[充电桩]飞凌嵌入式与您一起拆解充电桩

充电桩的概念已经提出很多年了,特别是2015年新能源汽车的迅猛发展,让人们看到2020年实现500万辆新能源汽车,450万个充电桩宏伟目标的希望。但是包括笔者在内都对充电桩充满了好奇和疑惑。包括近期的一些客户与朋友也总是打电话询问“听说你们那现在有充电桩的解决方案能不能给我透露一点”等等方面的询问。那它到底是什么产品?为什么在国内炒的这么热?今天小编就带您一起走进充电桩的神秘世界。

先说下充电桩的基本定义。充电桩其功能类似于加油站里面的加油机,可以固定在地面或墙壁,安装于公共建筑(公共楼宇、商场、公共停车场等)和居民小区停车场或充电站内,可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。说白了就类似于我们手机的充电器。

充电桩分为直流充电桩和交流充电桩,直流充电桩的充电速度比交流装快,而且直流充电桩的车载充电器在桩内,而交流桩的则在汽车内。形象图如下:


1交流充电桩.png 2直流充电桩.png 

下面我们着重讨论下直流充电桩的组成部分, 直流充电桩主要组成:

 

3直流充电桩示意图.png

1.功率单元

2.计费控制单元

3.充电控制器

4.计量表计

5.充电接口(充电枪)

6.人机交互界面

一:功率单元

功率单元就是交直流变换的模块(还有人称呼充电机),直流桩是AC380V输入,频率是50HZ,输出的是直流电压,分为DC200-500v,350-700v,500-950v。如下图所示是一个标称15KW的一个充电模块,我们所看到的充电桩内部实际上是由多个类似的充电模块拼起来的,按照实际的功率需求加减充电模块的数量。

充电机主要应用给电动汽车上的动力电池充电,按是否安装在车上,充电机可分为车载式(随车型)和固定式。固定式充电机一般为固定在充电站内的大型充电机,主要以大功率和快速充电为主。而车载充电机安装在车辆内部,其优势就是可以在车库,路边或者住宅等任何有交流电源供电的地方随时充电,功率相对较小。车载式一般都为交流充电桩,固定式一般都为直流充电桩(快速充电桩)。



4充电模块.png

5充电模块.png

充电机内部的原理图如下所示,三相交流电通过交流断路器,和防雷保护装置,交流接触器的保护然后整流,电磁兼容滤波将得到的直流电压通过DC/DC再升压整流得到我们可以控制的给电动汽车充电的直流电。整个过程是由充电控制器通过CAN总线与充电模块通信控制的。

  6充电模块充电机模块原理图.png

说完了充电机就要不得不说BMS了,BMS即电池管理系统,是应用在汽车中的一套电池管理机制,主要为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。

目前绝大多数的车载充电机都采用智能化的工作方式给动力电池充电,这直接关系着动力电池的寿命和充放电过程中的安全性。作为电动汽车最核心的动力电池,它是一个由多个单体电池封装成的电池组,虽然通过单体电池的电流相同,但是放电的深度会有所不同,深度放电是对电池的一种损耗;并且如果深度放电后的电池还被按照常规的电流值充电,则是对电池的进一步损耗。因此,BMS电池管理系统是电动汽车的一个重要部分,实现对动力电池电压及剩余容量(SOC)等数据的监控和管理。下图中简单表示了车载充电机和BMS电池管理系统之间工作流程。可见,当车载充电机接上交流电后,并不是立刻将电能输出给电池,而是通过BMS 电池管理系统首先对电池的状态进行采集分析和判断,进而调整充电机的充电参数。

7车载充电机和BMS电池管理系统之间工作流程.png

从上图可以看出在充点前,BMS先对电池电压进行检测,当检测电池因深度放电等原因出现电压过低时,BMS先要用小电流对其进行修复性充电;若检测电池电压在正常范围内,则可跳过涓充这一步,直接进入恒流充电模式。车载充电机和BMS电池管理系统,均采用CAN总线通信方式,目前市场应用较多的为CAN2.0的协议。车载充电机除具备通信功能之外,还具备故障报警等机制。

可见,当车载充电机接上交流电后,并不是立刻将电能输出给电池,而是通过BMS电池管理系统首先对电池的状态进行采集分析和判断,进而调整充电机的充电参数。

二:计费控制单元

计费控制单元主要负责业务相关部分,与电气部分连接如图1所示,主要也是通过CAN总线控制。

下图是一份简单的充电桩内部元器件关系图,计费控制单元除了名字中的计费结账的功能,还有人机界面显示,多功能电表交互,3G/4G车联网平台交互以及和充电设备控制器交互等。

8充电桩内部关系图.png

主要实现功能有:

1.支付方式选择,可以选择刷卡支付,也可以选择微信支付宝支付等其他网络支付方式。

2.费用计量,计费控制单元通过485接口与计量表相连电动汽车充电所需的电量都需要汇总到计费控制单元。

3.充电桩定位,计费控制单元集成了定位系统,用户只需要下载国网手机客户端APP就能找到全城所有的充电桩如下图所示:

9APP.png

4.人机交互界面也集成到了计费控制单元中,和以往的一些充电桩相比。此次标准制定的充电桩要求有良好的人机交互界面,使客户在使用过程中能够有更人性化操作。

国网公司对计费控制单元有了统一化的要求,包括各功能模块甚至是对CPU ,内存,存储芯片都有了统一的型号和容量要求。国网电动汽车计费控制单元功能需求如下:

                                   充电桩计费控制系统技术规格与参数

CPU 主频

厂家:TI AM3354 Sitara ARM

架构:Cortex-A8

主频:800MHz

内存

容量:512MB

厂家:ISSI

FLASH

容量:1GB

厂家:镁光

外扩存储

标准SD卡接口,外插式安装支持最高16G SD卡。

移动通信

功能:支持中国移动、中国联通、中国电信4G。

支持中国移动、中国联通3G/2G

1 个标准SIM卡插槽,支持外插式安装。

型号:ME909S-821

厂家:华为

接口:MINI PCI-E接口

定位

支持北斗&gps双系统的定位模块。

规格型号:1612

厂家:合芯星通

接口:焊接到底板(16*12mm封装)

ESAM

支持ESAM芯片。ISO7816协议。

板载芯片,

PSAM

支持PSAM

板载芯片, 

DO

6 路220V/5A;

继电器隔离。

接口:两个3.81间距,6位端子座

DI

共6路,外部提供空节点。

内部提供隔离12V,光电隔离。

接口:一个3.81间距,7位段子座 (一位GND)

键盘接口

键盘:4×4键盘,IIC接口配置。

接口:10P,2.0间距双排插座

触摸彩屏接口

LVDS 显示接口(插座形式为DVI-I或者D型插头可选模式),兼容4线电阻触摸屏接口。LCD接口预留接8080单色屏

掉电检测

1 路GPIO,使用超级电容一组,预留锂电池插座接口

容量:5.5V,4F

 

 

UART

UART 共8路:(国网标准是7个)

(1)RS232/UART≥5路:

UART-01 :调试串口。DB9插座

UART-02 :连接ESAM或者PSAM;

UART-04 :连接GPRS模块,焊接到底板

UART-05 :连接外置读卡器。

UART-06 :连接板载蓝牙模块,焊接到底板

UART-07 :连接gps&北斗双模定位模块,焊接到底板

UART-08 :预留232接口同时和485接口复用,485接口需要加入隔离芯片,接口和另一路485一致。

(2)RS485 1路:

UART-03 :连接外置表计,

接口:3P,3.81间距

USB   HOST

数量:1路

接口:标准USB A接口,用于插入U盘。

方案:芯片使用USB2514进行USB扩展。

CAN   BUS

数量:2路

功能:CAN-01:CAN2.0 B,125/250kbps,与充电控制器通信。

CAN-02 :CAN2.0 B,125/250kbps,备用。

方案:使用ISO1050 CAN隔离芯片+DCDC接口:两个3P,3.81间距

网络

数量:2路。10/100M

接口:RJ45

功能:RJ45-01:10/100M,用于连接上级系统。RJ45-02:10/100M,备用。

方案:使用LAN8720百兆网卡芯片

声音

内置功放,≥0.5W,2.54mm间距 2P插座,标准3.5圆孔,立体声。

板载GPIO接口蜂鸣器。

方案:使用TLV3106,IIS接口的音频芯片

时钟

RTC 时钟。板载CR2032电池,具有掉电保持至少1年功能

方案:芯片使用IIC接口的R8010时钟芯片

电源

输入额定电压:DC12V,输入范围DC9V-15V,具备反接保护。

额定功率:20W

为读卡器提供5V电源。

接口:3P,3.81间距

尺寸

200mm ×150mm。

安装

导轨式或螺丝直接固定安装。

软件系统

Linux 内核版本:3.14或3.2;

GCC :gcc-linaro-4.9-2015.02或者4.5.3;

QT :4.8.6或者4.8.5;

电阻式触摸屏驱动依赖库:tslib-1.4。

工作和存储环境

湿度:5%~95%,无凝露。

工作温度:-40℃~70℃

存储温度:-40℃~85℃

备注:底板可印制需方品牌LOGO



很荣幸和大家分享,飞凌嵌入式的充电计费控制单元可以做到接口功能完全兼容国网标准,并在此标准上兼容国网交流充电桩的方案。实物图如下:

 

10充电桩计费控制单元主板.png

11充电桩计费控制单元图示.png

三:充电控制器

充电控制器通过CAN总线连接到功率单元和计费控制单元。充电控制器主要用于控制充电枪连接/不连接,是否启动停止充电指令。起到电气保护和车辆交互的作用。

充电控制器与计费控制单元的交互流程是:用户插枪,充电控制器确认是否连接正确,如果不正确继续采集并报警,如果正确通知计费控制单元进行下一项支付选择。用户通过人机交互界面选择好支付方式并启动充电,命令由计费控制单元发送给充电控制器,充电控制器收到命令启动充电,充电过程中随时监测是否有计费控制单元发过来的命令指示或者汽车BMS传过来的一些异常信息,如果有停止充电,否则正常充电直至充电完毕,断开断路器将完毕信号传送给计费控制单元,计费控制单元结算此次消费金额并显示,整个交互流程很清晰明了,并在每个环节做应答监测,以应对随时发生的异常,做到万无一失。

四:计量表计

电动汽车充电肯定要产生费用,就好比我们家庭平时使用电视机看电视一样,会产生电费。电动汽车的充电费用也是通过专用的计量表计计算。计量表计通过RS-485总线与计费控制单元通信。当电动汽车充满电以后充电控制器会自动发送停止充电指令,这时计费控制单元就会结算此次充电所产生的费用。

计量表计也分为交流电能表和直流电能表。交流电能表又分为单相交流和三相交流,通讯接口均为RS-485,一般支持MODBUS通讯协议。

11单相交流.png

12直流.png

五:充电接口

经过小编市面上的搜索和查证,目前国际上比较流行的充电标准有5个。(还有一种说法是4个但是不管是5种还是4种原理都是一样的)

1.CHAdeMO标准

13充电枪1.png

CHAdeMO 是CHArge de Move的缩写,是日本日产及三菱汽车等支持的CHAdeMO插座,CHAdeMO从日语翻译过来意思为“充电时间短如茶歇”。这种直流快充插座可以提供最大50kw的充电容量。

CHAdeMO 采用的快速充电方式如图所示,电流受控于汽车的CAN总线信号。即在监视电池状态的同时,实时计算充电所需电流值,通过通讯线向充电器发送通知;快速充电器及时接收来自汽车的电流命令,并按规定值提供电流。

14CHAdeMO 采用的快速充电方式.png

2.Combo

15充电枪.png

Combo 插座可以允许电动车慢充和快充,是目前在欧洲应用的最广的插座类型,包括奥迪、宝马、克莱斯勒、戴姆勒、福特、通用、保时捷以及大众都配置SAE(美国汽车工程师协会)所制定的充电界面。

3.特斯拉

16特斯拉.png

特斯拉汽车有一套自己的充电标准,号称能在30分钟内充满可跑300公里以上的电量。因此其充电插座最高容量可达120kw, 最高电流可达80A。

目前,特斯拉在美国已拥有908座超级充电站。而为了进入中国,特斯拉也已在我国建立了7座超级充电站,上海3座、北京2座、杭州1座、深圳1座。此外,为了更好的融入各个地区,特斯拉计划放弃对充电标准的控制,采用各国的国标,并且在中国已经开始执行。

特斯拉如此做的有利效果是,特斯拉车主可以借用中国政府力量下建立的庞大充电网络充电;有利于特斯拉提升产品销量。问题是,已经购买了特斯拉车型的车主,在标准改变后如何充电。如果没有相应的解决方案。特斯拉车主面临的矛盾是:一是只能在标准更改前建好的充电站充电,充电便利性不会随时间推移改进;二是找特斯拉退车。

优点:技术先进,充电效率高。

缺点:与各国国标相悖,不妥协难以提升销量;妥协后充电效率将打折扣,处于两难境地。

4.CCS

16ccs充电枪.png

为了改变混乱的充电接口标准现状,美系和德系的八大厂商福特、通用、克莱斯勒、奥迪、宝马、奔驰、大众和保时捷于2012年发布了“联合充电系统”。“联合充电系统”(CombinedCharging System),即“CCS”标准。

5.GB/T 20234

19GB充电枪.png

中国在2006年就发布了《电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求》(GB/T20234-2006),这个国家标准详细规定了充电电流为16A、32A、250A交流和400A直流的连接分类方式,主要借鉴了国际电工委员会(IEC)2003年提出的标准,但是这个标准并未规定充电接口的连接针数、物理尺寸和接口定义。2011年,中国又推出了GB/T20234-2011推荐性标准,替换了部分GB/T20234-2006中的内容,其中规定:交流额定电压不超过690V,频率50Hz,额定电流不超过250A;直流额定电压不超过1000V,额定电流不超过400A。

优点:相比2006版的国标对更多充电接口参数进行了详细标定。

缺点:标准仍不够完善。另外,其只是推荐性标准,也并未强制执行。

以上就是整个充电桩的结构组成,分解开来其实充电桩并不复杂,但是真正要做一个充电桩那就要考验一个公司整体的研发实力了。