[充電樁]飛凌嵌入式與您一起拆解充電樁
充電樁的概念已經提出很多年了，特別是2015年新能源汽車的迅猛發展，讓人們看到2020年實現500萬輛新能源汽車，450萬個充電樁宏偉目標的希望。但是包括筆者在內都對充電樁充滿了好奇和疑惑。包括近期的一些客戶與朋友也總是打電話詢問“聽說你們那現在有充電樁的解決方案能不能給我透露一點”等等方面的詢問。那它到底是什么產品？為什么在國內炒的這么熱？今天小編就帶您一起走進充電樁的神秘世界。
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，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）和居民小區停車場或充電站內，可以根據不同的電壓等級為各種型號的電動汽車充電。說白了就類似于我們手機的充電器。
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，而交流樁的則在汽車內。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
2.計費控制單元
3.充電控制器
4.計量表計
5.充電接口（充電槍）
6.人機交互界面
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），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。如下圖所示是一個標稱15KW的一個充電模塊，我們所看到的充電樁內部實際上是由多個類似的充電模塊拼起來的，按照實際的功率需求加減充電模塊的數量。
充電機主要應用給電動汽車上的動力電池充電，按是否安裝在車上，充電機可分為車載式（隨車型）和固定式。固定式充電機一般為固定在充電站內的大型充電機，主要以大功率和快速充電為主。而車載充電機安裝在車輛內部，其優勢就是可以在車庫，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）。
充電機內部的原理圖如下所示，三相交流電通過交流斷路器，和防雷保護裝置，交流接觸器的保護然后整流，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汽車充電的直流電。整個過程是由充電控制器通過CAN總線與充電模塊通信控制的。
說完了充電機就要不得不說BMS了，BMS即電池管理系統，是應用在汽車中的一套電池管理機制，主要為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。
目前絕大多數的車載充電機都采用智能化的工作方式給動力電池充電，這直接關系著動力電池的壽命和充放電過程中的安全性。作為電動汽車最核心的動力電池，它是一個由多個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的電流值充電，則是對電池的進一步損耗。因此，BMS電池管理系統是電動汽車的一個重要部分，實現對動力電池電壓及剩余容量（SOC）等數據的監控和管理。下圖中簡單表示了車載充電機和BMS電池管理系統之間工作流程。可見，當車載充電機接上交流電后，并不是立刻將電能輸出給電池，而是通過BMS 電池管理系統首先對電池的狀態進行采集分析和判斷，進而調整充電機的充電參數。
從上圖可以看出在充電前，BMS先對電池電壓進行檢測，當檢測電池因深度放電等原因出現電壓過低時，BMS先要用小電流對其進行修復性充電；若檢測電池電壓在正常范圍內，則可跳過涓充這一步，直接進入恒流充電模式。車載充電機和BMS電池管理系統，均采用CAN總線通信方式，目前市場應用較多的為CAN2.0的協議。車載充電機除具備通信功能之外，還具備故障報警等機制。
可見，當車載充電機接上交流電后，并不是立刻將電能輸出給電池，而是通過BMS電池管理系統首先對電池的狀態進行采集分析和判斷，進而調整充電機的充電參數。
二：計費控制單元
計費控制單元主要負責業務相關部分，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部元器件關系圖，計費控制單元除了名字中的計費結賬的功能，還有人機界面顯示，多功能電表交互，3G/4G車聯網平臺交互以及和充電設備控制器交互等。
主要實現功能有：
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絡支付方式。
2.費用計量，計費控制單元通過485接口與計量表相連電動汽車充電所需的電量都需要匯總到計費控制單元。
3.充電樁定位，計費控制單元集成了定位系統，用戶只需要下載國網手機客戶端APP就能找到全城所有的充電樁如下圖所示：
4.人機交互界面也集成到了計費控制單元中，和以往的一些充電樁相比。此次標準制定的充電樁要求有良好的人機交互界面，使客戶在使用過程中能夠有更人性化操作。
國網公司對計費控制單元有了統一化的要求，包括各功能模塊甚至是對CPU ，內存，存儲芯片都有了統一的型號和容量要求。國網電動汽車計費控制單元功能需求如下：
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充電樁計費控制系統技術規格與參數 |
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CPU主頻 |
架構：Cortex-A8 主頻：800MHz |
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內存 |
容量：512MB 廠家：ISSI |
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FLASH |
容量：1GB 廠家：鎂光 |
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外擴存儲 |
標準SD卡接口，外插式安裝支持最高16G SD卡。 |
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移動通信 |
功能：支持中國移動、中國聯通、中國電信4G。 支持中國移動、中國聯通3G/2G 1個標準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雙系統的定位模塊。 規格型號：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3.81間距，6位端子座 |
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DI |
共6路，外部提供空節點。 內部提供隔離12V，光電隔離。 接口：一個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，預留鋰電池插座接口 容量：5.5V,4F |
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UART |
UART共8路：（國網標準是7個） （1）RS232/UART≥5路： UART-01：調試串口。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：預留232接口同時和485接口復用，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， 接口：3P，3.81間距 |
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USB HOST |
數量：1路 接口：標準USB A接口，用于插入U盤。 方案：芯片使用USB2514進行USB擴展。 |
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CAN BUS |
數量：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3P，3.81間距 |
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網絡 |
數量：2路。10/100M 接口：RJ45 功能：RJ45-01：10/100M，用于連接上級系統。RJ45-02：10/100M，備用。 方案：使用LAN8720百兆網卡芯片 |
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聲音 |
內置功放，≥0.5W，2.54mm間距 2P插座，標準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。 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 |
導軌式或螺絲直接固定安裝。 |
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軟件系統 |
Linux內核版本：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； 電阻式觸摸屏驅動依賴庫：tslib-1.4。 |
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工作和存儲環境 |
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費控制單元可以做到接口功能完全兼容國網標準，并在此標準上兼容國網交流充電樁的方案。實物圖如下：
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費控制單元。充電控制器主要用于控制充電槍連接/不連接，是否啟動停止充電指令。起到電氣保護和車輛交互的作用。
充電控制器與計費控制單元的交互流程是：用戶插槍，充電控制器確認是否連接正確，如果不正確繼續采集并報警，如果正確通知計費控制單元進行下一項支付選擇。用戶通過人機交互界面選擇好支付方式并啟動充電，命令由計費控制單元發送給充電控制器，充電控制器收到命令啟動充電，充電過程中隨時監測是否有計費控制單元發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費控制單元，計費控制單元結算此次消費金額并顯示，整個交互流程很清晰明了，并在每個環節做應答監測，以應對隨時發生的異常，做到萬無一失。
四：計量表計
電動汽車充電肯定要產生費用，就好比我們家庭平時使用電視機看電視一樣，會產生電費。電動汽車的充電費用也是通過專用的計量表計計算。計量表計通過RS-485總線與計費控制單元通信。當電動汽車充滿電以后充電控制器會自動發送停止充電指令，這時計費控制單元就會結算此次充電所產生的費用。
計量表計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通訊協議。
五：充電接口
經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準有5個。（還有一種說法是4個但是不管是5種還是4種原理都是一樣的）
1.CHAdeMO標準
CHAdeMO 是CHArge de Move的縮寫，是日本日產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。即在監視電池狀態的同時，實時計算充電所需電流值，通過通訊線向充電器發送通知;快速充電器及時接收來自汽車的電流命令，并按規定值提供電流。
2.Combo
Combo 插座可以允許電動車慢充和快充，是目前在歐洲應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、保時捷以及大眾都配置SAE（美國汽車工程師協會）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準，號稱能在30分鐘內充滿可跑300公里以上的電量。因此其充電插座最高容量可達120kw, 最高電流可達80A。
目前，特斯拉在美國已擁有908座超級充電站。而為了進入中國，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地區，特斯拉計劃放棄對充電標準的控制，采用各國的國標，并且在中國已經開始執行。
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絡充電；有利于特斯拉提升產品銷量。問題是，已經購買了特斯拉車型的車主，在標準改變后如何充電。如果沒有相應的解決方案。特斯拉車主面臨的矛盾是：一是只能在標準更改前建好的充電站充電，充電便利性不會隨時間推移改進；二是找特斯拉退車。
優點：技術先進，充電效率高。
缺點：與各國國標相悖，不妥協難以提升銷量；妥協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準現狀，美系和德系的八大廠商福特、通用、克萊斯勒、奧迪、寶馬、奔馳、大眾和保時捷于2012年發布了“聯合充電系統”。“聯合充電系統”（CombinedCharging System），即“CCS”標準。
5.GB/T 20234
中國在2006年就發布了《電動汽車傳導充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔通用要求》（GB/T20234-2006），這個國家標準詳細規定了充電電流為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年提出的標準，但是這個標準并未規定充電接口的連接針數、物理尺寸和接口定義。2011年，中國又推出了GB/T20234-2011推薦性標準，替換了部分GB/T20234-2006中的內容，其中規定：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。
優點：相比2006版的國標對更多充電接口參數進行了詳細標定。
缺點：標準仍不夠完善。另外，其只是推薦性標準，也并未強制執行。
以上就是整個充電樁的結構組成，分解開來其實充電樁并不復雜，但是真正要做一個充電樁那就要考驗一個公司整體的研發實力了。
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