分布式电动汽车充电站及其管理系统设计.doc

硕士学位论文分布式电动汽车充电站及其管理系统Distributed electric vehicle charging station and itsmanagement system作者：裴标导师：魏学业北京交通大学2013年6月I1!?!学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名:导师签名：签字日期：年月？日中图分类号：TP29 UDC： 621.3学校代码：10004密级：公开北京交通大学硕士学位论文分布式电动汽车充电站及其管理系统Distributed electric vehicle charging station and itsmanagement system作者姓名：裴标学 号：10120305导师姓名：魏学业职 称：教授专业学位：交通信息工程及控制学位级别：硕士北京交通大学 2013年6月时光如梭，光阴似箭。两年半的求学生活短暂而充实。随着毕业论文的不断 修改，直至最终定稿，也意味着毕业的脚步一步一步的临近。回忆读研的曰子， 有过最初对科研方向的彷徨；有过对不能很好完成老师交待任务的焦虑；印象更 深的是大家共同完成一项任务时的喜悦和实验室对酒当歌时的开心。这段时光， 是一段积累，是从陌生到熟悉，这段时光让自己成长。值此毕业论文完成之际， 我谨向所有关心和帮助我的师长、兄弟、姐妹致以真诚的感谢！首先要感谢我的的导师魏学业教授，本论文是在魏老师的悉心指导下完成的， 魏老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感 谢魏学业老师对我的关心和指导！感谢张俊红、曹艳玲、杨俊、王立华师兄在实验室工作及撰写论文期间，对 我论文中的研究工作给予了指导和帮助，通过和他们的探讨，使我受益匪浅。在 此向他们表达我的感激之情！感谢王秀荣、王炳者、胡雨亭、刘尧、蔡敏在硕士期间对我的帮助和鼓励， 感谢徐文城、罗强两位室友在学习和生活上的帮助。感谢你们两年半来的陪伴和 关心！最后要感谢我的父母和家人！是你们的理解和支持使我能够安心完成学业！再次向所有在我攻读硕士研究生期间给予我关心和帮助的人致以深深的谢 意！北京交通大学硕士学位论文ABSTRACT中文摘要摘要：电动汽车充电站是为电动汽车提供充能服务的场所，能有效解决电动 汽车行驶距离短的问题，是推广电动汽车的重要助力。充电站管理系统是充电站 管理的重要工具，可以有效降低充电站管理员的工作强度，减少充电站的运营成 本。设计良好的电动汽车充电站及其管理系统能加快电动汽车的普及，产生良好 的经济效益和环保效益。本文对电动汽车充电站及其管理系统系统进行研究，设计了一种分布式的电 动汽车充电站和配套的充电站管理系统。在分布式充电站中，分散的交流充电粧 控制器对电动汽车的充电过程进行控制，充电站管理系统对充电桩控制器进行集 中管理。本文首先对分布式充电站和充电站信息管理系统的结构进行总体设计； 然后设计了基于LM3S1138处理器的充电桩控制器的硬件电路，其中包括处理器 最小电路、控制导引电路、人机交互电路、通信电路、继电器驱动电路和电源电 路；接着将UC/OS-II实时操作系统移植到LM3S1138处理器中，完成了充电过程 控制算法的设计，并对交流充电桩控制器软件的任务划分和优先级方案进行了设 计，提高了系统的可靠性和实时性；最后以SQL Server为后台数据库，利用Visual Studio开发平台完成了充电站管理系统的开发。测试表明充电桩控制器功能完善、操作方便，能够和充电站管理系统进行通 信，实现了预期的设计目标。关键词：充电站；分布式；管理系统；数据库 分类号：TP29ABSTRACTABSTRACT:Electric vehicle charging stations, which offer empowerment services for electric vehicles, is an important driving force of promoting electric vehicles that can solve the problem of short distance of electric vehicles efficiently. The management system of a charging station, which is an important tool for administrators to manage the charging station, has the advantage of reducing the operating costs and improving the experience of charging of owners. Therefore, great social value and much economic benefit will be brought if the development and application of new energy vehicles are promoted with the help of well-designed charging stations and their management systems.In this thesis, distributed electric vehicle charging station and its management system is mainly studied, an electric vehicle charging station architecture and a supporting charging station management system are designed and a part of the module design of the charging station is completed. To be precise, firstly, the thesis takes an analysis on the composition and characteristics of the electic vehicle charging station, designs the distributed charging station structure system, and applies CAN bus to the communication system of the charging station to make the communication of the data between the charge pile controller and the monitoring computer feasible. Then, based on the LM3S1138 processor , a charge pile controller hardware design plan is come up where human-computer interaction circuit, communication circuit, power circuit are designed in detail. Afterwards, MC / OS-II real-time operating system is ported to the LM3S1138 processors, the tasks of the charging pile control software are divided and managed by combining with the multi-tasking system design ideas and the tasks of the system is designed in detail. At the end, the application of the charging station management system is completed by making using of Visual Studio development platform and SQL Server.Laboratory tests show that the charge pile control system is reliable, real-time. Also, it indicates charging station management system is easy to operate，easy to maintain and to achieve the design goal of the system is expected to.KEYWORDS： Charging Station; Distributed ; Information Management; Database北京交通大学硕士学位论文目录CLASSNO： TP29目录中文摘要iiiABSTRACTiv1 弓 IW11.1 选题背景11.2 国内外现状21.3 课题的研究意义31.4 课题研究的主要内容32 分布式电动汽车充电站及其管理系统总体设计-52.1 电动汽车充电站的构成52.2 分布式电动汽车充电站总体结构设计62.3 充电站管理系统总体结构设计82.4 本章小结13 交流充电桩控制器的硬件设计113.1 充电桩控制器的硬件结构设计113.2 嵌入式处理器的选择123.3 充电控制导引电路设计123.4 人机交互电路设计163.4.1键盘电路设计163 A2数码管电路设计163.5 通信电路设计183.5.1射频读卡器接口电路设计183.5.2电能计量表接口电路设计193.5.3 CAN通信接口电路设计213.6 继电器驱动电路设计223.7 电源电路设计233.8 本章小结244 交流充电桩控制器的软件设计254.1 pC/OS-II的移植和裁剪254.1.1 nC/OS-II 在 LM3S1138 的移植254.1.2 iiC/OS-II 的裁剪274.2 系统任务的管理274.2.1系统任务的划分274.2.2系统任务优先级设计284.2.3任务间通讯方案设计294.3 系统任务的设计304.3.1主任务设计304.3.2射频卡读取任务设计324.3.3电能表管理任务设计334.3.4 CAN通信任务设计354.3.5键盘读取任务设计384.3.6数码管显示任务设计394.4 本章小结415 充电站管理系统设计425.1 通信模块设计425.1.1应用层通信协议设计425.1.2串口通信编程方法选择445.1.3 串口通信程序设计445.1.4通信故障报警功能实现465.2 数据库设计 475.2.1数据关系表设计475.2.2数据库备份与恢复495.3 数据管理模块设计505.3.1数据库访问实现505.3.2数据库查询功能实现515.4 软件系统的可靠性设计525.5 部分充电站管理系统界面535.5.1 用户登录545-5.2通信设置545.5.3 充电桩状态查看555.5.4用户充电历史记录查看565.5.5 充电站营业金额曲线图565.6 本章小结576 系统测试586.1 充电桩控制器功能测试586.2 通信联调测试61北京交通大学硕士学位论文6.3 本章小结627 關63参考文献64作者简历66独创性声明67学位论文数据集68vm北京交通大学硕士学位论文引言1引言1.1选题背景随着各种化石燃料的广泛使用，人们的生活水平不断提高，日常出行也越来 越便捷。然而，由此产生的环境污染、能源危机等问题也日趋严重，已经成为全 人类共同面对的难题。依靠科技提高传统能源（石油、天然气、煤等）的利用率， 加速开发新能源已成为全世界各个国家的共识和相关产业发展的方向1。作为现代社会化工业的产物，汽车的出现给人们的日常出行带来了舒适和便 捷，为推动人类社会文明发展做出了巨大的贡献。当前庞大的汽车拥有量使得汽 车燃油消耗量已成为了世界石油消耗的主体，而且化石燃料燃烧后产生的废气对 自然环境也造成了巨大的污染2。近年来，我国各大城市普遍出现的PM2.5污染 的主要原因就是汽车尾气的超量排放。要减少废气的排放，汽车产业就必须向着 节能、环保的方向发展。目前，全世界各大汽车制造商都投入了大量的人力和资 金用于清洁、节能的电动汽车的研究和商业化3。电动汽车是一种全部或者部分依赖电力作为驱动能源的道路交通工具，它主 要包括：燃料汽车（Fuel Cell Vehicle，FCEV),混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV)和纯电动汽车（Battery Electric Vehicle, BEV)这三个发展方向。 和传统的以石化燃油作为动力的汽车相比，以电能作为主要动力来源的电动汽车 在节能、环保、成本等各方面都有着巨大的优势4。如同传统的汽车需要定期加油以补充行驶过程中的消耗的燃油一样，电动汽 车也需要为蓄电池组补充电能以保证汽车正常的行驶5。传统的汽车使用加油站补 充燃料，电动汽车由于使用电能作为动力来源，需要在特殊的电动汽车充电站内 完成电能的补充。电动汽车充电站主要使用充电桩为电动汽车进行充电，在管理 室内对充电站内的设备进行监控。电动汽车充电站作为发展电动汽车产业所必需 的配套基础设施，能有效促进电动汽车的推广，产生良好的社会效益和经济效益。目前新建充电站普遍要求无人值班或少人值守，这就要求充电站的可靠性和 自动化程度更高，功能更加完善，维护更加方便。分布式、智能化成为电动汽车 充电站发展方向，而智能化的电动汽车充电桩和自动化的充电站管理系统是其中 的关键技术。因此，对分布式电动汽车充电站进行研究，开发智能化的电动汽车 充电桩和自动化的充电站管理系统，对我国的电动汽车的发展和普及，将具有非 常重要的理论意义和工程实用价值。1.2 国内外现状由于电动汽车充电站建设的规模小、数量少，所以电动汽车充电站相关技术 大部分还处在实际应用的初级阶段6。国际上电动汽车充电系统的标准主要是IEC 发布的IEC61851:2001,该标准包括三个部分，分别是：一般要求（parti)、电动 车辆与交流/直流电源的连接要求(part2-l)、电动车辆与交流/直流充电站(part2-2)。 我国根据国内电动汽车的发展状况，于2001年制定了 3个标准，这3个国家标准 分别等同（或等效）采用IEC61851的3个部分。随着电动汽车以及电力技术的快 速发展，这些标准已不能完全满足当前的发展需求，而且这些标准中缺乏通信协 议、管理系统方面的内容7。目前国家电网公司为了规范内部电动汽车的应用，已 颁布了 6项与电动汽车充电站相关的企业标准。目前，供电、充电和充电过程管理系统应用集成技术和相关标准及规范研究 的缺乏，仍然是电动汽车推广应用的主要薄弱环节，给电动汽车下一步的发展和 充电设施的同意规划带来了很大的困难。另外，能够保证规模充电站正常运营的 充电站管理系统尚无成熟产品，而且充电站管理系统大多是某种充电粧的监控系 统，充电站管理系统和充电桩之间的通信协议和通信接口尚无统一的标准可以遵 循，各充电站之间也无信息联系8。电动汽车充电站相关技术和设备的研究是与电动汽车产业化进程同步的，我 国与欧洲、美国、日本等发达国家基本上处于同一起跑线上。但在充电站的建设 上，美国、法国等发达国家起步较早，如美国，由于政府的鼓励和法律政策的扶 持，电动汽车数量相对较多，并在一些城市建立了一定数量的充电站，一般建在 一些大的停车场车位、公园、维修站、以及汽车旅馆等地方。这些充电站使用充 电桩给电动汽车提供快充和慢充两种充电服务，具有智能收费系统，但是各个充 电站之间是孤立的，没有统一的信息管理系统9。我国在“八五”、“九五”期间开始电动汽车开发研究工作，“十五”期间，国家科 技部拨款8.8亿发展电动汽车重大专项，用以研究电动汽车充电站的相关技术1(。 一些电动汽车生产厂家为推广电动汽车的应用，也推出一些专用充电站；例如， 比亚迪公司首先开发出了充电自动化、刷卡计量收费的充电站充电管理系统，实 现了充电站的无人值守化11。国家电网公司也对充电站的建设进行统一规范，实 现充电机和充电接口的标准化，为将来电动汽车的大规模推广应用奠定基础。目 前，我国已有一些示范性的电动汽车充电站，例如四川成都石羊电动汽车充电站、 深圳大运中心电动汽车充电站等，但是其服务功能还非常不完善，例如存在着缺 乏统一的计量收费机制，以人工监控管理为主，充电设备可靠性差，自动化管理 水平较低等问题112。1.3 课题的研究意义本文结合控制分散、管理集中思想设计了一种分布式电动汽车充电站及其管 理系统。在分布式电动汽车充电站中，分散的充电桩控制器对电动汽车的充电过 程进行控制，通过CAN总线和监控中心进行通信，上传充电用户的编号和密码、 充电模式、充电桩输出电压、充电桩输出电流和消耗电量等信息；充电站管理系 统对充电桩控制器进行集中管理，显示充电粧工作状态，向充电站管理员提供通 信设置、故障报警、报单生成、历史记录查看等多项功能。本文其研究意义如下：1. 提高充电站的可靠性在分布式充电站中，分散的充电桩控制器分别对蓄电池组的充电过程进行控 制，因此当某台充电粧控制器发生故障时不会影响其他充电桩控制器的正常工作。 此外，由于各个充电粧控制器所承担的任务比较单一，可以针对充电桩的功能采 用具有特定结构和软件的微处理器，从而充电粧控制器的可靠性也得到提升。2. 提高充电站的管理和运营水平利用管理软件对充电站进行管理，实现充电桩监控、故障报警、报单生成、 历史记录查看等各种操作，减少充电站管人员日常工作的强度，提高电动汽车充 电站的运营管理水平和服务质量，提高充电站的经济效益。3. 改善用户充电体验电动汽车用户开车入站后，可在智能化充电桩控制器上自助完成身份认证、 充电插座连接、充电模式设置等操作，简化了电动汽车用户的充电流程，节约了 等待充电站管理人员进行充电操作的时间。4. 方便对充电站进行扩充分布式充电站采用标准化、模块化和系列化设计，系统中各个充电桩控制器 采用CAN总线进行通信，实现数据传输。当需要增加或者移除充电桩时，可将新 増的充电桩方便的连入系统网络或从系统网络中移除，几乎不影响其他充电桩控 制器的工作。1.4课题研究的主要内容本课题设计了一种分布式电动汽车充电站及其管理系统，完成了充电桩控制 器的硬件和软件设计，并采用VS2008软件开发环境和SQL Server数据库分别完 成了充电管理系统的前台界面设计和后台数据库设计。本文的组织结构如下：第一章主要介绍了论文写作的背景，梳理了电动汽车充电站的国内外发展现 状，并简要阐述了本课题的研究目的和价值。第二章首先对电动汽车充电站的设备进行详细介绍，设计了分布式电动汽车 充电站结构体系，并结合监控中心的功能完成了充电站管理系统的结构设计。第三章主要结合交流充电桩的功能需求，对交流充电桩控制器的硬件结构进 行了设计，并对控制系器的充电控制导引电路、人机交互电路、通信电路和电源 电路展开了详细设计。第四章主要介绍了充电桩控制器的控制算法的设计与实现，主要的内容包括 pC/OS-II系统的移植和裁剪、控制系统软件任务的管理及各个任务的具体实现。第五章首先设计了监控中心和充电桩控制板的应用层通信协议，并以Visual Studio为开发平台、SQL Server为后台数据库，对充电站管理系统的各个功能模块 的进行了具体实现，最后介绍了系统的部分界面。第六章对对交流充电粧控制器的各项功能进行了测试，并对充电粧控制器和 充电站管理系统进行了通信的联调测试。第七章对本文的研究工作和取得的成果进行总结，并提出后续需要改进的地 方。3北京交通大学硕士学位论文分布式电动汽车充电站及其管理系统总体设计52分布式电动汽车充电站及其管理系统总体设计电动汽车充电站是为电动汽车补充电能的场所，能有效解决电动汽车充电难 的问题，进而促进电动汽车的推广。充电站管理系统是帮助充电站管理员完成电 动汽车充电站日常管理的软件系统，功能完善的充电站管理系统能有效降低充电 站的运营成本、保障充电过程的安全。本章将结合分布式充电站的功能模块，对 分布式电动汽车充电站及其管理系统进行总体设计。2.1电动汽车充电站的构成电动汽车充电站的主要功能是为电动汽车补充电能。充电站按功能可划分为 五个子系统模块，如图2-1所示。图2-1充电站模块图 Figure 2-1 charging station block diagram1. 充电系统充电系统由充电桩和充电机两部分组成。充电桩的功能包括用户识别、充电 模式设置、充电过程控制。充电机的功能为将交流电转换为蓄电池组需要的直流 电，并根据蓄电池组的状态对充电机输出的电压和电流大小进行调整。2. 配电系统配电系统主要为充电站内的管理、照明和充电设备提供电能。由于充电机的 功率较大且为非线性用电设备，故需要为充电站配备专用的变压器和谐波治理设北京交通大学硕士学位论文分布式电动汽车充电站及其管理系统总体设计备。3. 监控管理系统监控管理系统运行在监控计算机中，通过现场总线与充电桩进行通信，完成 用户数据和充电状态数据的采集，并将采集到的数据存放在远程数据库。4. 电池管理系统电池管理系统用来监控蓄电池组的电压、电流和温度等信息。在蓄电池组状 态异常时，电池管理系统能迅速停止对蓄电池组进行充电，保证充电过程的安全。5. 通信系统通信系统主要包括站内现场总线和以太网。监控计算机、充电桩和充电机等 设备通过站内现场总线进行通信；充电站通过以太网和远程充电站监控中心进行 通信。2.2分布式电动汽车充电站总体结构设计本文设计的分布式电动汽车充电站主要为出租车、家用汽车等小型汽车提供 慢充服务，使用的充电设备为交流充电粧。在分布式电动汽车充电站中，用户使 用交流充电桩为电动汽车充电，管理员使用监控计算机对充电粧状态信息和用户 数据进行存储和查看，交流充电桩和监控计算机使用现场总线进行通信，分布式 电动汽车充电站的总体结构如图2-2所示。北京交通大学硕士学位论文分布式电动汽车充电站及其管理系统总体设计图2-2分布式电动汽车充电站结构框图 Figure 2-2 Distributed electric car charging stations block diagram在介绍完分布式充电站的结构后，下面将对充电站内的电动汽车交流充电粧、 监控管理计算机和现场总线展开详细的介绍。1. 交流充电桩交流充电粧是为用户提供充电服务的设备。汽车用户能在充电粧上完成用户 识别、余额查看、充电模式设置等操作。交流充电粧上安装了射频读卡器，能读取用户的射频卡信息。用户登录时， 只需要先在充电桩上刷卡，再输入数字密码，充电粧控制器将射频卡号和密码发 送至监控计算机。监控计算机在接收到用户信息后，将对射频卡号和数字密码进 行校验。用户在充电桩上能选择三种充电方式来进行充电服务，这三种充电方式分别 是：模式一：定时充电模式，即用户输入一个固定的时长，充电粧将按在这个固定时长为电动汽车充电。模式二：定量充电模式，即用户输入一个固定的充电电量，充电桩将只在这 个充电电量内为电动汽车进行充电。模式三：自动充电模式，即充电粧将一直为该电动汽车充电，直至汽车的动 力蓄电池组充满。用户在自助进行电动汽车充电操作时，常常由于充电插座和充电接口没接好 而导致各种故障。由于充电粧输出的电压和电流都很大，这种故障往往会导致很 严重的后果。为了避免此类事故的发生，充电桩上特意设计了连接检测模块，通 过检测CC端口的电压来确定充电桩和电动汽车的链接状态，有效保障了充电过程 的安全性。2. 监控计算机平台监控计算机平台主要由远程数据库和监控计算机两部分组成。远程数据库主 要对充电站设备和用户的历史数据进行保存。监控计算机则通过充电站管理软件 为充电站管理员提供用户管理、计费管理、综合查询和设备管理四大功能。用户 管理主要对用户进行信息和密码进行维护；计费管理主要对用户充电耗费进行计 算和存储；综合查询主要为管理员提供充电历史记录查询功能；设备管理主要对 交流电动汽车交流充电桩的状态信息进行维护。3. 通信总线分布式电动汽车充电站内的设备间距离远，站内的电磁干扰大，对通信网络 的可靠性和抗干扰性要求很高。RS232现场总线由于其数据传输速率低、通信距 离短、抗干扰能力差的特点，难以满足充电站现场大电流环境下对通信可靠性的 要求，更不能满足多个充电桩并发传输数据时，短时间内传输大量数据的要求。 RS-485总线虽然抗干扰性较好，但其只能构成主从式网络，通信时需要采用主机 轮询的方式来进行，不能实现多个数据源的并发通信，系统的实时性较差1。CAN总线是德国BOSCH公司在上世界80年代初为了解决汽车中众多的测试 和控制仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信协议1在欧洲和美 洲，CAN总线协议已经成为了工业控制局域网的标准总线，被广泛应用在汽车电 子、工业自动化、船舶建造等领域。和RS-485总线相比，CAN总线具有传输距 离远、支持多主通信、错误检测机制完善、通信协议完整的优点14】。最终，考虑充电站内系统设备的间隔较远，电磁环境复杂的情况，结合CAN 总线通信距离长、支持多主控制、抗干扰性好、数据传输速度快的特点，本系统 采用CAN总线作为管理计算机和充电粧之间的通信总线。2.3 充电站管理系统总体结构设计充电站管理系统是运行在监控计算机上的管理软件，负责对充电站内的用户 数据和充电粧状态进行管理，是管理员对充电站进行管理的重要工具。它一方面 通过CAN总线和充电桩进行通信，查看充电桩当前工作状态；另一方面通过数据 库保存充电粧工作记录和用户消费记录，方便管理员随时查看。为了更好的实现 系统的功能，本文采用了结构化的程序设计方法对充电站管理系统进行自顶向下 的设计，生成的软件模块结构如图2-3所示。下面对这各个模块的主要功能进行介 绍。图2-3充电站管理系统模块图 Figure 2-3 Monitoring center management software block diagram1. 通信模块通信模块位于管理系统的最底层，系统的其它各个模块的功能的实现都直接 或者间接的建立在该模块的基础上。该模块主要包括通信设置、数据收发、故障 提示。系统首先通过通信设置实现计算机串口选择和串口参数（波特率、校验位、 数据位、停止位）的设置。当用户需要实时查看目标充电粧的工作状态时，数据 收发模块可通过串口发送目标地址为目标充电桩的数据帧，并等待充电粧返回数 据帧。若单位时间内充电桩未能返回数据帧，则系统会调用故障提示模块，提醒 管理员通信发生故障。9北京交通大学硕士学位论文交流充电桩控制器的硬件设计2. 数据管理数据管理模块和通信模块的关系最为紧密，起着连接通信模块和其他模块的 桥梁作用。该模块主要由数据维护和数据查询两部分组成。当通信模块接收到充 电桩的数据帧后，数据管理模块会自动将数据帧中的充电桩桩号、用户编号、充 电方式、开机时间、关机时间、充电金额等信息存放在相关的数据表中，方便管 理员日后进行查看。数据查询是一个前台模块，可以让管理员根据用户编号、起 始时间、结束时间、充电桩号的条件对数据库中的充电记录进行筛选。用户可以 根据需要选择曲线图或报表的方式分别查看某个时间段内某用户的充电历史记 录。3. 充电桩管理充电桩管理是管理员日常使用最多的模块，它能直观的向管理员显示充电桩 的当前工作状态。该模块主要由设备信息维护、充电桩查看和紧急停机三部分组 成。设备信息维护主要用来设置充电桩的通信地址，当用户需要和充电桩进行通 信时，首先就需要查看目标充电桩的地址。充电桩查看是系统通过通信模块向充 电桩发送查看消息帧，充电粧返回当前工作信息（包括充电模式、充电时长、耗 电量等），充电桩模块将这些信息显示在界面，方便管理员查看。4. 用户管理在本系统中有两种用户，分别是管理员和汽车用户。管理员用户能登陆充电 站管理系统，使用用户管理模块对汽车用户进行管理。用户管理模块由用户添 加、用户删除和用户信息维护三部分组成。管理员在登录系统后，可使用这三个 子模块对汽车用户账户进行添加、删除和维护操作。2.4本章小结本章对电动汽车充电站的设备进行详细介绍，对分布式电动汽车充电站总体 结构进行了设计，并结合监控中心的功能完成了充电站管理系统的总体结构的设 计。3交流充电粧控制器的硬件设计交流充电粧控制器是直接对电动汽车充电过程进行控制的装置，是交流充电 粧的重要组成部分。设计良好的充电粧控制器能改善用户的充电体验，保障充电 过程的安全。充电粧控制器的硬件设计是实现充电粧控制器各项功能的基础，本 章将结合上一章中介绍的交流充电桩的功能需求，对交流充电粧控制器的硬件电 路展开设计。3.1充电桩控制器的硬件结构设计电动汽车充电桩的主要功能是通过RFID和用户的密码来验证用户的身份，帮 助用户设置充电方式；在充电过程中，充电桩控制器通过RS-485总线查看用户当 前耗电量，并将耗电量发送给远程管理计算机；为了确保充电过程的安全，充电 桩自动检查输电线连接状态，当连接状态出现问题时，充电粧会通过继电器终止 充电过程。本文结合充电桩的功能需求，对充电桩控制器的硬件结构框图进行了设计。 充电桩控制器主要由LM3S1138最小系统、供电电源、矩阵按键、显示数码管、 射频读卡器、电能计量表、CAN通信电路和充电控制导引电路组成，详细结构如 图3-1所示。图3-1充电桩控制器的结构框图 Figure 3-1 Charge pile block diagram of the control system北京交通大学硕士学份论玄交流充电桩控制器的硬件设计3.2嵌入式处理器的选择目前，世界上的嵌入式处理器已经超过了 1000种，常见的体系结构有了 30 多个。根据嵌入式系统的发展现状，可将其分为嵌入式处理器、微控制器、数字 信号处理和片上系统四大类。由于各个嵌入式系统间的差异极大，因此在进行系 统设计时，可做的选择是多样化的。在为嵌入式系统选择处理器时，需要考虑的主要因素有：1. 处理器性能和外围功能在为嵌入式系统选择处理器时，并不需要选择处理数据速度最快的处理器， 而是选择能够满足系统功能需求的处理器；作为嵌入式开发平台的核心，处理器 的可扩展功能应该尽量丰富。2. 开发工具及软件支持系统的开发是硬件开发和软件开发的结合。若有良好的软件支持处理器的开 发，能大大降低系统开发的难度，增大系统设计成功的可能性。3. 成本及功耗处理器成本的考虑是必须的，在所有满足系统需求的处理器中，通常选择成 本相对低的那一款。LM3S1138是Luminary Micro公司推出的一款基于ARM Cortex-M3的低成本 处理器。LM3S1138采用与Thumb兼容的Thumb-2指令集，支持多种工作模式， 并带有64KB的单周期FLASH和16KB的单周期SRAM。LM3S1138的工作电压 为3.3V，内核工作电压为2.5v,拥有丰富的外围功能（包括34个中断、4个通用 定时模块、2个同步串行接口、3个可完全编程的UART、4路模数变换器、2个集 成电路总线、PWM输出、看门狗），能充分满足本系统的需求。另外，LM3S1138 微处理器还能够方便的运用多种ARM的开发工具和Luminary Micro公司提供的外 设驱动程序库，能有效加快系统的开发速度。在综合考虑系统的功能需求和LM3S1138的功能特点后，作者最终选择了 LM3S1138芯片最为本系统的处理器。3.3 充电控制导引电路设计为了保证充电过程的中的安全，充电桩控制器需要设计充电控制引导电路来监 测充电装置的连接状态，对电动车状态进行确认，并发送充电桩的额定电流信息 给车辆控制装置。充电桩和电动汽车的控制引导电路如图3-2所示15。图3-2充电桩和电动汽车控制导引电路Figure 3-2 Charging poles and electric vehicle control guide circuit充电桩开始为电动汽车充电前，充电桩控制器使用ADCO 口检测检测点2的 电压，通过电压的值判断控制器接口和供电接口的连接是否成功，具体供电接口 连接状态检测电路如图3-3所示。该电路使用分压法检测电压，利用两个电阻和 5V直流电源组成一个简单的电路，再从ADC0 口引出导线连接至两电阻中间。当 插头和插座没有连接上时，由于电阻R5的分压作用，模数转换接口 ADCO采集到 的电压接为2.5V;当插头和插座连接上时，CC点导通，检测点2被接直接连接到 地，此时ADCO采集到的电压为0V。当检测点2的检测电压为2.5V时，充电桩 会立即停止对电动汽车进行充电。+5V供电设备供电接口车辆接口电动汽车R4ADCO检测点2CC10KR510K图3-3供电接口连接状态检测电路 Figure 3-3 Power supply interface connection state detection circuit 在充电粧开始为电动汽车充电前，充电粧控制器通过向电动汽车提供12V直 流电压信号，方便电动汽车确认充电连接；开始充电后，充电桩将根据自己的额 定电流，输出对应占空比的PWM波，电动汽车则通过采集PWM波的占空比来确0816 24 32 40 48 56 64额定输出电流（单位：A)占空比认充电粧的额定电流，调整自己的充电状态。按国家电网颁布的标准，充电桩控 制器通过PWM的脉冲宽度调制把交流供电设备当前可提供的最大连续额定电流 值传递给车辆。标准规定PWM波形的占空比在5%-80%之间变化，供电设备的额 定输出电流和占空比成线性比例关系，其比例常数为0.8A/占空比百分点。电动车 辆可以使用这个信号来判断供电设备可提供当前最大电流值，具体关系如图3-4 所示。图34供电设备额定输出电流值与PWM占空比的关系 Figure 3-4 powered d