CN111422091A - 一种交流充电桩控制导引功能检测系统 - Google Patents

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CN111422091A CN202010214750.4A CN202010214750A CN111422091A CN 111422091 A CN111422091 A CN 111422091A CN 202010214750 A CN202010214750 A CN 202010214750A CN 111422091 A CN111422091 A CN 111422091A
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Abstract

本发明公开了一种交流充电桩控制导引功能检测系统，包括MCU主控单元、车辆插座、CC信号采集模块、CP信号采集模块、电阻选择网络、RS485串口通信模块、CAN通信模块和上位机；所述车辆插座实现与交流供电设备的物理连接，CC信号采集模块与车辆插座的连接确认信号线连接，用于采集充电装置的连接确认信号，CP信号采集模块与车辆插座的控制导引信号线连接，用于采集充电装置的控制导引信号，电阻选择网络设置在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，用于根据MCU的控制指令，控制接入控制导引线路的电阻接入状态，进而改变供电设备端的PWM波幅值，MCU主控单元通过RS485串口通信模块与上位机连接，上位机实现充电连接过程的状态监控与数据显示。

Description

一种交流充电桩控制导引功能检测系统
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种交流充电桩控制导引功能检测系统。
背景技术
近年来，新能源汽车的发展是我国战略性新兴产业，国家不断加大对电动汽车及充电基础设施的政策支持，电动汽车及充电基础设施正迎来快速发展的时期。充电接口标准是电动汽车和充电基础设施的根本，是电动汽车与充电设施互联互通的基础。国标GB/T18487.1-2015规定了电动汽车充电系统的基础性、通用性、安全性。其要求相同或不同型号、版本的供电设备与电动汽车通过信息交换和过程控制，实现充电互联互通的能力。实践中由于充电设备生产商与电动汽车制造商对于新标准的理解偏差，导致充电设备不能可靠的给电动汽车充电，甚至出现电动车不能识别充电设备的现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种流充电桩控制导引功能检测系统。该系统模拟了车辆端的控制导引检测装置，在无需电动汽车的情况下对交流供电设备的控制导引功能进行充电连接检测，并将充电连接过程中的状态参数通过上位机直观显示。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种交流充电桩控制导引功能检测系统，包括MCU主控单元、车辆插座、CC信号采集模块、CP信号采集模块、电阻选择网络、RS485串口通信模块、CAN通信模块和上位机；所述车辆插座采用符合GB/T 20234-2015电动汽车传导充电用连接装置的七芯车辆插座，实现与交流供电设备的物理连接；所述CC信号采集模块与车辆插座的连接确认信号线连接，用于采集充电装置的连接确认信号；所述CP信号采集模块与车辆插座的控制导引信号线连接，用于采集充电装置的控制导引信号；所述电阻选择网络设置在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，用于根据MCU的控制指令，控制接入控制导引线路的电阻接入状态，进而改变供电设备端的PWM波幅值；所述MCU主控单元通过RS485串口通信模块与上位机连接，上位机实现充电连接过程的状态监控与数据显示；所述MCU主控单元与CAN通信模块连接，通过CAN通信模块可用于满足车辆端的充电数据通信。
在上述技术方案中，MCU主控单元采用基于ARM CortexTM－M3内核的低功耗STM32F107RCT6单片机。
在上述技术方案中，在供电设备的车辆插头端设置有电阻RC、R4与开关S3，其中电阻RC和电阻R4串接在充电连接线CC与保护地线PE之间，开关S3并联在电阻R4上，当车辆插头未插入车辆插座时，MCU根据CC信号采集模块采集的信号判断充电连接线CC与保护地线PE之间的电阻值为无穷大，当MCU判断到充电连接线CC与保护地线PE之间的电阻值为国标规定范围时，表示有车辆插头插入，其中，当S3处于断开状态，CC线与PE之间的电阻值为RC+R4时，MCU判断当前连接状态为半连接；S3处于闭合状态，CC线与PE之间的电阻值为RC时，MCU判断当前连接状态为全连接，MCU根据RC的阻值确定当前供电设备的电缆容量。
在上述技术方案中，所述电阻选择网络包括电阻R2、电阻R3和开关S2，其中，电阻R2和开关S2串联在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，电阻R3连接在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，所述开关S2与MCU连接，由MCU控制开关S2的导通与否。
在上述技术方案中，CC信号采集模块包括恒流源输出电路单元和CC信号处理电路单元，所述恒流源输出电路与充电连接线CC连接，为其提供1mA的恒流源，根据恒定的电流流过不同阻值的电阻，将电阻值的变化转换为相对应的电压信号由CC信号处理电路采集，根据其电压值就可以推算当前RC电阻和R4电阻的连接结构，即可确定当前连接状态；所述CC信号处理电路包括电阻分压网络、量程选择开关Q3和电压跟随器，所述电压跟随器的输出端连接MCU，用于向MCU输出CC测量信号，所述电阻分压网络是由电阻R67和电阻R68组成1/2分压电路，电阻R67和电阻R68之间的连接点连接至电压跟随器的正向输入端，并且电阻R68的另一端经过量程选择开关Q3连接GND，该量程选择开关Q3与MCU连接，由MCU控制量程选择开关Q3的导通与关断，当电压值小于ADC基准电压时，MCU控制量程选择开关Q3为关断状态，采集的CC电压信号不经过电阻R68进行分压，直接经电压跟随器后输入到MCU的ADC接口；电压值大于ADC基准电压时，MCU控制量程选择开关Q3为导通状态，此时电阻R67、R68组成1/2分压电路，将分压后的CC信号再接入电压跟随器，使其测量电压处于MCU的AD采集可测的范围内。
在上述技术方案中，所述CP信号采集模块，包括由电阻R59与电容C47组成的一阶RC滤波电路以及一个比较器LM2903，所述比较器LM2903的正向输入端经过由电阻R59与电容C47组成的一阶RC滤波电路连接至电阻选择网络与控制导引线CP之间的接点，比较器LM2903的反相输入端连接由电阻R55、R57、C42组成的分压网络，比较器LM2903的输出端连接MCU。
在上述技术方案中，RS485串口通信模块采用MAX485ESA接口芯片。
在上述技术方案中，CAN通信接口模块采用恩智浦高速CAN收发器TJA1042T。
交流充电桩控制导引功能检测系统的工作方法如下：
在车辆插头端(即充电枪)连接过程中，电阻选择网络中的电阻R3接入控制导引线CP，供电设备检测到检测点的12V电平下降到9V左右，供电设备的开关S1动作，切换至PWM波输出状态，此时MCU通过CP信号采集模块采集控制导引线CP的PWM信号的频率与占空比，当MCU检测CP信号满足国标要求时，MCU控制开关S2闭合，此时电阻选择网络的电阻R3与电阻R2并联后接入控制导引电路，供电设备检测点的电平幅值降低至6V左右，供电设备检测到该电平值满足要求，闭合接触器K1、K2即输出交流220V；在连接过程中，MCU将采集的数据与逻辑结果通过RS485通信传输给上位机，由上位机进行图形化显示。
本发明的优点和有益效果为：
(1)按照新国标要求，进行充电枪的选取、CC、CP等电路的设计；
(2)使用ARMCortexTM－M3内核的低功耗STM32F107RCT6单片机进行数据的采集与通信；
(3)采用上位机进行数据的显示与分析；
(4)单片机与MCGS之间采用RS485通信，实现数据的传输与显示；
(5)采用R2/R3电阻选择网络，可以切换不同场景；
(6)模拟了车辆端的控制导引检测装置，在无需电动汽车的情况下即可对交流供电设备的控制导引功能进行充电连接检测。
附图说明
图1是系统整体设计框图；
图2是充电模式3/连接方式C的控制导引检测原理图；
图3是1mA恒流源输出电路；
图4是CC信号处理电路；
图5是CP信号处理电路；
图6是RS485通信电路设计；
图7是CAN通信电路设计。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
参见附图1，一种交流充电桩控制导引功能检测系统，包括MCU主控单元、车辆插座、CC信号采集模块(CC信号是指连接确认信号)、CP信号采集模块(CP信号是指控制导引信号)、电阻选择网络、RS485串口通信模块、CAN通信模块、电源电路和上位机。其中，所述车辆插座采用符合GB/T 20234-2015电动汽车传导充电用连接装置的七芯车辆插座，实现与交流供电设备的物理连接；CC信号采集模块与车辆插座的连接确认信号线连接，用于采集充电装置的连接确认信号CC；CP信号采集模块与车辆插座的控制导引信号线连接，用于采集充电装置的控制导引信号CP；电阻选择网络是模拟车辆端电阻，电阻选择网络设置在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，用于根据MCU的控制指令，控制接入CP(控制导引)线路的电阻接入状态，进而改变供电设备端的PWM波幅值；MCU通过RS485串口通信模块与上位机进行数据传输，上位机实现充电连接过程的状态监控与数据显示，其良好的人机交互功能，便于故障检测分析；MCU与CAN通信模块连接，通过CAN通信模块可用于满足车辆端的充电数据通信；电源电路提供各模块所需的工作电压。
如图2所示，是整个充电系统的整体结构图，本发明是通过测量充电连接线CC与保护地线PE之间的电阻值来判断车辆插头与车辆插座是否完全连接。在供电设备的车辆插头端(即充电枪)设置有电阻RC、R4与开关S3，其中电阻RC和电阻R4串接在充电连接线CC与保护地线PE之间，开关S3并联在电阻R4上，当车辆插头(即充电枪)未插入车辆插座时，MCU根据CC信号采集模块采集的信号判断充电连接线CC与保护地线PE之间的电阻值为无穷大，当MCU判断到充电连接线CC与保护地线PE之间的电阻值为国标规定范围时，表示有车辆插头(即充电枪)插入，其中，当S3处于断开状态，CC线与PE之间的电阻值为RC+R4时，MCU判断当前连接状态为半连接；S3处于闭合状态(充电枪完全插入到位后会触发S3闭合)，CC线与PE之间的电阻值为RC时，MCU判断当前连接状态为全连接，MCU根据RC的阻值确定当前供电设备的电缆容量。
所述电阻选择网络包括电阻R2、电阻R3和开关S2，其中，电阻R2和开关S2串联在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，电阻R3连接在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间；在充电枪连接过程中，电阻选择网络中的电阻R3接入控制导引线CP，供电设备检测到检测点1的12V电平下降到9V左右，开关S1动作，切换至PWM波输出状态，此时MCU通过CP信号采集模块采集控制导引线CP的PWM信号的频率与占空比，PWM信号的频率是1KHz，正负误差小于30Hz，其占空比表示当前供电设备允许输出的最大供电电流，当MCU检测CP信号满足国标要求时，MCU控制开关S2闭合(MCU与控制开关S2连接)，此时电阻R3与电阻R2并联后接入控制导引电路，供电设备检测点1的电平幅值降低至6V左右，供电设备检测到该电平值满足要求，闭合接触器K1、K2即输出交流220V。在连接过程中，MCU将采集的数据与逻辑结果通过RS485通信传输给上位机，由上位机进行图形化显示。
下面具体介绍各个模块的具体电路图：
MCU是整个系统的控制核心，MCU主控单元采用基于ARM CortexTM－M3内核的低功耗STM32F107RCT6单片机。该芯片具有丰富的外设，具有2路CAN、支持12位ADC转换、3个USART(通用同步/异步串行接收/发送器)、7路16位带捕获功能的定时器、时钟频率可达72MHz，完全满足本系统的需求。
CC信号采集模块包括恒流源输出电路单元和CC信号处理电路单元。如图3所示，为恒流源输出电路单元的电路图，其采用1mA的恒流源输出电路，与充电连接线CC连接，为其提供1mA的恒流源，从而CC信号处理电路单元才能进一步根据电阻值确定电缆容量和连接状态；在全连接状态，1mA电流经过RC电阻，根据其电压值就可以推算充电枪所安装的RC电阻得大小，即可确定当前充电设备的电缆容量。根据恒定的电流流过不同阻值的电阻，将电阻值的变化转换为相对应的电压信号由CC信号处理电路采集，根据其电压值就可以推算当前RC电阻和R4电阻的连接结构，即可确定当前连接状态。图3中，TL431是可控精密稳压源，基准电压为2.5V，假设三极管Q1导通时PE结电压为0.7V，则计算得到输出电流值为1mA，国标中针对不同的充电设备规定了对应的电阻RC与R4的电阻值，全连接时最小阻值为100Ω，在1mA电流源作用下只能得到0.1V的检测电压，半连接时最大阻值为3520Ω，在1mA电流源作用下能得到3.52V的检测电压，超过了MCU工作电压。为此，参见附图4，在CC信号处理电路单元中设计了电阻分压网络来解决此问题，具体两讲：所述CC信号处理电路包括电阻分压网络、量程选择开关Q3和电压跟随器，所述电压跟随器的输出端连接MCU，用于向MCU输出CC测量信号，所述电阻分压网络是由电阻R67和电阻R68组成1/2分压电路，电阻R67和电阻R68之间的连接点连接至电压跟随器的正向输入端，并且电阻R68的另一端经过量程选择开关Q3连接GND，该量程选择开关Q3与MCU连接，由MCU控制量程选择开关Q3的导通与关断，当电压值较小(小于ADC基准电压)时，MCU控制量程选择开关Q3为关断状态，采集的CC电压信号不经过电阻R68进行分压，直接经电压跟随器后输入到MCU的ADC接口；电压值较大(大于ADC基准电压)时，MCU控制量程选择开关Q3为导通状态，此时电阻R67、R68组成1/2分压电路，将分压后的CC信号再接入电压跟随器，使其测量电压处于MCU的AD采集可测的范围内。
如图5所示，是CP信号采集模块的电路图(具体指图5中虚线框内的电路)，其包括电阻R59与电容C47组成的一阶RC滤波电路以及一个比较器LM2903，所述比较器LM2903的正向输入端经过由电阻R59与电容C47组成的一阶RC滤波电路连接至电阻选择网络与控制导引线CP之间的接点(电阻选择网络与控制导引线CP之间的接点具体是指电阻R3和电阻R2之间的连接点)，比较器LM2903的反相输入端连接由电阻R55、R57、C42组成的分压网络，实现硬件滤波的作用，比较器LM2903的输出端连接MCU，实现对CP信号测量。工作时，CP信号采集电路必须满足对最小电平的变化相应，为了提高采集电路的抗干扰性，CP信号经由R59与C47组成的一阶RC滤波电路后接入比较器LM2903的正向输入端，反相输入端的门限电压由分压网络R55、R57、C42组成，实现硬件滤波的作用，避免了干扰信号带来的误触发；国标对PWM波形有着严格的要求，规定输出频率为1000Hz，误差范围为970～1030Hz；输出占空比误差在1％以内，信号的上升沿和下降沿时间在不带电缆空载的情况下保持在2μs以内，带电缆并加载情况下，最大时间不超过10μs。因此，RC滤波电路的设计要严格的计算其时间常数。
如图6所示，RS485串口通信模块采用MAX485ESA接口芯片，MAX485ESA是一个8个引脚的芯片，是一个标准的RS485收发器，通过MAX485ESA接口芯片实现了与上位机的数据传输，MCU将采集的数据与逻辑判断结果发送给上位机实现充电连接的实时监控，同时也可以接受上位机设定的检测参数，作为逻辑判断条件。
如图7所示，考虑了与车辆端通信的可能，预留了CAN通信接口，CAN通信接口模块采用恩智浦高速CAN收发器TJA1042T，可用于汽车行业中高速CAN应用，为CAN协议控制器提供差分发射和接收能力，使用ZYS81R5共模抑制线圈，有效抑制共模信号的通讯干扰；NUP2105L双向电压保护器，以实现稳压保护。
上位机MCGS设计：上位机MCGS通过在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工作过程的实时监控，分别设定触摸屏与单片机的通信协议位定义。由于通信模块的数据传输采用独立的通信协议，所以需要自行编写脚本驱动程序。MCGS给用户提供一种与传统MCGS组态软件中驱动程序功能兼容的、编程简便的设备驱动开发工具。采用与MCGS脚本语言兼容的编程语言，封装了大量标准功能，并提供必要的容错处理。完成脚本驱动程序编写后，安装到“用户定制设备”目录下供设备窗口选用。
本发明可以为设备维护人员提供交流充电设备的故障检测与故障分析，减轻了维修人员的工作负担。也可适用于检测是否符合GB/T 18487.1—2015规定的电动汽车交流供电设备，包括缆上控制与保护装置、交流充电桩、非车载充电机等，亦可作为新能源汽车专业在交流充电教学过程的实训装置。本系统采用RS485通讯方式，抗干扰性、可靠性较高，价格低廉。本系统中采用的单片机系统和上位机MCGS均可方便的对系统进行升级维护。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：包括MCU主控单元、车辆插座、CC信号采集模块、CP信号采集模块、电阻选择网络、RS485串口通信模块、CAN通信模块和上位机；所述车辆插座采用符合GB/T 20234-2015电动汽车传导充电用连接装置的七芯车辆插座，实现与交流供电设备的物理连接；所述CC信号采集模块与车辆插座的连接确认信号线连接，用于采集充电装置的连接确认信号；所述CP信号采集模块与车辆插座的控制导引信号线连接，用于采集充电装置的控制导引信号；所述电阻选择网络设置在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，用于根据MCU的控制指令，控制接入控制导引线路的电阻接入状态，进而改变供电设备端的PWM波幅值；所述MCU主控单元通过RS485串口通信模块与上位机连接，上位机实现充电连接过程的状态监控与数据显示；所述MCU主控单元与CAN通信模块连接，通过CAN通信模块可用于满足车辆端的充电数据通信。
2.根据权利要求1所述的交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：MCU主控单元采用基于ARM CortexTM－M3内核的低功耗STM32F107RCT6单片机。
3.根据权利要求1所述的交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：在供电设备的车辆插头端设置有电阻RC、R4与开关S3，其中电阻RC和电阻R4串接在充电连接线CC与保护地线PE之间，开关S3并联在电阻R4上，当车辆插头未插入车辆插座时，MCU根据CC信号采集模块采集的信号判断充电连接线CC与保护地线PE之间的电阻值为无穷大，当MCU判断到充电连接线CC与保护地线PE之间的电阻值为国标规定范围时，表示有车辆插头插入，其中，当S3处于断开状态，CC线与PE之间的电阻值为RC+R4时，MCU判断当前连接状态为半连接；S3处于闭合状态，CC线与PE之间的电阻值为RC时，MCU判断当前连接状态为全连接，MCU根据RC的阻值确定当前供电设备的电缆容量。
4.根据权利要求3所述的交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：所述电阻选择网络包括电阻R2、电阻R3和开关S2，其中，电阻R2和开关S2串联在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，电阻R3连接在车辆插座的保护地线PE和控制导引线CP之间，所述开关S2与MCU连接，由MCU控制开关S2的导通与否。
5.根据权利要求4所述的交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：CC信号采集模块包括恒流源输出电路单元和CC信号处理电路单元，所述恒流源输出电路与充电连接线CC连接，为其提供1mA的恒流源；所述CC信号处理电路包括电阻分压网络、量程选择开关Q3和电压跟随器，所述电压跟随器的输出端连接MCU，用于向MCU输出CC测量信号，所述电阻分压网络是由电阻R67和电阻R68组成1/2分压电路，电阻R67和电阻R68之间的连接点连接至电压跟随器的正向输入端，并且电阻R68的另一端经过量程选择开关Q3连接GND，该量程选择开关Q3与MCU连接，由MCU控制量程选择开关Q3的导通与关断，当电压值小于ADC基准电压时，MCU控制量程选择开关Q3为关断状态，采集的CC电压信号不经过电阻R68进行分压，直接经电压跟随器后输入到MCU的ADC接口；电压值大于ADC基准电压时，MCU控制量程选择开关Q3为导通状态，此时电阻R67、R68组成1/2分压电路，将分压后的CC信号再接入电压跟随器，使其测量电压处于MCU的AD采集可测的范围内。
6.根据权利要求1所述的交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：所述CP信号采集模块，包括由电阻R59与电容C47组成的一阶RC滤波电路以及一个比较器LM2903，所述比较器LM2903的正向输入端经过由电阻R59与电容C47组成的一阶RC滤波电路连接至电阻选择网络与控制导引线CP之间的接点，比较器LM2903的反相输入端连接由电阻R55、R57、C42组成的分压网络，比较器LM2903的输出端连接MCU。
7.根据权利要求1所述的交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：RS485串口通信模块采用MAX485ESA接口芯片。
8.根据权利要求1所述的交流充电桩控制导引功能检测系统，其特征在于：CAN通信接口模块采用恩智浦高速CAN收发器TJA1042T。
9.根据权利要求5所述的交流充电桩控制导引功能检测系统的工作方法，其特征在于：在车辆插头端连接过程中，电阻选择网络中的电阻R3接入控制导引线CP，供电设备检测到检测点的12V电平下降到9V左右，供电设备的开关S1动作，切换至PWM波输出状态，此时MCU通过CP信号采集模块采集控制导引线CP的PWM信号的频率与占空比，当MCU检测CP信号满足国标要求时，MCU控制开关S2闭合，此时电阻选择网络的电阻R3与电阻R2并联后接入控制导引电路，供电设备检测点的电平幅值降低至6V左右，供电设备检测到该电平值满足要求，闭合接触器K1、K2即输出交流220V。
10.根据权利要求9所述的交流充电桩控制导引功能检测系统的工作方法，其特征在于：在连接过程中，MCU将采集的数据与逻辑结果通过RS485通信传输给上位机，由上位机进行图形化显示。
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