[充電樁]飛凌嵌入式與您一起拆解充電樁
先說下充電樁的基本定義。充電樁其功能類似于加油站里面的加油機(jī)，可以固定在地面或墻壁，安裝于公共建筑（公共樓宇、商場、公共停車場等）和居民小區(qū)停車場或充電站內(nèi)，可以根據(jù)不同的電壓等級為各種型號的電動(dòng)汽車充電。說白了就類似于我們手機(jī)的充電器。
充電樁分為直流充電樁和交流充電樁，直流充電樁的充電速度比交流裝快，而且直流充電樁的車載充電器在樁內(nèi)，而交流樁的則在汽車內(nèi)。形象圖如下：
下面我們著重討論下直流充電樁的組成部分，直流充電樁主要組成：
1.功率單元
3.充電控制器
4.計(jì)量表計(jì)
5.充電接口（充電槍）
6.人機(jī)交互界面
一：功率單元
功率單元就是交直流變換的模塊（還有人稱呼充電機(jī)），直流樁是AC380V輸入，頻率是50HZ，輸出的是直流電壓，分為DC200-500v，350-700v，500-950v。如下圖所示是一個(gè)標(biāo)稱15KW的一個(gè)充電模塊，我們所看到的充電樁內(nèi)部實(shí)際上是由多個(gè)類似的充電模塊拼起來的，按照實(shí)際的功率需求加減充電模塊的數(shù)量。
充電機(jī)主要應(yīng)用給電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池充電，按是否安裝在車上，充電機(jī)可分為車載式（隨車型）和固定式。固定式充電機(jī)一般為固定在充電站內(nèi)的大型充電機(jī)，主要以大功率和快速充電為主。而車載充電機(jī)安裝在車輛內(nèi)部，其優(yōu)勢就是可以在車庫，路邊或者住宅等任何有交流電源供電的地方隨時(shí)充電，功率相對較小。車載式一般都為交流充電樁，固定式一般都為直流充電樁（快速充電樁）。
充電機(jī)內(nèi)部的原理圖如下所示，三相交流電通過交流斷路器，和防雷保護(hù)裝置，交流接觸器的保護(hù)然后整流，電磁兼容濾波將得到的直流電壓通過DC/DC再升壓整流得到我們可以控制的給電動(dòng)汽車充電的直流電。整個(gè)過程是由充電控制器通過CAN總線與充電模塊通信控制的。
說完了充電機(jī)就要不得不說BMS了，BMS即電池管理系統(tǒng)，是應(yīng)用在汽車中的一套電池管理機(jī)制，主要為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。
目前絕大多數(shù)的車載充電機(jī)都采用智能化的工作方式給動(dòng)力電池充電，這直接關(guān)系著動(dòng)力電池的壽命和充放電過程中的安全性。作為電動(dòng)汽車最核心的動(dòng)力電池，它是一個(gè)由多個(gè)單體電池封裝成的電池組，雖然通過單體電池的電流相同，但是放電的深度會有所不同，深度放電是對電池的一種損耗；并且如果深度放電后的電池還被按照常規(guī)的電流值充電，則是對電池的進(jìn)一步損耗。因此，BMS電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要部分，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力電池電壓及剩余容量（SOC）等數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。下圖中簡單表示了車載充電機(jī)和BMS電池管理系統(tǒng)之間工作流程?？梢姡?dāng)車載充電機(jī)接上交流電后，并不是立刻將電能輸出給電池，而是通過BMS 電池管理系統(tǒng)首先對電池的狀態(tài)進(jìn)行采集分析和判斷，進(jìn)而調(diào)整充電機(jī)的充電參數(shù)。
從上圖可以看出在充電前，BMS先對電池電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測電池因深度放電等原因出現(xiàn)電壓過低時(shí)，BMS先要用小電流對其進(jìn)行修復(fù)性充電；若檢測電池電壓在正常范圍內(nèi)，則可跳過涓充這一步，直接進(jìn)入恒流充電模式。車載充電機(jī)和BMS電池管理系統(tǒng)，均采用CAN總線通信方式，目前市場應(yīng)用較多的為CAN2.0的協(xié)議。車載充電機(jī)除具備通信功能之外，還具備故障報(bào)警等機(jī)制。
可見，當(dāng)車載充電機(jī)接上交流電后，并不是立刻將電能輸出給電池，而是通過BMS電池管理系統(tǒng)首先對電池的狀態(tài)進(jìn)行采集分析和判斷，進(jìn)而調(diào)整充電機(jī)的充電參數(shù)。
二：計(jì)費(fèi)控制單元
計(jì)費(fèi)控制單元主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)相關(guān)部分，與電氣部分連接如圖1所示，主要也是通過CAN總線控制。
下圖是一份簡單的充電樁內(nèi)部元器件關(guān)系圖，計(jì)費(fèi)控制單元除了名字中的計(jì)費(fèi)結(jié)賬的功能，還有人機(jī)界面顯示，多功能電表交互，3G/4G車聯(lián)網(wǎng)平臺交互以及和充電設(shè)備控制器交互等。
主要實(shí)現(xiàn)功能有：
1.支付方式選擇，可以選擇刷卡支付，也可以選擇微信支付寶支付等其他網(wǎng)絡(luò)支付方式。
2.費(fèi)用計(jì)量，計(jì)費(fèi)控制單元通過485接口與計(jì)量表相連電動(dòng)汽車充電所需的電量都需要匯總到計(jì)費(fèi)控制單元。
3.充電樁定位，計(jì)費(fèi)控制單元集成了定位系統(tǒng)，用戶只需要下載國網(wǎng)手機(jī)客戶端APP就能找到全城所有的充電樁如下圖所示：
4.人機(jī)交互界面也集成到了計(jì)費(fèi)控制單元中，和以往的一些充電樁相比。此次標(biāo)準(zhǔn)制定的充電樁要求有良好的人機(jī)交互界面，使客戶在使用過程中能夠有更人性化操作。
國網(wǎng)公司對計(jì)費(fèi)控制單元有了統(tǒng)一化的要求，包括各功能模塊甚至是對CPU ，內(nèi)存，存儲芯片都有了統(tǒng)一的型號和容量要求。國網(wǎng)電動(dòng)汽車計(jì)費(fèi)控制單元功能需求如下：
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充電樁計(jì)費(fèi)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格與參數(shù) |
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CPU主頻 |
架構(gòu)：Cortex-A8 主頻：800MHz |
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內(nèi)存 |
容量：512MB 廠家：ISSI |
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FLASH |
容量：1GB 廠家：鎂光 |
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外擴(kuò)存儲 |
標(biāo)準(zhǔn)SD卡接口，外插式安裝支持最高16G SD卡。 |
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移動(dòng)通信 |
功能：支持中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國電信4G。 支持中國移動(dòng)、中國聯(lián)通3G/2G 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SIM卡插槽，支持外插式安裝。 型號：ME909S-821 廠家：華為 接口：MINI PCI-E接口 |
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定位 |
支持北斗&gps雙系統(tǒng)的定位模塊。 規(guī)格型號：1612 廠家：合芯星通 接口：焊接到底板（16*12mm封裝） |
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ESAM |
支持ESAM芯片。ISO7816協(xié)議。 板載芯片， |
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PSAM |
支持PSAM 板載芯片， |
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DO |
6路220V/5A； 繼電器隔離。 接口：兩個(gè)3.81間距，6位端子座 |
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DI |
共6路，外部提供空節(jié)點(diǎn)。 內(nèi)部提供隔離12V，光電隔離。 接口：一個(gè)3.81間距，7位段子座 （一位GND） |
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鍵盤接口 |
鍵盤：4×4鍵盤，IIC接口配置。 接口：10P，2.0間距雙排插座 |
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觸摸彩屏接口 |
LVDS顯示接口（插座形式為DVI-I或者D型插頭可選模式），兼容4線電阻觸摸屏接口。LCD接口預(yù)留接8080單色屏 |
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掉電檢測 |
1路GPIO，使用超級電容一組，預(yù)留鋰電池插座接口 容量：5.5V,4F |
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UART |
UART共8路：（國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是7個(gè)） （1）RS232/UART≥5路： UART-01：調(diào)試串口。DB9插座 UART-02：連接ESAM或者PSAM； UART-04：連接GPRS模塊，焊接到底板 UART-05：連接外置讀卡器。 UART-06：連接板載藍(lán)牙模塊，焊接到底板 UART-07：連接gps&北斗雙模定位模塊，焊接到底板 UART-08：預(yù)留232接口同時(shí)和485接口復(fù)用，485接口需要加入隔離芯片，接口和另一路485一致。 （2）RS485 1路： UART-03：連接外置表計(jì)， 接口：3P，3.81間距 |
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USB HOST |
數(shù)量：1路 接口：標(biāo)準(zhǔn)USB A接口，用于插入U(xiǎn)盤。 方案：芯片使用USB2514進(jìn)行USB擴(kuò)展。 |
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CAN BUS |
數(shù)量：2路 功能：CAN-01：CAN2.0 B，125/250kbps，與充電控制器通信。 CAN-02：CAN2.0 B，125/250kbps，備用。 方案：使用ISO1050 CAN隔離芯片+DCDC接口：兩個(gè)3P，3.81間距 |
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網(wǎng)絡(luò) |
數(shù)量：2路。10/100M 接口：RJ45 功能：RJ45-01：10/100M，用于連接上級系統(tǒng)。RJ45-02：10/100M，備用。 方案：使用LAN8720百兆網(wǎng)卡芯片 |
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聲音 |
內(nèi)置功放，≥0.5W，2.54mm間距 2P插座，標(biāo)準(zhǔn)3.5圓孔，立體聲。 板載GPIO接口蜂鳴器。 方案：使用TLV3106，IIS接口的音頻芯片 |
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RTC時(shí)鐘。板載CR2032電池，具有掉電保持至少1年功能 方案：芯片使用IIC接口的R8010時(shí)鐘芯片 |
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電源 |
輸入額定電壓：DC12V，輸入范圍DC9V-15V,具備反接保護(hù)。 額定功率：20W 為讀卡器提供5V電源。 接口：3P，3.81間距 |
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尺寸 |
200mm×150mm。 |
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安裝 |
導(dǎo)軌式或螺絲直接固定安裝。 |
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軟件系統(tǒng) |
Linux內(nèi)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； 電阻式觸摸屏驅(qū)動(dòng)依賴庫：tslib-1.4。 |
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工作和存儲環(huán)境 |
濕度：5％～95％，無凝露。 工作溫度：-40℃～70℃ 存儲溫度：-40℃～85℃ |
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備注：底板可印制需方品牌LOGO
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很榮幸和大家分享，飛凌嵌入式的充電計(jì)費(fèi)控制單元可以做到接口功能完全兼容國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并在此標(biāo)準(zhǔn)上兼容國網(wǎng)交流充電樁的方案。實(shí)物圖如下：
三：充電控制器
充電控制器通過CAN總線連接到功率單元和計(jì)費(fèi)控制單元。充電控制器主要用于控制充電槍連接/不連接，是否啟動(dòng)停止充電指令。起到電氣保護(hù)和車輛交互的作用。
充電控制器與計(jì)費(fèi)控制單元的交互流程是：用戶插槍，充電控制器確認(rèn)是否連接正確，如果不正確繼續(xù)采集并報(bào)警，如果正確通知計(jì)費(fèi)控制單元進(jìn)行下一項(xiàng)支付選擇。用戶通過人機(jī)交互界面選擇好支付方式并啟動(dòng)充電，命令由計(jì)費(fèi)控制單元發(fā)送給充電控制器，充電控制器收到命令啟動(dòng)充電，充電過程中隨時(shí)監(jiān)測是否有計(jì)費(fèi)控制單元發(fā)過來的命令指示或者汽車BMS傳過來的一些異常信息，如果有停止充電，否則正常充電直至充電完畢，斷開斷路器將完畢信號傳送給計(jì)費(fèi)控制單元，計(jì)費(fèi)控制單元結(jié)算此次消費(fèi)金額并顯示，整個(gè)交互流程很清晰明了，并在每個(gè)環(huán)節(jié)做應(yīng)答監(jiān)測，以應(yīng)對隨時(shí)發(fā)生的異常，做到萬無一失。
四：計(jì)量表計(jì)
電動(dòng)汽車充電肯定要產(chǎn)生費(fèi)用，就好比我們家庭平時(shí)使用電視機(jī)看電視一樣，會產(chǎn)生電費(fèi)。電動(dòng)汽車的充電費(fèi)用也是通過專用的計(jì)量表計(jì)計(jì)算。計(jì)量表計(jì)通過RS-485總線與計(jì)費(fèi)控制單元通信。當(dāng)電動(dòng)汽車充滿電以后充電控制器會自動(dòng)發(fā)送停止充電指令，這時(shí)計(jì)費(fèi)控制單元就會結(jié)算此次充電所產(chǎn)生的費(fèi)用。
計(jì)量表計(jì)也分為交流電能表和直流電能表。交流電能表又分為單相交流和三相交流，通訊接口均為RS-485，一般支持MODBUS通訊協(xié)議。
五：充電接口
經(jīng)過小編市面上的搜索和查證，目前國際上比較流行的充電標(biāo)準(zhǔn)有5個(gè)。（還有一種說法是4個(gè)但是不管是5種還是4種原理都是一樣的）
1.CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)
CHAdeMO 是CHArge de Move的縮寫，是日本日產(chǎn)及三菱汽車等支持的CHAdeMO插座，CHAdeMO從日語翻譯過來意思為“充電時(shí)間短如茶歇”。這種直流快充插座可以提供最大50kw的充電容量。
CHAdeMO 采用的快速充電方式如圖所示，電流受控于汽車的CAN總線信號。即在監(jiān)視電池狀態(tài)的同時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算充電所需電流值，通過通訊線向充電器發(fā)送通知;快速充電器及時(shí)接收來自汽車的電流命令，并按規(guī)定值提供電流。
2.Combo
Combo 插座可以允許電動(dòng)車慢充和快充，是目前在歐洲應(yīng)用的最廣的插座類型，包括奧迪、寶馬、克萊斯勒、戴姆勒、福特、通用、保時(shí)捷以及大眾都配置SAE（美國汽車工程師協(xié)會）所制定的充電界面。
3.特斯拉
特斯拉汽車有一套自己的充電標(biāo)準(zhǔn)，號稱能在30分鐘內(nèi)充滿可跑300公里以上的電量。因此其充電插座最高容量可達(dá)120kw, 最高電流可達(dá)80A。
目前，特斯拉在美國已擁有908座超級充電站。而為了進(jìn)入中國，特斯拉也已在我國建立了7座超級充電站，上海3座、北京2座、杭州1座、深圳1座。此外，為了更好的融入各個(gè)地區(qū)，特斯拉計(jì)劃放棄對充電標(biāo)準(zhǔn)的控制，采用各國的國標(biāo)，并且在中國已經(jīng)開始執(zhí)行。
特斯拉如此做的有利效果是，特斯拉車主可以借用中國政府力量下建立的龐大充電網(wǎng)絡(luò)充電；有利于特斯拉提升產(chǎn)品銷量。問題是，已經(jīng)購買了特斯拉車型的車主，在標(biāo)準(zhǔn)改變后如何充電。如果沒有相應(yīng)的解決方案。特斯拉車主面臨的矛盾是：一是只能在標(biāo)準(zhǔn)更改前建好的充電站充電，充電便利性不會隨時(shí)間推移改進(jìn)；二是找特斯拉退車。
優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)先進(jìn)，充電效率高。
缺點(diǎn)：與各國國標(biāo)相悖，不妥協(xié)難以提升銷量；妥協(xié)后充電效率將打折扣，處于兩難境地。
4.CCS
為了改變混亂的充電接口標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，美系和德系的八大廠商福特、通用、克萊斯勒、奧迪、寶馬、奔馳、大眾和保時(shí)捷于2012年發(fā)布了“聯(lián)合充電系統(tǒng)”?！奥?lián)合充電系統(tǒng)”（CombinedCharging System），即“CCS”標(biāo)準(zhǔn)。
5.GB/T 20234
中國在2006年就發(fā)布了《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔通用要求》（GB/T20234-2006），這個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了充電電流為16A、32A、250A交流和400A直流的連接分類方式，主要借鑒了國際電工委員會（IEC）2003年提出的標(biāo)準(zhǔn)，但是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定充電接口的連接針數(shù)、物理尺寸和接口定義。2011年，中國又推出了GB/T20234-2011推薦性標(biāo)準(zhǔn)，替換了部分GB/T20234-2006中的內(nèi)容，其中規(guī)定：交流額定電壓不超過690V，頻率50Hz，額定電流不超過250A；直流額定電壓不超過1000V，額定電流不超過400A。
優(yōu)點(diǎn)：相比2006版的國標(biāo)對更多充電接口參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)定。
缺點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)仍不夠完善。另外，其只是推薦性標(biāo)準(zhǔn)，也并未強(qiáng)制執(zhí)行。
以上就是整個(gè)充電樁的結(jié)構(gòu)組成，分解開來其實(shí)充電樁并不復(fù)雜，但是真正要做一個(gè)充電樁那就要考驗(yàn)一個(gè)公司整體的研發(fā)實(shí)力了。
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