當(dāng)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(dòng)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(dòng)汽車推廣應(yīng)用和商業(yè)化運(yùn)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(dòng)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(dòng)汽車的簡單、快速的充電設(shè)施。充電箱實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)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(dòng)汽車：待機(jī)狀態(tài)必須有視覺指示；
    （2）充電箱通過充電電纜接到電動(dòng)車輛：如果車輛電池準(zhǔn)備正常，充電應(yīng)自動(dòng)開始。此時(shí)有必要考慮多輛汽車同時(shí)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(dòng)車輛：充電電池充滿后，充電自動(dòng)結(jié)束。此時(shí)車輛未充電，但處于“準(zhǔn)備充電”狀態(tài)，須有視覺上的標(biāo)示；
    （4）用戶使用充電箱上的“緊急停止”按鈕停止充電過程時(shí)，必須立即停止充電。
2 硬件設(shè)計(jì)
    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(jì)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(dá)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(qiáng)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(jì)要求。
2.1 模擬電路設(shè)計(jì)
    充電箱需要實(shí)時(shí)檢測(cè)交流電壓和電流，作為輔助功能，本充電箱同時(shí)提供電能計(jì)量功能，能夠?yàn)橛脩艟蛦未纬潆姾屠鄯e充電在電能消耗方面提供直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。使用3路PT、3路CT實(shí)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(dú)的A/D轉(zhuǎn)換芯片，利于節(jié)省成本。
2.2 控制導(dǎo)引PWM信號(hào)
    充電箱和電動(dòng)汽車通過控制導(dǎo)引電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交互，控制導(dǎo)引電路的基本功能定義如下[1-2]：
    （1）連接確認(rèn)。車輛控制裝置通過檢測(cè)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)別。車輛控制裝置通過檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)與PE之間的電阻值來確認(rèn)當(dāng)前充電連接裝置（電纜）的額定容量；通過檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)的PWM信號(hào)占空比確認(rèn)當(dāng)前供電設(shè)備的最大供電電流。
    （3）充電過程的監(jiān)測(cè)。充電過程中，車輛控制裝置可以對(duì)相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)與PE之間的電阻值和PWM信號(hào)占空比進(jìn)行監(jiān)測(cè)，供電控制裝置可以監(jiān)測(cè)相關(guān)檢測(cè)點(diǎn)的電壓值。
    （4）充電系統(tǒng)的停止。在充電過程中，當(dāng)充電完成或因?yàn)槠渌虿荒軡M足繼續(xù)充電的條件時(shí)，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(dǎo)引信號(hào)工作示意圖如圖2所示。

    對(duì)于供電控制裝置來說，在電動(dòng)汽車充電過程中需要通過充電電纜在車輛控制裝置間實(shí)現(xiàn)控制導(dǎo)引電路的基本功能，并完成相應(yīng)的工作控制。當(dāng)操作人員對(duì)供電設(shè)備完成啟動(dòng)設(shè)置后，如供電設(shè)備無故障，并且供電接口已完成對(duì)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(hào)（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(hào)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(hào)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(biāo)稱0％)，100％，7％~10％
    充電設(shè)施控制導(dǎo)引使用高級(jí)通信方式（如PLC）時(shí)， PWM占空比為3％~7％（標(biāo)稱值：5％）。
    在充電過程中，供電控制裝置檢測(cè)對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的電壓值，根據(jù)電壓值來確定當(dāng)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(duì)于電動(dòng)汽車充電槍連接狀態(tài)的回讀電路，本充電箱設(shè)計(jì)了一種簡單可靠的比較電路，實(shí)時(shí)監(jiān)視充電PWM信號(hào)輸出的3個(gè)電壓狀態(tài)(12 V、9 V、6 V)，并利用信號(hào)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(hào)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(duì)應(yīng)的輸出，最后進(jìn)入MCU的I/O端口，實(shí)現(xiàn)充電槍狀態(tài)的識(shí)別。其原理框圖如圖3所示。

2.3 開入開出功能設(shè)計(jì)
    由于該充電箱的開入、開出電路較多，沒有必要為每一個(gè)信號(hào)分配獨(dú)立的MCU的I/O管腳。而對(duì)于開入信號(hào)分時(shí)讀取即可，因此全部采用信號(hào)復(fù)用電路。通過74AHC245PW芯片，將PWM回讀信號(hào)、旋鈕與撥碼開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、電子鎖狀態(tài)回讀信號(hào)、充電使能和急停等外部開入信號(hào)分時(shí)讀入MCU。而對(duì)于開出功能，相對(duì)來說比較重要，如接觸器控制、PWM信號(hào)輸出等必須單獨(dú)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(jìn)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(jī)、刷卡機(jī)等外設(shè)；提供以太網(wǎng)接口，便于設(shè)備調(diào)試和遠(yuǎn)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(gè)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(cuò)，232使用DB9公頭，485使用DB9母頭。串口使用ADUM1201AR實(shí)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(duì)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(jì)，具有代碼非常少、方便閱讀和移植、占用內(nèi)存少等優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)數(shù)據(jù)的處理采用輪循機(jī)制，不需要操作系統(tǒng)的支持。
3 程序設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)工作基本沒有較復(fù)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(shí)鐘初始化、A/D采樣初始化、I/O管教初始化、時(shí)鐘芯片初始化等。具體情況本文不作詳細(xì)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(biāo)識(shí)。充電箱設(shè)計(jì)緊湊，便于安裝。安裝地點(diǎn)可以是私家車庫、公司停車場(chǎng)或商業(yè)停車場(chǎng)。充電箱的尺寸和重量符合人體工學(xué)的要求，便于移動(dòng)。該充電箱和充電樁滿足戶外安裝條件，且無需額外防護(hù)。該系統(tǒng)能夠滿足電動(dòng)汽車的一般慢速充電要求。無車輛充電時(shí)，該系統(tǒng)進(jìn)入休眠低功耗模式；當(dāng)充電箱連接到車輛時(shí)，無需人工干預(yù)即可自動(dòng)充電，該系統(tǒng)能夠同時(shí)為最多3輛電動(dòng)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(jìn)電動(dòng)汽車的普及應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB/T 20234．2-2011電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置：交流充電接口[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．
[2] 王濤．電動(dòng)汽車充電樁的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]．湖北電力，2011，35(1)：11-12．
[3] 郝娟，李強(qiáng)，岳建華．電動(dòng)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．