第三届电力电子科普作品创作大赛-入围奖

上海工程技术大学 俞翔昊 单鸿涛 张峥昊

在燃油车加油的过程中，插油枪、加油、结算，全程大约3分钟左右。如今，越来越多的车主把油枪换成了充电枪，把3分钟拉长至30分钟。“加油站”的地点已经不再只是加油站，而是可以进入商场，小区，高速服务区。一个充电桩看似只是“一根电缆+一块显示屏”，但其实它的内部藏着一个“指挥部”，也就是单片机。它就像一支乐队的总指挥，把各种元素管理的井井有条。

简单来说，单片机是把CPU、内存、硬盘、定时器/计数器，A/D、D/A、串口、并口、I/O引脚，全焊在同一块指甲盖大小的芯片里，通电就能运行程序的微型计算机。

其中，单片机的“单”指的是“单芯片”，所有功能模块做在一颗IC里，不需要外部总线再去接内存、硬盘、显卡；“片”则是指“片载”，片内集成Flash、SRAM、EEPROM、振荡器、复位电路等；而“机”指的是“计算机”，有中央处理器、程序计数器、堆栈、指令集，可以运行代码。

在充电桩里，不需要运行类似于“Windows”的操作系统，只需要采样、判断、通信、执行。如果将充电桩拆开，可以大致分为三个层面：首先是功率层，220V/380V进线，进过漏电保护器，接触器，OCPP继电器以及充电枪。在这一阶段，电流高达32A，电压波动±20%。其次是控制层：有着信号的调理，如分压、隔离运放；对于风扇，电子锁等器件的控制；灯光、触摸按键等人机接口的控制；以及通信接口，如Wi-Fi，蓝牙。最后则是应用层，App，远程OTA，电价策略等数据，单片机都会将其上传至云端。

图 1（图片来源于网络）

充电桩单片机从待机到充电再到充电结束可以分为以下几个步骤。

首先是待机状态，处于低功耗Stop模式，每500ms进行一次电压检测，功耗低于2W；当插枪之后，单片机被唤醒，闭合电子锁，外部的指示灯也会随之变换颜色提示用户；接下来用户可以扫描屏幕二维码进行下单，当单片机收到反馈信息时，将会进入下一个阶段，进行自检。

自检时将会检测回路，如果全部正常，那么将开始充电；接下来进入恒流模式，传感器每1ms采样一次电流，通过算法，将误差控制在±1%以内，如果车端发出“降功率”的请求，那么单片机将会将电流线性滑落，避免“拉弧”；当进入恒压模式时，电压维持在220V±1%，同时监控电池电压斜率＜0.1V/min，为涓流状态做准备。

最后，当电流＜0.5A持续30秒，单片机将会判定已经充满，断开开关，打开电子锁，通过指示灯颜色变换和蜂鸣器的响声提醒用户，最后发送账单至用户手机中，再次回到待机模式。

那么，如果出现了异常情况，单片机该如何“保命”呢？例如在电池充满电后如果不及时停止充电，电池的电压甚至会出现负增量，同时内压和温度会迅速上升，对电池产生很大的损害。下面列举了一些单片机在面对异常情况的处理方式。

如果发生漏电，则单片机内部12位ADC双通道交叉检查，在30ms内切断接触电源；如果发生过压/欠压，超出220V±15%的范围，将立刻暂停充电，并记录事件至EEPROM；若检测出继电器粘连的情况，则会上报故障码，并且禁止再次启动；关于绝缘检测，如果测得绝缘电阻＜500Ω/V，充电桩将会立即停机，防止人员意外触电；以及其内部也设有独立窗口看门狗芯片，每50ms必须“喂狗”，超时即硬复位，防止程序跑飞。

在早期，充电桩出厂后，软件就被“固定”在Flash里，只能通过拆机来进行升级。但是现如今，有了单片机的加持，可以进行远程的OTA进行升级。运营商通过MQTT下发差分升级包，单片机先写入备份区，校验通过后，进行重启并切换启动指针，即可完成一次远程的升级。

在全球工业蒸蒸日上的同时，共同面临的能源缺乏与环境恶化问题却愈演愈烈，今后将严重的威胁到人类社会的发展，人们渐渐地意识到环境保护的重要性，各国政府都在积极地进行节能减排。充电桩中的单片机也是推动绿色低碳的重要帮手，它可以控制每次的电流精度在0.2A附近，虽然看上去数字并不大，但如果将这个范围扩大至全国，那么节省下来的电量将会是十分惊人的。单片机用自身微小的功耗，换来了巨大的碳减排。

图 2（图片来源于网络）

现如今，充电桩中的单片机也在不断“进化”，如V2G直流充电桩，它可以给电动汽车进行直流快速充电，并可以在车主不使用电动汽车时，将电能反馈给电网，给车主带来一定的收入；并且采用双向智能电表对电动汽车充电或放电过程进行计费，把计费结果传输给单片机；同时使用发光二极管显示工作状态，绿光为充电状态，蓝光为放电状态；且具有过电压、过电流、漏电检测功能，经检测后进行断电；也可以使用微型打印机打印充电信息、放电信息与费用信息。

如今，充电桩的每一次进化，都离不开背后那一颗不断在发挥着自己的作用的单片机，它或许不会被人们所熟悉，也或许不会出现在广告中被人们所看见，但是它时时刻刻都在守护着广大车主充电时的续航与安全。

参考文献：

[1]王海群,彭川.电动汽车充电桩控制系统的设计[J].微型机与应用,2017,36(23):107-111.DOI:10.19358/j.issn.1674-7720.2017.23.031.

[2]邵伟伟.V2G直流充电桩的设计[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2017,27(04):51-54+69.DOI:CNKI:SUN:LYGY.0.2017-04-012.