Techniques of Automation & Applications | 29电动汽车无人充电桩设计与实现孙炜煊,陈 毅,王 帅,汪贵平(长安大学 电子与控制工程学院,陕西 西安 710064)摘 要:电动汽车用户年龄段参差不齐,对于充电操作流程的阅读和理解存在困难;支付平台的不兼容也给用户带来了不便。

针对存在的问题,结合常规充电桩的特点,兼顾无人驾驶车辆的充电问题,设计并开发了一套集成自动充电和手动充电于一体的新式充电设备,既能兼容现有的充电方式,又能针对无人驾驶车辆实现自动充电口对接、充电、扣费等操作,提高了充电智能化。

实验结果表明,该系统运行稳定,能够解决充电操作不统一和付费平台不兼容等问题。

关键词:充电桩;无人驾驶车辆;自动对接;智能充电中图分类号:TM910.6 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2019)04-0029-05Development and Design of Unmanned RechargeablePile for Electric VehicleSUN Wei-xuan, CHEN Yi, WANG Shuai, WANG Gui-ping( School of Electronic and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064 China )Abstract: The age of the electric vehicle is different, and it is difficult for some people to read and understand the charging operationprocess, and the incompatibility of the payment platform also brings inconvenience to the users. In view of the existing problems, combining the characteristics of conventional charging pile and the charging problem of the driverless vehicle, a set of new charging equipment is designed, which integrates automatic charging and manual charging modes. The equipment can not only be compatible with the existing charging mode, but also can realize the operation of automatic charging port docking, charging and deduction for the driverless vehicle, which can improve the charging intelligence. Experiments show that the system can run stably and can solve the practical problems such as the disunity of charging operation and the incompatibility of the payment platform.Key words: charging pile; driverless vehicles; automatic docking; intelligent charging收稿日期:2018-07-251 引言新能源电动汽车产销与充电桩/站建造数量与日俱增,但在迅猛发展的同时也存在问题,比如:找充电桩难、付费方式不兼容、操作步骤不统一等。

所以目前亟待研究出一种无人参与的新式充电设备,来解决市面上充电桩存在的问题。

另一方面,车辆无人驾驶技术发展日趋成熟,包括美国、日本、德国、中国等在内的国家和地区都在进一步加快无人驾驶领域的布局[1-2]。

文献[3]开展了无人驾驶车辆智能水平评价研究。

文献[4,5]介绍了无人驾驶主要技术手段和发展现状。

可以看出,无论是从解决实际问题出发还是从技术储备角度出发,研究针对无人驾驶车辆的充电技术都是很有必要的。

目前也有国内外部分学者针对电动汽车充电问题进行了相关研究。

文献[6]介绍了电动汽车充电相关的仪表校验技术,文献[7]开展了无人值守的智能充电桩的研究。

文献[8,9]探讨了制约充电设施发展的主要原因以及产业建设研究。

文献[10]设计了智能充电桩嵌入式控制系统。

但是目前关于充电桩的研究都只针对普通电动汽车,尚不能满足自动驾驶的电动车辆充电问题。

本论文立足技术创新,提出一种新式充电桩,该充电桩集成手动充电和自动充电于一体,手动充电兼容现有的电动汽车充电方式,自动充电方式则为无人车的充电问题提供解决方案。

| Techniques of Automation & Applications302 系统整体设计充电服务系统包含了运营管理平台、云端、用户APP、充电桩、电动车辆,如图1所示。

常规的电动汽车,车主驾驶车辆进入充电区域后,可以自行插拔充电枪,并刷卡认证从而进行充电;而无人驾驶车辆则先进行车辆自动识别,然后通过自动对接技术来完成充电枪与充电口的识别与插接工作,从而进行充电操作。

3 硬件设计图2给出了充电桩设计的硬件框架。

充电桩的常规功能与机械臂运动系统相对独立,两块控制器之间的可以进行简单的通信。

考虑到充电桩的常规功能与机械臂运动系统相对独立,本设计选用与车辆模型同款的飞思卡尔M C S12X D T256芯片作为独立的运动控制芯片进行机械臂的控制。

3.1 自动对接系统硬件设计3.1.1 机械臂与姿态调整平台机械臂选用笛卡尔机械臂,本设计在控制成本的基础上将一台桌面3D 打印机进行改造。

Z 轴机械臂固定墙面,X 轴与Y 轴通过移动关节连接,Y 轴方向选用了可伸缩控制的电机推杆。

车身姿态通过安装在充电区域地面的转盘实现。

本设计选用的转盘供电电源为交流电220V ,转速为80秒/圈,采用控制器的定时器模块精准控制转盘转角。

3.1.2 步进电机驱动模块选用ZD-M42微型驱动器,驱动42两相步进电机。

控制信号包括使能、脉冲和方向。

电流可调,细分可设置。

额定电压为直流24V,输出电流在1.8A 及以下可选。

电机运行、停止或者锁定可快速编程调整,驱动节拍细分可调。

连接采用光耦隔离,稳定可靠。

体积小,安装方便。

3.1.3 自动对接零件模型设计与3D 打印图1 系统总体结构图图2 无人充电桩硬件结构图Techniques of Automation & Applications | 31(a) (b)图3 充电枪电路板和充电口装配图关于自动对接充电枪国标没有给予规定,故须自主设计能够实现自动对接功能的充电枪。

考虑到零件的形状要求,采用专业的机械设计绘图软件SolidWorks 绘制出我们需要的零部件,并进行3D 打印。

如图3(a)所示,设计为圆形电路板,其中的四个小圆孔是用来固定电路板背面的挤压弹簧,上半区域为正极,下半区域为负极。

充电口在solidworks 中的装配如图3(b)所示。

3.2 充电桩外设硬件设计3.2.1 身份认证单元对于常规电动汽车,身份认证系统由R F I D 卡片和读写模块两部分组成。

本文使用的R F I D 读写模块采用主板上的5V 电源供电,工作在频率为13.56Mhz 频段,通过RS232串口与充电桩主控器进行通信。

对于无人驾驶车辆将安装电子车牌,方便识别和监控车辆。

3.2.2 电能监测单元充电桩输出电量的参数需要由电能监测系统来感知并实时告知主控系统。

因此,选用珠海派诺公司的一款单相导轨式智能电表,其对外通讯接口为RS485方式。

3.2.3 人机交互单元本设计选用7寸电阻型触摸屏作为人机交互单元。

采用12V 开关电源供电,通过主板上的R S232通讯接口与控制器通信。

为了醒目地提示用户当前充电桩的工作状态,还在充电桩的前面板设计了四个LED 指示灯,分别为“电源”、“待机”、“充电”、“完成”。

3.2.4 车桩通信模块电动车与充电桩采用CAN 通信。

需要区分的是,对于常规车辆,采用有线CAN 通信。

对于自动对接充电枪,采用无线CAN 通信模块。

4 软件设计电动汽车无人充电桩的软件主要包括充电桩主控板软件、机械臂驱动软件、转盘和机械臂的运动控制软件,如图4所示。

图4 无人充电桩软件结构图4.1 充电桩主控板软件充电桩主控板软件的流程图如图5所示。

系统初始化后,首先判断故障情况和预约状态,然后判断车型,获取卡号。

接下来进行充电口对接操作,在确认充电枪与充电口连接无误后开始充电。

电池充满后,自动结束充电,或者可以通过按键或后台中途结束充电。

结束充电后,充电桩根据情况进行复位机械臂等操作,并打印小票。

图5 充电桩软件流程图4.2 机械臂驱动软件机械臂在X 轴和Y 轴的运动根据最小距离迭代算法进行控制,行程末端均安装有限位开关进行保护。

Z 轴的运动则由限位开关来确定位置。

机械臂的运动控制实质是对其电机的控制,电机运动采用位置闭环控制方式,需要控制的参数主要包括脱机信号、脉冲信号和方向信号。

4.3 运动控制软件| Techniques of Automation & Applications32不同的车型充电口的位置也可能不同,故需要进行转盘和机械臂的运动控制。

与驱动软件部分不同,该部分主要是控制转盘和机械臂的运动轨迹。

运动控制的软件流程是首先根据车型判断是否需要移动转盘,然后再控制机械臂与车身充电口进行对接。

5 充电口定位算法利用广角测距技术,单片机在获取充电枪到充电口的距离信息后,通过距离迭代算法,调用机械臂驱动函数,最终可实现机械臂驱动充电枪与充电口自动接插。

整个实现过程示意如图6所示。

图6 自动对接示意图充电口的定位按照空间几何中点到面的最短距离是唯一的来确定。

本节根据该空间几何定律,设计了最小距离迭代算法。

图7 算法示意图如图7所示,假设机械臂在X 轴方向的行程区间为(x 0,x 10),充电口在空间看作一点记为P 点,P 到X 轴的最短距离记为PQ。

将区间(x 0,x 10)第一次平均划分为10个小区间,分别为(x 0,x 1)、(x 1,x 2)、…、(x 9,x 10),把点P到小区间端点的距离记为x pi ,i ∈(0,20)。