充電樁控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u17995充電樁控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例概述 1186091.1微控制器的選擇與設(shè)計(jì) 1321911.2汽車充電樁的充電的主電路設(shè)計(jì) 3261151.2.1充電主電路設(shè)計(jì) 388021.2.2濾波整流電路設(shè)計(jì) 4111211.2.3DC-DC全橋功率變換電路 4155331.2.4IGBT的選擇與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 638221.2.5充電單元電路參數(shù)設(shè)計(jì) 694041.3充電樁控制電路的設(shè)計(jì) 787831.3.1信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) 7324041.3.2溫度檢測(cè)電路 8299501.3.3人機(jī)交易模塊 944811.3.4IC卡讀卡器模塊 962401.3.5電能計(jì)量模塊 1070401.3.6緊急停止單元設(shè)計(jì) 1010501.3.7電氣防護(hù)單元組成 101.1微控制器的選擇與設(shè)計(jì)分析微控制器模塊交互硬件資源功能要求，本文制定了該模塊運(yùn)行原理以及硬件分配表，詳細(xì)見下圖：圖1.1STM32F103VET6系統(tǒng)硬件圖綜合各方面因素考慮，在選擇本系統(tǒng)的微處理器時(shí)，本文選擇的是TI公司TMS320系列的STM32F103VET。STM32F103VET6因?yàn)槠漭^高的性價(jià)比和較為成熟的技術(shù)所以在大功率充電系統(tǒng)中使用較為普遍。STM32F103VET6微處理器特點(diǎn)如下：電壓為1.3V,能耗低；處理指令響應(yīng)時(shí)間快，指令周期短，僅有33ns,由強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制力；（3）數(shù)據(jù)所占內(nèi)存小，F(xiàn)LASH和程序RAM各占32KB和1.5KB；（4）DARAM和SARAM一個(gè)是544B,一個(gè)是2K；（5）具有可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)空間有擴(kuò)展空間，其擴(kuò)展空間大小在64K左右；（6）有EVB和EVA兩個(gè)事件管理模塊；（7）10位A/D轉(zhuǎn)換速度非?？?；（8） 基于鎖相環(huán)原理的時(shí)鐘發(fā)生器；STM32F103VET6在工作時(shí)可以在外圍電路進(jìn)行工作。圖1.2為最小系統(tǒng)復(fù)位電路和圖1.3圖如下所示[11]。圖1.2復(fù)位電路圖1.3晶振電路表1.1STM32F103VET6的資源分配表1.2汽車充電樁的充電的主電路設(shè)計(jì)1.2.1充電主電路設(shè)計(jì)主電路圖見圖所示，首先輸入的是三相交流工頻直流電，之后其在整流濾波的處理下會(huì)轉(zhuǎn)變成直流電，之后流經(jīng)高頻逆變電路，經(jīng)過該電路的轉(zhuǎn)化，從該電路輸出的電流則變?yōu)榱烁哳l交流電[10]，高頻交流電進(jìn)入高頻電壓后，高頻電壓會(huì)對(duì)高頻交流電進(jìn)行降壓，再進(jìn)行整流濾波，將其接到電池組兩端開始充電。圖1.4充電主電路圖1.2.2濾波整流電路設(shè)計(jì)根據(jù)圖1.4能夠得知，充電使用三相橋式電路整流處理的三相交流工頻電之后再進(jìn)行濾波處理然后獲得穩(wěn)定直流電[3]。三相整流濾波電路見圖1.5所示，電路由6個(gè)二極管構(gòu)成，其中，D1~D3的三個(gè)二極管被接成共陰極形式，D4~D6的三個(gè)二極管被接成共陽極形式，二極管有有單向?qū)щ娦?一旦通電，那么就有兩個(gè)二極管導(dǎo)通，然后形成供電回路，而且通電時(shí)間較短，只有導(dǎo)通周期的三分之一[12]。LC濾波電路主要有兩部分構(gòu)成，一是電容Ca，二是電容La。LC濾波電路的作用是對(duì)直流電中的紋波成分進(jìn)行整流，這樣能夠保障后續(xù)電路在不受紋波干擾的情況下工作。圖1.5三相濾波電路圖1.2.3DC-DC全橋功率變換電路開關(guān)電源會(huì)對(duì)三相交流電進(jìn)行處理，主要流程如圖可示：圖1.6開關(guān)電源的能量變換換過程充電電路中有電容、變壓器以及電感等器件，器件大小取決于電路體積。為了避免交流電樁占據(jù)較大占地面積，在設(shè)計(jì)充電電路時(shí)會(huì)使用高頻開關(guān)電路。軟開關(guān)技術(shù)是在開關(guān)頻率比較大且受到電磁干擾比較大的情況下產(chǎn)生的?；诖?，本文在設(shè)計(jì)DC-DC功率變換電路時(shí)，便使用了軟開關(guān)技術(shù)[14]。軟開關(guān)技術(shù)可以使得開關(guān)電流和電壓通過正弦波的形式輸出。一般情況下來講，若開關(guān)電流是0，那么開關(guān)就會(huì)關(guān)閉，若電壓是0，則會(huì)打開。所以能夠避免出現(xiàn)開關(guān)開啟或者關(guān)上時(shí)同時(shí)存在電流或者電壓的情況，進(jìn)而可以達(dá)到節(jié)約開關(guān)損耗的目標(biāo)。圖1.7全功率變換電路全功率變換電路如圖3-7所示。Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)橋臂互補(bǔ)導(dǎo)通來調(diào)節(jié)充電電壓，信號(hào)采集單元結(jié)合PID子程序則可以控制電流，讓電流恒定。但電流發(fā)生改變時(shí)，PID子程序會(huì)對(duì)比實(shí)際電流和設(shè)置的電流，然后從DSP中PWM的輸出，這種情況下就會(huì)影響以上四個(gè)橋臂的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)充電電壓，令電路中的電流可以實(shí)現(xiàn)恒定目標(biāo)[15]。1.2.4IGBT的選擇與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)交流充電樁系統(tǒng)使用的開關(guān)元件，經(jīng)過多方面的考量，本文使用的是IGBT。IGBT主要有2部分構(gòu)成，一是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，二是雙極型三極管。其具有導(dǎo)通壓低等等優(yōu)勢(shì)，所以絕大部分的充電裝系統(tǒng)都會(huì)選擇使用它。為了方便后期維護(hù)，本文使用的是模塊化的三菱IGBT，型號(hào)是CM300HA-12H(E)。其具有耐壓性能強(qiáng)，速度快等等優(yōu)勢(shì)，所以特別適合在大功率充電路當(dāng)中使用。綜合各方面考慮，本文使用的是富士公司的EXB841驅(qū)動(dòng)模塊。而只有在Vcc=20V,Iin=10mA的情況下，EXB841才能夠驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，在使用EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT一定要特備注重驅(qū)動(dòng)電流和電壓的選擇，過高和過低都不適宜，如果過高，則可能會(huì)燒壞IGBT管，如過低則會(huì)增加其ON電壓；同樣的電流選擇也應(yīng)該適中，過大和過小也都不合時(shí)宜，若驅(qū)動(dòng)電流過大，那么可能會(huì)延遲電路信號(hào)，如果過小，則可能會(huì)影響電路穩(wěn)定性，IGBT驅(qū)動(dòng)電路見下圖：圖1.8IGBT驅(qū)動(dòng)電路1.2.5充電單元電路參數(shù)設(shè)計(jì)（1）整流二極管的選擇。假如輸入電源是380V三相交流電，在充電過程中，電壓不會(huì)一直是380v，其是會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的，一般情況下會(huì)有-15%-+15%,的波動(dòng)，為避免整流二極管不會(huì)因過壓而損壞，在計(jì)算其電壓時(shí)要代入最大輸入電壓。XAVD選擇器件時(shí)要留有安全余量，所以整流電壓等級(jí)在800-1200間，交流充電樁最大輸出功率為12KW，將以上數(shù)據(jù)代入以下公式可計(jì)算出二極管有效電流值：ID（1）濾波電容可根據(jù)以下公式計(jì)算：C=（5～8）RL值可根據(jù)由交流充電樁設(shè)計(jì)功率以及效率來計(jì)算。Vin(min)=1.35×0.8×380=410V

Y輸出功率和頻率分別是12KW和50HZ，效率為95%，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算可知電容大小是0.63mF-1mF。濾波電容最大電壓：UC選用C濾波為1mF，1000V的耐壓值（2）選擇高頻變壓器考慮兩方面因素為變壓器的變比和副邊的最大電流，其變比可使用以下公式計(jì)算：N=UIGBT輸入端PWM占空比D和輸出電壓Uout。變壓器輸入功率值為12.63KW，計(jì)算變壓器原邊最大電流為：Iy高頻變壓器副邊的最大電流為：If1.3充電樁控制電路的設(shè)計(jì)1.3.1信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)交流充電樁的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與充電安全性有很大關(guān)聯(lián)，若能夠準(zhǔn)確獲得當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)則能夠了解充電過程是否安全。所以設(shè)計(jì)信息采集單元電路還是非常重要的。信息采集電路主要包括兩種，一種是電壓檢測(cè)電路，一種是電流檢測(cè)電路。（1）電壓檢測(cè)電路充電電壓大小與充電樁運(yùn)行狀況直接掛鉤，電壓檢測(cè)電路并不復(fù)雜，為提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。在采集電壓后介入模擬隔離芯片ISO12414，其可以將大電壓轉(zhuǎn)化為小電壓，小電壓更方便檢測(cè)。將小電壓接入ADC0832。ADC0832可以將小電壓從電量變成數(shù)字量，這樣DSP可以直接使用，電壓檢測(cè)電路具體如下：圖1.9電壓檢測(cè)電路（2）電流檢測(cè)電路對(duì)于一些比較大的電流，通常會(huì)使用霍爾電流傳感器，該傳感器不僅靈敏度高，而且安全可靠。所以本設(shè)計(jì)使用他來檢測(cè)充電樁的充電電流，該傳感器最大電壓是2V也可測(cè)量-350A~350A間的電流量;低于ADC0832的輸入電壓5V進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換是無法轉(zhuǎn)換測(cè)量精度。故需要AD263將最大電壓放大2倍，這樣電壓的差距會(huì)縮小，之后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換便可以獲得較大的轉(zhuǎn)換精度，電流檢測(cè)電路如下：圖1.10電流檢測(cè)電路1.3.2溫度檢測(cè)電路在充電時(shí)，溫度也是非常重要的指標(biāo)，在測(cè)量溫度時(shí)，本文使用的是DS18B20傳感器。該傳感器最大的特點(diǎn)是輸出是數(shù)字化信號(hào)，而且在處理輸入微處理器時(shí)可直接處理，不需要進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。在實(shí)際的運(yùn)用中溫度過高和過低都會(huì)造成元器件造成不良的影響，新能源汽車充電樁充電時(shí)，需要將最高溫度通過檢測(cè)充電單元給體現(xiàn)出來。傳感器采集溫度信號(hào)時(shí)，將溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（如圖1.11所示）。但由于充電過程中的電流較大，所以為了防止傳感器損壞，讓傳感器可以正常工作，需要接入電阻。圖1.11溫度檢測(cè)電路圖1.3.3人機(jī)交易模塊為方便后期維護(hù)，在設(shè)計(jì)智能充電樁時(shí)，需要存儲(chǔ)電壓、電流等等歷史充電數(shù)據(jù)，這樣需要的時(shí)候可以隨時(shí)查詢，Nand結(jié)構(gòu)讀寫速度快，能夠滿足數(shù)據(jù)村塾要求，但是由于NandFlash與TMS320LF2407間缺少可以直接讀寫的接口，所以需要進(jìn)行相應(yīng)編程，讓NandFlash能夠讀寫。綜合多方面考慮，本文使用的Nand型存儲(chǔ)芯片是三星K9F5608UOB型號(hào)，如圖1.12。圖1.12處理芯片與FLASH的接口1.3.4IC卡讀卡器模塊IC卡能夠幫助用戶支付充電費(fèi)用，而且這種方式比較方便，所以需要設(shè)計(jì)IC卡讀卡器模塊。在充電時(shí)，用戶要先將IC卡放在讀卡區(qū)域，刷卡成功后才可以充電。當(dāng)充電完畢后，需要再次刷卡，然后讀卡區(qū)域會(huì)顯示此次充電花費(fèi)了多少費(fèi)用，之后將費(fèi)用從卡的總費(fèi)用當(dāng)中扣除。IC卡的余額，用戶名信息，卡號(hào)等等都需要能夠在充電樁上顯示出來[4]。本文使用的是射頻卡/IC卡手插式讀卡器CRT-288-E,其具有可靠性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，性價(jià)比好以及讀寫速度快等等優(yōu)勢(shì)。讀卡器見下圖：圖1.13讀卡器實(shí)物圖1.3.5電能計(jì)量模塊電能計(jì)量模塊是否能夠計(jì)量準(zhǔn)確與智能充電樁能否獲得收益有很大關(guān)聯(lián)，綜合各方面因素考慮，本文使用的是DTZ341三相四線能電能表，其具有準(zhǔn)確度高，測(cè)量電流范圍大等等特點(diǎn)。圖1.14電能表實(shí)物圖1.3.6緊急停止單元設(shè)計(jì)緊急停止單元在智能充電樁充電過程中也發(fā)揮著非常重要的作用，在充電過程中，若發(fā)生經(jīng)濟(jì)狀況，若有緊急停止單元可以保護(hù)智能充電樁。為安全起見，可以設(shè)計(jì)人工操作按鈕在突發(fā)狀況下直接強(qiáng)制切斷電源?？蓪⒃摪粹o設(shè)計(jì)在智能充電樁顯示屏下方。強(qiáng)制關(guān)閉按鈕觸點(diǎn)要與電源交流接觸器相連，當(dāng)按下該按鈕時(shí)，觸點(diǎn)回路會(huì)斷開，那么智能充電樁的電源交流接觸器就會(huì)掉電，其常開觸點(diǎn)就會(huì)斷開，進(jìn)而整個(gè)電路就會(huì)被切斷。1.3.7電氣防護(hù)單元組成電氣防護(hù)單元作用非常大，既能夠在發(fā)生雷擊或者短路狀況時(shí)及時(shí)保護(hù)充電樁，又能夠防止靜電干擾智能充電樁[18]。有兩種防護(hù)方式分別為硬件防護(hù)和軟件防護(hù)。在設(shè)計(jì)中使用的是硬件防護(hù)方式