新能源汽车充电桩系统方案分享之电路设计

在此前的新能源汽车充电桩系统方案分享中，本文为各位工程师们分享了这一方案中的设计思路，并对其进行了总结和简析。在今天的文章中，我们将会继续就这一新能源汽车充电桩系统方案中的电路设计部分，展开详细的分析和介绍，希望能够对各位工程师的工作带来一定的参考和帮助。

主控制器选择

图1 交流充电桩电气连接示意图

在本文所设计的这一新能源汽车充电桩系统中，其交流电充电桩的电气连接情况如上图图1所示。可以看到，在这一充电系统中，其主控制器选择意法半导体的STM32F107VCT6微控制器。STM32F107VC互联型系列使用高性能的ARMR○CortexTM-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz。该器件同时提供了以太网接口，极大的方便了电路设计。

串行接口电路

为了使本文所设计的这一电动汽车交流电充电桩系统满足充电和减少城市电网负载的两大要求，在串行接口电路的设计方面，这一充电桩系统共使用了四个串行接口分别与LCD触摸屏、热敏打印机、读卡器和RS 485接口的电能表通信。LCD触摸屏和热敏打印机为RS 232电平，经过电平转换与MCU通信。LCD触摸屏与MCU的通信协议采用Modbus RTU通信协议，MCU作为主机，LCD触摸屏作为从机。热敏打印机根据打印机模块提供的协议进行通信。

由于这一新能源汽车的充电桩系统需要为用户提供指令选择和记忆功能，因此本方案选择使用的读卡器为TTL电平类型，可以直接与MCU相连，采用读卡器模块提供的协议进行通信。充电计量的电能表采用多功能单相表，电表选用2.0等级的电能表，电流规格为5（40）A。电表提供RS485接口，通过DL/T 645-2007通信协议与MCU通信。通过读取电能表的电能值作为充电桩的电能计量值，通过读取电表电流和电压值来判断充电过程中是否出现过流和过压的情况，并加以处理。其电能表接口的电路图如图2所示。

图2 RS485接口原理图

CAN总线接口电路

对于这一电动汽车的CAN总线接口设计方面，国内2015年的通用总线接口推荐标准中推荐车载充电机与交流充电桩之间的通信系统采用CAN总线，所以本文也选择CAN总线接口完成总线接口电路设计。本方案中，数据链路层为物理连接之间提供可靠数据传输，本系统车载充电机与交流充电桩之间的数据帧格式符合CAN总线2.0B版本的规定，使用CAN扩展帧的29位标识符。具体每个位分配的相应定义和传输协议等功能符合SAE J1939-21的规定。

充电电压测量电路

在本方案中，由于所设计的交流电充电桩系统需要对电动汽车的充电程度进行评估，因此本文所设计的电压测量电路首先需要通过测量互感器将电压和电流转换为可以测量的小信号。例如对220V的电压信号的测量，采用的互感器变比为2mA/5mA。这里本文选择采用图3所示的电路，可知在220V时互感器的输出恰好为5mA。忽略大电阻分流的影响，则27Ω相当于是一个采样电阻。

由于在信号采样的过程中，常见的信号形式为交流电，且其所采集的信号有正负之分，而A/D转换器的输入范围为0～3.6V，所以不能直接将采样电压输入到A/D转换器中。在运放的正输入端接入一个正的参考电压，再选择合适的放大倍数，使输出能够在A/D转换器的输入范围即可很好的解决该问题。采用准同步采样后，数据采用矩形自卷积窗算出其有效值。

图3 充电电压测量原理图

控制导引电路

在本文所设计的这一新能源汽车交流充电桩系统中，我们所设计的控制导引电路，其主要功能是完成充电前充电桩与电动汽车的连接确认、供电功率及充电连接装置载流能力的识别和充电过程的监测等任务。MCU通过检测点不同的电压值来判断所处状态，这一控制导引电路的基本原理图如下图图4所示。

图4 控制导引电路原理图

桩体电气部分设计

在这一新能源汽车的交流电充电桩设计方案中，其交流充电桩的电气部分在整体中的主要功能是完成充电的控制与充电过程的保护等功能。因此，需要具有漏电保护、短路保护、过流、过压、欠压保护等保护功能。除短路和漏电保护外，其他保护功能通过充电控制器控制接触器实现，以实现自恢复。短路和漏电保护选用带漏电保护的微型断路器实现。此外系统还具有防雷模块，防雷模块标称放电电流应当不小于20kA，保护电压水平小于等于1.5kV。单相供电时防雷模块的接线方式选用P+N接线方式。充电桩具备急停按钮，以便在紧急情况时能够强行终止充电。

以上就是本文针对一种新能源汽车的交流电充电桩系统，所进行的方案分享，希望能够对各位工程师的设计工作带来一定帮助。