摘要：本文介绍了一种以CORTEX-M3芯片为核心结合KeilRTX实时操作系统完成的交流充电桩的设计。笔者认真分析了交流充电桩嵌入式软件在KeilRTX实时操作系统下多任务编程的实现流程，介绍了充电桩嵌入式软件通过多任务编程完成充电任务并检测输入信号异常及相应异常处理的方法。实验表明：CORTEX-M3芯片为核心结合KeilRTX实时操作系统完成交流充电桩的设计具有良好的稳定性和故障检测处理能力。
关键词：电动汽车；交流充电桩；互联网
前言：近年来，在政府政策的大力支持下，电动汽车行业发展迅速，我国已经成为电动汽车的产销大国。电动汽车的推广受制于充电设施的发展。根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟提供的数据，截至2016年12月，全球范围内的车桩保有量比例为7∶1，远不能满足充电需求。2015年10月，国务院办公厅发布的《关于加快电动汽车充电设施建设的指导意见》及四部委发布的《电动汽车充电基础设施发展指南》（2015—2020），我国将新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个，以此来弥补充电设施数量上的差距。到 2015年全国的电动汽车大概为50万辆左右，而到2020年要达到500万辆。到2020年国内充换电站数量要达到1.2万个，充电桩达到450 万个。但是目前我国主要以建设集中式充电站为主，对于分散式充电设施的建设速度相对较慢，对于未来新增的大量分散式充电设施的优化规划问题。
1 电动汽车充电设施类型选择
目前，中国城市电动汽车充电基础设施主要包括各类集中式充换电站和分散式充电桩。我国在充电站的定位上与国外不同，美国主要以慢充为主，快充作为补充以应急，而我国在电动汽车发展的初期主要以快充为主，以充电站作为能量补给。然而对于城市核心地区来说，应以分散式充电设施为主，原因主要有以下几个方面：（1）在建设用地方面，分散式充电设施不需单独征地，在小区停车场、办公楼停车场等停车区域都可以建设，可充分利用空间资源；（2）在电网影响方面，分散充电设施主要是由慢速充电桩组成，充电电流约15A，对电网的冲击比较小；（3）投资方面，分散式充电设施依靠停车场建设，不存在征地费用问题，并且对于技术要求较低，容易实现，投资小。
2 充电桩硬件设计
MCU采用低功耗，高性价比的CORTEX-M3系列芯片，通过RS485接口与电能表通信，实现电流、功率、电能信号的采集。并采用低功耗的WiFi模块，实现与服务器数据通信。系统硬件框架如图1所示。（1）MCU单元。为充电装置的控制核心，完成逻辑判断与信息分发，采用低功耗，高性价比的ARMCORTEX-M3系列芯片，型号为STM32107。片上集成了丰富的外围功能模块，便于设计高性能低成本的嵌入式应用系统，芯片通过串口与WiFi通信模块通信。通过RS485总线与电能表通信，MCU通过驱动电路与接触器相连实现充电电能输出的通断控制与反馈检测，通过驱动电路与车载充电机相连实现与车载充电机的信息输出与反馈检测。通过片上的Flash，实现用电信息的存储、保存采集的用电历史数据以及重启事件、故障或告警事件等。（2）电能表。电能表是一种可以监测电流、电压、功率、电量等电参数的专用装置，电能表串接在交流供电线路上，数字电表与MCU之间通过RS485通信方式完成数据交互。（3）WiFi通信模块。采用低功耗的WiFi模块，实现与无线网关的数据通信进而实现充电装置开关状态远程控制、电流、功率、电能信息的上报。（4）保护单元。包括防雷器和漏电保护器，防雷器用于防止雷电或其他内部过电压侵入设备造成损坏，漏电保护器用于在设备发生漏电故障以及有致命危险的人身触电保护。（5）电源转换模块。用于将交流电能转换为直流电能，提供不同电压等级的直流电，为充电装置中的其他电路提供电源。（6）接触器。作为实现充电装置的输出电能通断的执行部件，由MCU经驱动电路进行控制。（7）急停开关。作为充电装置的紧急制动装置，具备最高优先级，当充电桩工作发生异常时强行终止工作。
图:1：系统硬件框架图
3 充电桩嵌入式系统软件设计
系统软件分为应用区软件和BOOT区两部分，采用模块化设计思想，如图1所示。应用区软件完成充电桩相关的各种功能，包括数据通信功能、接触器通断电功能、电能量数据采集等功能，采用多任务模块化的软件设计方法，使设计过程变得更加简单，方便后续功能扩展，软件的实时性、稳定性和可靠性都有很高的保障，开发周期也会相应地缩短。BOOT软件主要完成充电桩应用区软件的在远程级功能，方便后期应用区软件的维护。
3.1 BOOT区程序
该程序模块完成对应用区程序远程升级和从BOOT区程序跳转到应用区程序的功能。
3.2 应用区程序
应用区程序完成充电相关的各种功能，包括告警信息、按键信息采集、LED灯控制、与服务器通信（协议接收解析和打包发送）、用电参数采集等信息，以及相关的驱动。根据充电桩应用的实时性和多任务需求，方便后期维护和结构创建，软件编程选用KeilRTX实时操作系统，KeilRTX是免版税的确定性实时操作系统，适用于ARM和Cortex-M设备。使用该系统可以创建同时执行多个功能的程序，并有助于创建结构更好且维护更加轻松的应用程序。
（1）充电桩应用区软件架构根据充电桩的需求，应用区软件使用KeilRTX实时操作系统，节拍定时器设为10ms，共包含三个任务：告警判定任务、充电控制任务和用电参数采集任务。告警判定任务设为三个任务中最高级任务优先级，充电控制任务次之，用电参数采集任务再次之。告警判定任务完成所有告警信息的采集判定，任务每10ms遍历一次所有的告警信息，在充电过程中发生意外时可以在第一时间切断电源输出保证充电过程的安全性，且保证时间判定符合GB/T18487.1的要求。充电控制任务完成与服务器通信数据的接收和发送，并根据服务器命令和充电流程控制接触器和指示灯状态。用电参数采集任务通过与电能表通信完成充电参数（电压、电流、电能等）的采集。
（2）充电桩应用区软件数据流图告警判定任务实时采集CP、CC状态信息、接触器状态信息、枪锁状态信息、电压、电流、电能信息等。告警判定任务根据采集的信息判断告警并输出给充电控制任务。用电参数采集任务采集电能表信息对另外两个任务输出电压、电流、电能信息。充电控制任务接收服务器信息、告警判定任务输出的告警信息和用电参数采集任务采集的电压、电流、电能信息并输出接触器控制信息、指示灯控制信息和上报服务器的信息。
（3）充电桩软件充电控制任务流程充电控制任务首先初始化外部电路等，首先判断服务器是否已经连接，如果服务器没有连接则需要重新连接服务器，启动任务后第一次连接上服务器需要检查有无保存的充电桩上次充电没有上报的充电结果，如果有需要上报上次充电的结果，然后更新与服务器连接状态。正常与服务器连接时，需要定时发送心跳报文（检测充电桩与服务器的连接状态）、校时报文（保证充电桩与服务器的时间一致）和状态字变化报文（保证服务器记录的状态和充电桩的状态一致）。此种状态视为充电桩待机状态，可以随时接受服务器指令进行充电。每隔10ms循环一次采集CP、CC状态信息、接触器状态信息、枪锁状态信息、电压、电流、电能信息等根据GB/T18487.1的要求判断是否产生告警信息，产生告警时如果正在充电则立即停止充电并且记录告警信息然后将告警信息发送给充电控制任务。
结束语：
总之，面向互联网的交流充电桩是基于云平台互联网充电桩系统的一部分，能满足大部分电动汽车的慢速充电要求。本文对面向互联网的交流充电桩的设计分析，对于充电桩的设计借鉴和推进电动汽车的普及具有一些作用。
参考文献：
[1]王寅飞，郑泰山，李鹏，等. 新能源汽车能量补充模式分析与探讨[J].机电工程技术，2017，46（3）：19-23.
[2]田立亭，史双龙，贾卓. 电动汽车充电功率需求的统计学建模方法[J].电网技术，2010，34（11）：126-130.
论文作者:李鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/13
标签：信息论文; 接触器论文; 电能论文; 服务器论文; 状态论文; 电动汽车论文; 软件论文; 《电力设备》2018年第27期论文;