OpenEVSE Зарядная станция для электромобилей

С момента появления в моём автопарке электромобиля Nissan Leaf у меня поднялась тема зарядных станций для этого электромобиля. Ну что сказать, можно просто заказать и купить зарядную станцию Но мы не ищем лёгких путей. Было принято решение для самостоятельной сборки зарядного устройства. После недолгих поисков в интернете доступных схем было выявлено два основных направления:

простое, без наворотов зарядное устройство, которое с лёгкостью помещается в рукоятке зарядного коннектора j1772.
сложное, с управлением по Wi-Fi со счётчиком электроэнергии со встроенным меню, регулировкой зарядного тока от 6А до +24А.

Ну как обычно бывает я потопал по пути наибольшего сопротивления. Есть в сети такой проект Open Source Electric Vehicle Charging Station (EVSE) OpenEVSE. Я из-за незнания вражеского языка не вдавался в подробности что раньше, курица или яйцо. Моя задача повторить проект и рассказать вам о сложностях которые меня ждали. Рассказать для того, что бы вы не столкнулись с моими трудностями при повторении. И так основа основ, откуда я брал информацию это тут https://github.com/OpenEVSE И да это не всё. Там ведь всё на английском. Яндекс мне в помощь. Но самое противное это то, что схемы не полные. Отсутствуют номиналы компонентов, зоопарк версий и ни одной нормальной, полной статьи как собрать, настроить, скомпилировать, и проверить в отсутствии автомобиля. Это просто жесть как всё трудно мне давалось. Не верите, прекратите читать эту статью и попробуйте самостоятельно собрать зарядное устройство для электромобиля, результаты в коменты пожалуйста.

И так, ч сего нужно начать, конечно же собрать всё то, что вам нужно для реализации проекта. Вот список:

файлы проекта
программатор AVR-asp
Программа DipTrace v4x (для просмотра моей, дополненной схемы)
Грёбаная Arduino IDE
осциллограф
вольтметр
Обжим для силовых цепей
паяльник 120-160 Вт
Конечно же хорошая музыка которую я слушаю и регулярно обновляю. Слушайте <a href="https://music.yandex.ru/users/masterskaiacss/playlists/3">Мне нравится</a> — <a href="https://music.yandex.ru/users/masterskaiacss">masterskaiacss</a> на Яндекс Музыке

Софт проекта OpenEVSE_PLUS_v5.5 одним архивом. Скачать.

DipTrace 4x возьмите у официального производителя. Перейти.

Используемые мной библиотеки для DipTrac. Скачать.

Учебник DipTrace на русском языке. Скачать.

Для тех кто хочет просто загрузить готовый *.hex и не парится с компиляцией и дефайнами. Скачать.

Ну и куда же деться без долбаных FUSE. О них я расскажу чуть позже. есть два варианта установки fuse, в ручном и автоматическом режимах. И тот и другой хорошо работает. Хотите узнать почему я так категорично негативно отношусь к Amel… да потому что тупее контроллера я не видел убогость во всём и я я очень люблю STM…

Ну вот вы почти готовы для сборки зарядной станции. Почти, потому что, что то пойдёт не так. Сначала заказываем печатные платы. Gerber у вас есть. отсылайте его в любой удобный для вас завод типа https://jlcpcb.com

Внимательно всё припаиваем. 100 раз проверяем на наличие ошибок. Далее моем плату в ультразвуке так как у вас навряд-ли будет достойный флюс для пайки. я пользуюсь самым голимым который есть в свободном доступе

Мне знакомые мастера порекомендовали флюс на фото ниже. Этот мастер балаболить не станет. Куплю и буду тестировать.

Для сушки я использую медицинскую ультразвуковую ванну 30 Вт мощности и растворитель Калоша Б-70. Отличительная черта этого растворителя в том, что он очень сильно обезжиривает, не оставляет разводов, не такой агрессивный как растворитель, очень быстро испаряется до полного высыхания. И так, промыли, просушили и теперь ещё раз 100 раз проверили на отсутствие ошибок в монтаже 🙂 Вот примерно как я начинал. Кстати в конце статьи я приложу все ссылки на Ali магазинов где я покупал комплектующие + зарядный коннектор j1772.

Когда вы всё спаяли, проверили, наступило время подключить пускатель. Я его купил в магазине электротоваров. Пускатель двухполюсный с катушкой на рабочее напряжение 220 вольт.

Теперь немного о блоке питания. Вполне достаточно иметь любой блок питания с рабочими напряжениями 5 и 12 вольт и током 500-800 мА. Я не смог найти ничего лучше чем блок питания выполненный в алюминиевом корпусе на рабочее напряжение 12 вольт и током в 3 А. Я прикупил линейный стабилизатор с изолированным корпусом 78L05, электролит на выход 78L05 на 1000мкф 25 вольт и вкрутил его на свободном месте корпуса блока питания Внутри конечно же. Вывел отдельно три надёжных провода и корпуса блока питания 5 вольт, 12 вольт и корпус и получил то, что и требуется для схемы. Не забываем все заземляющие винты заземлять на отдельной шине. вот фото.

Кстати плату зарядного устройства я в последующем прикрепил винтами к крышке блока питания. но в процессе настройки блок питания держим на расстоянии, что бы не задеть его и не натворить лишних проблем.

Что должно быть подключено в обязательном порядке для настройки устройства.

К блоку питания подключаем провод питания.
Выход блока питания, 5 и 12 вольт подключаем к плате.
заземление подключаем ко всем точкам указанным на схеме, а именно к сквозным монтажным отверстиям на плате устройства, к блоку питания. После наладки устройства заземление так же нужно подключить к зарядному четырёхжильному кабелю.
к выводам ACIN1 и ACIN2 подключаем напряжение 220 вольт которое можно и нужно взять с клемм блока питания. Убедительная просьба, будте предельно аккуратны и внимательны при работе с платой. мой совет такой НАКЛЕЙТЕ СЕБЕ НА РУКУ, ЗАПЯСТЬЕ, НА ВИДНОЕ МЕСТО, ОЧЕНЬ ЯРКИЙ МАРКЕР И КАК ТОЛЬКО ВЫ ЕГО ВИДИТЕ СРАЗУ РУКИ ОТ СТОЛА И СМОТИРЕ НА ТО В КАКОМ СОСТОЯНИИ НАХОДИТЬСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВИЛКА.
К выводам ACRELAY1 и ACRELAY2 подключите пусковую обмотку пускателя.
На вводные клеммы пускателя так же подведите тонкими проводами (можно временно) напряжение 220 вольт взятое с клемм блока питания.
На клеммы ACTEST1 и ACTEST2 подключите провода с выходных клемм пускателя. На этих проводах напряжение появится только тогда когда на пусковую обмотку пускателя поступит напряжение 220 вольт.
На вывод 26 подключите кнопку которой вы будете управлять зарядным устройством.
К разъему I2C подключите двухстрочный индикатор с модулем согласно схеме. Перемычки на модуле должны быть разомкнуты. Тогда адрес устройства будет равен Hx27. Кстати первоначальная настройка индикатора должна быть такой, что бы светилась только верхняя строчка индикатора. Когда увидите текст на экране тогда можно будет подстроить более точно индикатор. Снизу индикатора есть переменный резистор.
Далее необходимо к выводу PILOT подключить эмулятор автомобиля. Не переживаем, выдыхаем, дышим глубоко…. Я сам долго не мог понять как и где его найти Всё оказалось довольно просто. Вот фото того, что сделал я. И схема. Я поставил диод Д219 и два подстроечных резистора многооборотных по 10 кОм. Далее расскажу как этим пользоваться.

Вот и все подключения. А вы боялись. Теперь давайте зальём прошивку в микроконтроллер. Для этого будем использовать программу AVRDUDE которую я любезно вместе с драйвером положил в архив. Вы его уже должны были скачать выше…. Далее из архива берем файл flash.bat который можно найти по пути в архиве open_evse-stable\firmware\open_evse\flash.bat и копируем его в папку с программой AVRDUDE. далее открываем этот файл ПКМ изменить. и проверяем что бы во второй строке было введено имя *.hex файла такое же как сам файл. Например я вам дал ссылку на скомпилированный файл open_evse.ino.hex именно такое имя должно быть в файле flash.bat.

avrdude -c USBasp -p m328p -U lfuse:w:0xFF:m -U hfuse:w:0xDF:m -U efuse:w:0x05:m
avrdude -c USBasp -p m328p -U flash:w:open_evse.ino.standard.hex
pause

avrdude -c USBasp -p m328p -U lfuse:w:0xFF:m -U hfuse:w:0xDF:m -U efuse:w:0x05:m

avrdude -c USBasp -p m328p -U flash:w:open_evse.ino.standard.hex

pause

замените open_evse.ino.standard.hex на open_evse.ino.hex Я специально не подправил файл flash.bat что бы вы в дальнейшем понимали принцип загрузки прошивки вместе со fuse одним кликом. Так же копируйте в папку с программой AVRDUDE файл с прошивкой open_evse.ino.hex. И так в папке с программой AVRDUDE у вас уже находятся файлы open_evse.ino.hex и flash.bat Теперь подключаем программатор к нашей плате и запускаем фаил flash.bat из папки с программой AVRDUDE. Вы должны увидеть СMD окно в которой сначала выполниться запись фъюзов а затем и самой прошивки. Всё, вот и всё. Наш контроллер записан. Теперь я приведу более долгий процесс но совсем безобидный.

Запускаем программу AVRDUDE

Выбираем наш микроконтроллер.
Жмём кнопку “стереть всё”
в области flesh указываем путь к нашему *.hex файлу с прошивкой
проверяем в области настройки какой выбран программатор У меня Usbasp_8M
В области flash нажимаем кнопку “Программирование”
ждём окончания программирования без каких либо ошибок и переходим во вкладку Fuses

Просто установите всё как вы видите на картинке и нажмите кнопку “программирование”

Если у вас что то не получиться с программированием тога уж извините меня, но вам нужно научиться пользоваться программатором в поисковике.

Теперь можно было бы и включить наше зарядное устройство но есть пару обстоятельств. Если у вас нет GFCI трансформатора тогда нужно обмануть схему самопроверки до того времени пока вы не найдёте этот трансформатор. Эта схема работает как УЗО. Если произошла утечка тока через тело человека на землю пускатель моментально разомкнёт цепь подачи высокого напряжения на автомобиль. Работает схема следующим образом. В момент подачи питания на зарядное устройство микроконтроллер через сопротивление R23 подаёт напряжение высокого уровня на катушку связи которая намотана несколькими витками вокруг трансформатора тока. Тем самым вызывая ЭДС. На выводах трансформатора появляется напряжение равное примерно 0.85 вольт. Этого достаточно что бы на выходе блока GFCI а именно на диоде появился высокий уровень. Этот уровень и отслеживает микроконтроллер в момент самотестирования. Для его обмана необходимо выпаять из схемы диод D4 и сопротивление R19. А потом замкнуть коротеньким, МГТФ проводом выводы 12 и 32 микроконтроллера.

Всё, теперь можно подключать наш эмулятор автомобиля к выводу PILOT и GND и включаем питание. На экране должна появиться приветственная надпись. Видео работы ниже.

Работа этого протокола очень проста. Порт реагирует на напряжение подаваемое на вход PILOT и скважность импульсов ШИМ сигнала частотой 1000Гц. Всего существует шесть состояний напряжения (среднеквадратичного значения) на выводе PILOT. Ниже я приведу таблицу этих значений.

состояние	высокий уровень PILOT	Низкий уровень PILOT	Частота	Описание
Состояние A	+12	N/A	DC	Не подключен
Состояние B	+9	-12	1000 Гц	Подключен коннектор
Состояние C	+6	-12	1000 Гц	Идёт заряд
Состояние D	+3	-12	1000 Гц	Требуется вентиляция
Состояние E	0	0	N/A	ошибка
Состояние F	N/A	-12	N/A	Неизвестная ошибка

Теперь о скважности импульсов. На выводе PILOT в определённый момент времени поступает ШИМ сигнал с частотой 1000 Гц и разной скважности. Благодаря заполнению ШИМ автомобиль понимает какой тог может предоставить зарядная станция. К примеру если заполнение равно 20% это равняется 12 А зарядного тока, а наши 24 А равны 40% заполнения ШИМ. Я думаю теперь всё понятно с формированием зарядного тока. Да, кстати, не зарядка даёт ток а контроллер заряда внутри авто переключает контакторами нагрузочные сопротивления, тем самым устанавливая максимально допустимый ток заряда.

6A	12A	18A	24A	30A	40A	48A	65A	75A	80A
10%	20%	30%	40%	50%	66%	80%	90%	94%	96%

Зная эти данные я вам рассказу последовательность работы зарядного устройства. После подачи напряжения питания на зарядное устройство (далее зарядка) на выводе PILOT устанавливаеться сначала напряжение равное минус 12 вольт, а потом плюс 12 вольт, и зарядка стоит и ждёт когда напряжение на выводе PILOT опуститься до 9 вольт. Как только мы подключим J1772 в автомобиль, сопротивление в автомобиле опустит напряжение на PILOT до уровня 9 вольт. Микроконтроллер измеряет напряжение своим 24 выводом через делитель R5, R6, R7. Как только на выводе PILOT появилось напряжение 9 вольт на выводе PILOT появиться ШИМ сигнал с какой то скважностью. По умолчанию скважность должна быть установлена в районе 20%. После этого автомобиль понимает что ШИМ есть, напряжение 9 вольт, говорящее о готовности зарядки то же есть и автомобиль опускает напряжение до уровня 6 вольт. Контроллер измерил это напряжение и подал сигнал на оптопару которая подаёт напряжение на катушку пускателя. Пускатель замыкает контакты и подаёт напряжение на J1772, а так же подаёт напряжение на выводы ACTEST1 и ACTEST2. Контроллер определяет присутствие напряжения на выводах 1 и 2 микроконтроллера. На одном из выводов, в зависимости от того куда приходит фаза будет сигнал с высокого на низкий уровень. Подключайте осциллограф и сами всё сможете увидеть. К сожалению я не подготовил осциллограммы, но при следующей сборки зарядки я их подготовлю и опубликую на сайте. На этом можно закончить описание протокола а соответственно и работу самого устройства. В таком виде оно начнёт работать без каких либо проблем. Далее модно подключить Wi-Fi модуль, трансформатор тока для измерения показаний во время зарядки.

Более продвинутые программисты смогут самостоятельно разобраться в коде программы и внести свои изменения. Мне помогал в этом очень грамотный и отзывчивый человек по имени Сергей. Скажу честно, без него я бы очень долго не понимал как и что тут работает. Я только постарался собрать всё в кучу и донести до вас максимально полную информацию по сборке зарядки из одного окна. А теперь я приведу немного фотографий того как я собирал своё устройство. Обратите внимание на то как обжат кабель. Только так и не иначе. Ни каких залуживаний, никаких скруток и пушистости. Если не хотите, что бы всё полыхнуло отнеситесь максимально аккуратно и с пониманием к подготовке кабеля и всех силовых цепей.