电动汽车交流充电桩的研究与设计【字数：6971】
1.1课题的研究背景及意义
随着社会经济的不断发展，人们对于环境问题与能源危机有了越来越清晰的认识，这已经成为人类继续向前发展的道路上必须要解决的两个问题，节能减排已经成为的当今世界的一个主题。而电动汽车作为一种新能源交通工具，具有较高的资源利用率和无废气排放等特点，是实现节能减排和解决环境问题与能源危机的一种重要手段，也是汽车工业未来发展的重点。
一方面，全球石油资源储量的稀缺性毋庸置疑，几个大国能源紧缺问题严重，现阶段仍以石油为主要燃料的汽车产业的发展受到极大威胁。因此，发展新能源汽车成为世界汽车持续发展的必然选择。在2008年上半年石油价格从80美元一路飘升到147美元，汽车燃料的使用也随之水涨船高。在这一轮石油价格上涨期间，部分新能源汽车显示出相对使用成本优势。部分消费者为免于负担过高的燃油费用而放弃原本欲购买的传统车型，而选择石油燃料消耗相对较低的新能源汽车。汽车制造厂商也看到了新能源汽车的发展空间，开始加大研发和推广的力度。各国政府也适时推出了一些优惠政策对新能源汽车的购买和销售予以补贴，新能源汽车行业获得了前所未有的发展良机。虽然近期石油价格受全球经济衰退影响出现严重下跌，但新能源汽车技术的不断发展仍可以使部分新能源汽车保持一定的使用成本优势。
另一方面，世界各国家和地区汽车尾气排放标准越来越严格。现今汽车尾气己成为组成温室气体的重要污染物。针对汽车污染问题，世界各个国家和地区针对汽车尾气排放的标准也越来越严格，而为了应对不断严格的汽车尾气排放标准，各大汽车厂商目前主要采取提高传统能源汽车发动机相关技术的方法，以提高排放质量，但技术提升的难度将会越来越大。此时，发展新能源汽车成为各大厂商的新选择，因为新能源汽车的生产和使用会从根本上解决汽车尾气排放问题。
因而大力发展新能源汽车用以取代化石燃料汽车成为当代社会的共识。而新能源汽车中又以电动汽车的发展最为迅速，成为各个国家重点的发展对象。在我国，虽然对电动汽车的研究及推广的时间较主要发达国家起步较晚，但近年来在国家的大力推广下，发展极为迅速，已经走到了电动汽车行业发展的第一集团。而保障电动汽车正常运行的充电基础设施也得以快速发展，2015年，国家发展及改革委员会印发了《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》，该指南对我国当前的充电基础设施的现状进行了总结并给了肯定，同时指出了当前充电基础设施发展过程中所存在的问题与挑战，并预测与展望了充电基础设施未来的需求以及发展方向，为我国的电动汽车充电基础设施提供了发展目标、指导思想与原则。该指南指出了我国充电基础设施的现状，截至2014年底,全国共建成充换电站780座，交直流充电桩3.1万个，为超过12万辆电动汽车提供充换电服务，电动汽车与充电桩的比例约为4:1，这显然不能满足当前电动汽车行业快速发展所产生的需求；同时，该指南指出，根据当前的新能源推广政策以及当前的发展速度，到2020年，我国的电动汽车保有量会在500万辆左右，而充电桩与电动汽车的比例要达到1:1左右，这就要求在5年内新建近500万台各类充电桩，显然这个需求是十分巨大的。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外发展现状
虽然受全球经济不景气的影响，各国都减少了对基础设施的投入及产品的更新换代，但是依然重视研发，不断加大对研发的投入。
在美国，近几年来，为了推广电动汽车行业的发展，美国联邦政府一直联合科研机构和汽车厂商开展充电基础设施的相关研究，并投资了一系列电动汽车充电基础设施的规划项目，电动汽车产业已基本进入商业化运营阶段。到目前为止，充电基础设施已基本覆盖美国全境，而在加州、伊利诺伊州和纽约州充电基础设施更是随处可见，如图1.1所示。这些充电基础设施主要是在露天或者室内停车场安放，从而实现停车和充电的一体化管理。截止到2016年9月份，美国的充电桩个数已经超过44000台。而在这其中，美国最大的充电基础设施运营商ChargePoint公司运营着超过16800台充电桩。美国的主流充电设施主要分为3大类：交流Level1充电设施、交流Level2充电设施和直流FastCharger充电设施。其中已经具有一定规模且充电网络完善的是交流Level2充电设施，它的安装数量最多，分布也最为广泛；而直流FastCharger充电设施主要分布在高速公路附近，主要对长途驾驶的电动汽车进行充电。
在德国，Ubitricity公司正在推广一种通过改造路灯给电动汽车进行充电的充电设施，如图1.2所示。该充电设施只需对路灯进行稍微调整，就能在路灯杆上安装充电插头，然后只需一根特制的充电线，就可以通过该插头为电动汽车充电并完成结算。相比其他充电桩近万元的成本，该设施只需花费1000元左右对路灯进行改造，并且不会增加额外的空间。现阶段，该公司正对柏林的近一千个路灯进行改造以便其能作为充电桩使用，预计在不久的将来柏林的每一个路灯都能够为电动汽车提供充电功能。不过现阶段该模式还不太成熟，依然受到诸多因素的影响。
在日本，其充电基础设施主要有两个体系：一是代表日本充电行业的CHAdeMO体系，是由众多经过CHAdeMO第三方认证的充电设备生产商组成；另一个是由丰田、日产、本田、三菱等四家汽车生产企业出资设立的日本充电服务公司（NCS），目的是为电动汽车驾驶员提供一个更加方便有效的充电网络，在这种模式下，NCS会承担充电设施的建设费用及运营成本（电费、运营开支），车企某种意义上成为充电服务的购买方与享受方。
1.2.2国内发展现状
在国家的新能源政策的推动下，我国的充电基础设施的建设正在火热的推进中。为了保证车桩在充电工程中的安全性以及充电接口的一致性等，国家及能源局等相关部门出台了一系列的标准规定并将之不断更新。在国家标准方面，现行的是2015版国标，该国标从通用要求、交流与直流、充电机与BMS通信等方面进行了规定，同时规定了电动汽车与充电桩的充电接口标准以及在使用中的安全防护方面的要求，从而保证整个充电流程是确定的，让每一个充电桩都能为每一台电动汽车安全可靠的进行充电；在行业标准方面，主要有以下两个：《NBT 33008.1-2013电动汽车充电设备检验试验规范第1部分：非车载充电机》和《NBT 33008.2-2013电动汽车充电设备检验试验规范第2部分：交流充电桩》，这两个标准主要规定了充电桩的充电功能、通信方式、安全防护、电磁兼容性等检测方法和检测要求，是充电桩投入运营之前必须要通过的标准。
截止到2017年，全国公共类充电基础设施约为21万个，私人类充电基础设施约为23万个，而纯电动汽车的保有量约为80万辆，这距离2020年各类充电基础设施要达到450万个目标仍相距甚远。一方面，我国目前的充电基础设施的数量仍然严重不足，电动汽车与充电桩的比例高达4:1，完全满足不了电动汽车的日常行驶需求；而另一方面，当前充电基础设施的建设仍处于无序状态，很多车主需要充电时找不到近的充电桩，而同时很多建成的充电桩却没有电动汽车充电长时间闲置。同时，随着2015版的新国标出台，一些已经建成的充电桩不再满足现有的标准，而市场上同时充斥着新旧国标的充电桩与电动汽车，这些设备之间的接口并不兼容，导致充电过程无法正常进行。
本文研究和设计的交流充电桩是采用单相交流电为供电电源，通过在交流充电桩控制模块的控制下为电动汽车进行充电的一种充电装置，交流充电桩一般分散放置在室外，以便电动汽车能够及时且方便的进行充电。
交流充电桩要能够为用户提供方便、快捷、安全、可靠的充电服务，用户在使用充电卡给电动汽车进行充电时，操作要简洁有效，提高用户的体验感；同时交流充电桩要接入后台管理系统，以便后台进行充电数据上报、交易结算以及设备故障信息的上报，方便技术人员及时处理各种问题，从而方便运营商进行集中化的管理。
2.1系统的功能要求
在2011版的充电接口及通信协议标准刚刚实施不到四年的情况下，2015年新标准就横空而出。因为2011版的老标准与2015版的新标准不匹配，老标准的车插在新标准的桩上，充电枪很可能会被锁住。这就要求我们必须清晰地明确新旧国标之间的区别。在安全性方面，新标准增加了充电接口温度监控、电子锁、绝缘监测和泄放电路等功能，细化了直流充电车端接口安全防护措施，明确禁止不安全的充电模式应用，能够有效避免发生人员触电、设备燃烧等事故，保证充电时对电动汽车以及使用者的安全；在兼容性方面，交直流充电接口型式及结构与原有标准兼容，新标准修改了部分触头和机械锁尺寸，但新旧插头插座能够相互配合，直流充电接口增加的电子锁止装置，不影响新旧产品间的电气连接，用户仅需更新通信协议版本，即可实现新供电设备和电动汽车能够保障基本的充电功能。交流充电占空比和电流限值的映射关系与国际标准兼容，并为今后交流充电的数字通信预留拓展空间。
通过分析新旧国标的联系与区别、国内外的各种产品以及合作企业提出的各项功能需求，本文设计的交流充电桩的各项功能与指标如表2.1所示。
根据上述的功能需求，本文设计的充电桩系统的总体方案如图2.1所示。总体方案主要包括四个部分：充电桩系统、服务器、后台管理客户端以及后台管理网页端。其中充电桩主要负责供用户充电，满足充电桩的基本功能，同时可通过无线通信模块将自身的状态信息和充电数据以及交易结算数据上传到服务器；服务器主要将充电桩上传的数据保存到数据库，同时根据后台管理人员的请求向客户端和网页端提供数据；客户端和网页端主要根据管理人员的操作向用户显示充电桩以及用户的状态及信息
。
根据上文的系统功能需求分析，按照系统的模块化设计原则，如图2.2所示，将交流充电桩分为以下几个功能模块：微控制器模块，用于控制整个系统的功能模块以及数据的处理；控制导引模块，用于充电过程中，对充电桩和电动汽车的连接状态进行确认、控制导引充电过程的开始及结束过程并实时监控充电过程中的电流电压等信息，并将信息提供给微控制器模块，进而控制整个充电过程；人机交互模块，用于用户与充电桩的交流，并进行各种操作，展示当前界面、充电的各项参数及将用户的操作反馈给微控制器模块，然后微控制器再控制下一步的操作；数据通信模块，用于充电桩将用户数据上传及验证，上报充电桩状态信息，上报充电过程信息以及后台对充电桩进行参数配置及数据的更新；电能计量模块，用于充电电流电压的测量，以及充电电量的计算，并将数据以供给微控制器模块，用于费用的计算；电气防护模块，用于充电桩出现各种危险情况时的紧急保护，包括水平检测、充电温度检测及漏电、过流、浪涌检测及保护，当出现上述情况时，充电桩能及时断电，保护设备安全；读写器模块，用于充电射频卡的读写，充电卡充值与充电结束时的交易结算；电源模块，用于提供能使整个设备正常工作的电源模块。
本文设计的交流充电桩是采用单相交流电供电的，即无论是为电动汽车充电还是充电桩控制电路及外部模块的电源的来源都是单相交流电。而充电桩的控制电路以及外围模块的供电电源都属于弱电，为了整个系统的安全及防干扰，或者保护后端设备不受雷击，浪涌或电压尖峰破坏，强电部分应和弱电部分隔离开来，因此，在电路的设计上，为了将强弱电隔离，采用将强电部分和弱电部分分别放在两块电路板上的方式，并在两板之间加上隔离电源，如图3.2所示。
3.2.1电源模块的需求分析
进行电源模块设计前，首先要明确本设计中各个模块的电源需求，然后再根据具体要求选择电源模块。本文设计的交流充电桩的各模块的电源电压需求如表3.1所示。
因为是单相交流电供电，而控制模块及各个功能模块的供电电源要求是直流电，所以首先要将单相交流电转换为所需要的±12V直流电。从稳定性以及可靠性方面进行考虑，本文选择市场上现有的开关电源作为单相交流电转换为±12V直流电的电源模块。经过比较，最终选择了深圳市普德新星电源技术有限公司生产的型号为GZM-H40D12-12R的双路电源变压模块，如图3.3所示。
该模块的技术参数如下：
1)工作类型：AC-DC
2)输入电压范围：176VAC~264VAC
3)额定功率：40W
4)输出电压电流：+12V 2.5A|-12V 1.0A
5)稳压精度：±3.0%
6)转换效率：0.86
7)纹波噪声：≤50mV|≤100mV
该电源模块具有效率高、可靠性高、超宽的工作温度范围等优点，同时具有短路、过压、过功率、过流等输出保护功能，完全满足本设计的需求。
在得到±12V的直流电源后，还需要将其转换为+5.0V和+3.3V的电源。关于电源模块，通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。开关稳压电源一般通过调节内部的管子的通断来调节电压的，而线性稳压电路内部一般具有参考电压，然后取外部的输出电压与取输入电压比较器，利用电压比较器的输出来控制最终的输出电压。所以线性稳压电源一般具有输出纹波小，精度高，外围电路简单等优点，但是芯片体积一般较大，转换效率不高且价格较高；而开关稳压电源具有转换效率高，成本较低，而外围电路较多，输出纹波较大。
经过多方面的比较以及从系统的实际需求进行考虑，在本文中，+5.0V的电源选用了美国国家半导体公司生产的LM2576-5.0开关稳压电源模块。其在本设计中的应用电路如图3.4所示。
LM2576是一种开关型的稳压电源模块，它的输出电流可高达3A。可完全满足整个+5.0V供电系统的输入要求。此外LM2576的转换效率高达80%以上，这减少了系统运行中的一些不必要的能源损耗，有助于降低运营成本。它还具有较宽的输入电压范围，这有助于维持整个系统电源的稳定性，当输入电压受到外部干扰而产生波动时，较宽的工作电压范围有助于减少其对输出电压的影响。
而+3.3V的电源选用了奥地利微电子公司（AMS）生产的正向低压降稳压器AMS1117-3.3。其在本设计中应用电路如图3.5所示。
AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，它通提供稳定的+3.3V电源，通常作为供电电压为+3.3V的IC芯片的供电电源。它的输出纹波很小，能使芯片在较为平稳的状态下工作，减少电源品质因素对整个系统工作的影响。
因为整个系统工作过程中，包含单相交流电、开关电源输出的±12V直流电，开关电源输出的+5V直流电、线性电源输出的+3.3V直流电以及当充电桩与电动汽车相连时汽车提供的直流电。这些电源交叉在一起，使整个系统的内部环境变得复杂，容易产生各种干扰，影响系统的稳定性。因此如上文所述，本设计中将强电部分和弱电部分分为两块电路板，而在两块电路板的电源连接部分使用了隔离电源模块来消除两块板之间的电源干扰，以交流充电桩的控制模块以及各芯片处于一个与外界信号相对隔离的环境，保障控制模块的稳定运行。
本设计中在两板间需要隔离的电源为+5V。本设计选用广州金升阳科技有限公司的隔离电源模块B0505S-3WR2。该模块在本设计中的应用电路如图3.6所示。B0505S-3WR2是一种定电压输入，隔离非稳压单路输出，3W功率的DC-DC电源模块。它是专门针对电路板上的电源系统中需要产生一组输入电源与输出电源相隔离的应用场合而设计的。该模块具有较高的工作效率，效率可达80%~84%，输出负载越高，效率越高。该模块的隔离效果也非常好，在1分钟的测试时间，输入和输出间的漏电流小于1mA。
在电路设计中通常在电源模块的输入前加上TVS过压器件瞬态抑制二极管，该类型二极管通常具有反应速度块，体积小，脉冲功率大，箝位电压低等特点，当有瞬间的较大电流和电压通过时，可以迅速的对该信号进行泄放，从而避免对后面的电路造成冲击，保护电路的稳定性。因而该二极管常常用于电路板的防静电保护。本文选用SMBJ18CA型TVS二极管用作静电保护，其在本设计中的应用电路如图3.7所示。
3.3微控制器及其外围电路设计
微控制器是整个系统的核心，它决定着整个系统在这个时间该做什么以及在某种状况下该去做什么。它控制着电路各个部分的工作和联系，将所有的资源和信息整合在一起进行分析或处理。所以，微控制器的选择是整个采集板电路设计的重中之重，选择不好，则会影响整个系统的使用。
根据系统要实现的功能以及各个功能模块与微控制器之间的联系，所需的微控制器至少满足以下条件：至少拥有三组UART引脚；至少拥有两组SPI引脚，至少拥有一组I2C引脚，至少有两个AD转换引脚。
根据上述基本条件以及对整个系统的性能及性价比的综合考虑，本文设计的交流充电桩选择NXP公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的LPC1768单片机作为整个系统的微控制器。
3.3.1 LPC1768单片机简介
LPC1768是NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，主要用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。LPC1768芯片的操作频率可达100MHz，其CPU具有3级流水线和哈佛结构，因此工作效率高、速度快。
下面简要介绍一下LPC1768芯片跟本设计相关的若干特性：
(1)4个UART、带小数波特率发生功能、内部FIFO、DMA支持和RS-485支持。1个UART带有modem控制IO并支持RS-485，全部的UART都支持IrDA；
(2)SPI控制器，具有同步、串行、全双工通信和可编程的数据长度.2个SSP控制器，带有FIFO，可按多种协议进行通信。其中一个可选择用于SPI，并且和SPI公用中断。SSP接口可以与GPDMA控制器一起使用。
(3)3个增强型的IIC总线接口。IIS接口，用于数字音频输入和输出，具有小数速率控制功能。IIS接口可与GPDMA一起使用。IIS接口支持3线数据发送和接收或4线组合发送和接收连接，以及主机时钟输入输出；
(4)4个通用定时/计数器，共有8个捕获输入和10个比较输出。每个定时器都有一个外部计数输入。
3.3.2微控制器的资源分配
本文设计的充电桩因为要连接较多的功能部件并与之进行通信，所以要合理分配微控制器的管脚，以便提高微控制器的资源利用率，实现各个功能的管理和控制，本设计中微控制器的部分资源分配方案如表3.2所示，引脚分配如图所示。
3.3.2复位电路
LPC17XX系列微控制器拥有四个复位源，分别是外部RESET复位、看门狗复位、上电复位以及掉电检测复位。本部分硬件电路完成上电复位和外部复位。
由图所示的复位电路是由RC振荡器来控制RESET引脚进行复位的。RC复位电路由一个0.1uF的电容和一个10K的电阻组成。当系统上电时，电容两端突然有了电压，在这一瞬间，这个直流电对电容来说就是交流电，由于电容通交流阻直流，这时候，电容相当于短路，此时RESET引脚是低电平，然后，当电容充满电时，RESET引脚是高电平，此时单片机就要开始从程序地址0处执行了。整个复位完成所需的低电平时间由RC值决定。只有维持足够长的低电平时间，单片机才能够正常
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