據(jù)處理，主要功能是I/O和外設(shè)的管理、數(shù)據(jù)的通信等。硬件的初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、A/D采樣初始化、I/O管教初始化、時鐘芯片初始化等。具體情況本文不作詳細介紹。
    本文研制的充電箱操作簡單、直觀，一旦誤操作能立即通過LED產(chǎn)生明顯的視覺效果標識。充電箱設(shè)計緊湊，便于安裝。安裝地點可以是私家車庫、公司停車場或商業(yè)停車場。充電箱的尺寸和重量符合人體工學的要求，便于移動。該充電箱和充電樁滿足戶外安裝條件，且無需額外防護。該系統(tǒng)能夠滿足電動汽車的一般慢速充電要求。無車輛充電時，該系統(tǒng)進入休眠低功耗模式；當充電箱連接到車輛時，無需人工干預即可自動充電，該系統(tǒng)能夠同時為最多3輛電動汽車提供充電服務(wù)，作為充電基礎(chǔ)設(shè)施，該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用必將有力促進電動汽車的普及應(yīng)用。
參考文獻
[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB/T 20234．2-2011電動汽車傳導充電用連接裝置：交流充電接口[S]．北京：中國標準出版社，2011．
[2] 王濤．電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[J]．湖北電力，2011，35(1)：11-12．
[3] 郝娟，李強，岳建華．電動汽車充電站充電模式探討[J]．內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2010，28(s2)：7-9．
[4] SAE．J1772 SAE electric vehicle and plug in hybrid electric vehicle conductive charge coupler[S]．USA：SAE，1996．