西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李蚩行

本文主要對(duì)電動(dòng)汽車直流充電樁控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在對(duì)直流充電樁結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)基于STM32處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程的控制管理，詳細(xì)介紹了硬件構(gòu)成及軟件實(shí)現(xiàn)路徑，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與交易結(jié)算功能的同時(shí)，能夠?qū)Τ潆娺^(guò)程出現(xiàn)的故障及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示信息。

日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題與能源危機(jī)促使汽車行業(yè)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，新能源技術(shù)得到快速發(fā)展和完善。作為新能源汽車的代表，電動(dòng)汽車成為解決汽車行業(yè)能源問(wèn)題與環(huán)境污染問(wèn)題的重要手段，不斷擴(kuò)大的電動(dòng)汽車的市場(chǎng)占有率對(duì)充電樁的使用需求不斷提高，充電樁成為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車普及應(yīng)用的前提條件。實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)直流充電樁系統(tǒng)屬于工程應(yīng)用，本文主要對(duì)電動(dòng)汽車直流充電樁控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，以期為電動(dòng)汽車充電設(shè)施的完善與推廣應(yīng)用提供支撐。

1 控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的直流充電樁普遍存在充電時(shí)間短及輸出功率大的特點(diǎn)，本文采用模塊化設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了一種充電樁控制系統(tǒng)，并搭建了基于嵌入式微處理器STM32的主控單元（意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)）、電源轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等主要功能模塊，并設(shè)計(jì)開發(fā)了充電控制程序，通過(guò)組裝調(diào)試軟硬件模塊實(shí)現(xiàn)了快速充電及準(zhǔn)確的結(jié)算過(guò)程。本文所構(gòu)建的控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示，中央控制模塊主要負(fù)責(zé)完成同其他模塊間的數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互、計(jì)費(fèi)管理、檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況等功能。硬件系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為控制核心，該主控芯片基于ARM-V7結(jié)構(gòu)并采用Cortex-M3內(nèi)核，具有快速I/O端口共112個(gè)，包含豐富的外設(shè)接口，通過(guò)3個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的有效集成實(shí)現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間的有效縮短，設(shè)有包括13個(gè)通信接口，可根據(jù)實(shí)際需要便捷高效的擴(kuò)展外設(shè)功能。STM32主控單元間使用RS232串口連接RFID射頻讀卡器，確保準(zhǔn)確高效的實(shí)現(xiàn)充電交易信息結(jié)算等功能，最終在WinCE觸摸顯示屏上顯示相關(guān)結(jié)算信息；直流充電模塊通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)同STM32主控制單元完成通信過(guò)程，充電模塊在主控制單元的控制下完成對(duì)電池的充電過(guò)程，充電模塊及時(shí)向主控制單元反饋電壓、電流、電量及充電情況等信息，由主控制單元據(jù)此判斷充電是否完成，并在完成后停止充電，進(jìn)而使過(guò)充等危險(xiǎn)情況得以有效避免?？烧{(diào)直流電先經(jīng)AC/DC和DC/DC變化，然后通過(guò)輸出控制模塊充入到汽車充電口，完成對(duì)動(dòng)力電池組的充電工作，充電樁上配備連接汽車充電插口的充電槍頭。

圖1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該部分使用供電電壓為3.3V的電源，主要由晶振、基準(zhǔn)源、復(fù)位電路、下載口等構(gòu)成，其中，晶振電路具體起到并聯(lián)諧振作用，晶振電路通過(guò)外接和并聯(lián)一個(gè)無(wú)源晶振和1個(gè)反饋電阻，提升電路的工作條件，考慮到上電啟動(dòng)晶振后會(huì)產(chǎn)生摻雜有諧波的脈沖波形，易影響主控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將兩個(gè)負(fù)載電容分別安置于無(wú)源晶振的兩側(cè)用于過(guò)濾產(chǎn)生的諧波。全部模擬電路部分均由基準(zhǔn)源電路的VDDA引腳負(fù)責(zé)供電，模擬電路需能夠?qū)㈦娫吹母哳l諧波有效濾除掉，本文主要采用ADC模塊和復(fù)位電路等完成電路設(shè)計(jì)，并在VDDA和3.3V電源間并聯(lián)兩個(gè)濾波電容，凈化輸入電源進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)際完成主控制系統(tǒng)程序代碼的編寫后，在主控板上燒錄程序使用JTAG和SWD接口模式完成物理調(diào)試過(guò)程，下載數(shù)據(jù)較大時(shí)易導(dǎo)致JTAG下載口出現(xiàn)下載失敗現(xiàn)象，下載數(shù)據(jù)量相同時(shí)，體積有限的主控板適合使用SWD下載口，在采用更少引腳的同時(shí)，可有效避免下載失敗現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而節(jié)省主控制板空間用于增加其他功能模塊。主控制單元為低電平復(fù)位有效，系統(tǒng)上電后，主控單元芯片先進(jìn)行初始化，通過(guò)復(fù)位電路復(fù)位主控芯片，電源隨后向電容C1充電至其電壓升為高電平，芯片開始工作。

2.2 電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

主控芯片的工作電壓在2～3.6V區(qū)間內(nèi)，通常為3.3V，考慮到系統(tǒng)不同功能模塊所使用到的電源電壓不同，本文由開關(guān)電源模塊負(fù)責(zé)為控制系統(tǒng)的外部供電，該模塊電壓規(guī)格包含5V和12V兩種，因此設(shè)計(jì)了5V轉(zhuǎn)3.3V電路，以滿足主控芯片的電壓需求、驅(qū)動(dòng)器正常工作，具體選用性價(jià)比較高的線性穩(wěn)壓芯片AMS1117完成轉(zhuǎn)換過(guò)程，該芯片具有噪音低、靜態(tài)電流小等優(yōu)勢(shì)，ASM1117線性穩(wěn)壓器可工作在較低的輸入電壓下，5V的外置開關(guān)電源通過(guò)使用ASM1117系列線性穩(wěn)壓器件可高效的完成到3.3V直流電的轉(zhuǎn)換，以供主控芯片工作使用。ASM1117線性穩(wěn)壓器先完成對(duì)輸出電壓樣本的采集，然后反饋給調(diào)節(jié)電路由其調(diào)節(jié)輸出級(jí)調(diào)整管的阻抗，通過(guò)增加或減小輸出級(jí)的阻抗控制管壓降的增加或減小，在此基礎(chǔ)上確保輸出電壓的穩(wěn)定；為減小輸出電壓紋波，有效實(shí)現(xiàn)高頻濾波作用，需對(duì)穩(wěn)壓電路及線性穩(wěn)壓器進(jìn)行處理，具體可在電路輸出端串聯(lián)5V～3.3V的濾波電感，可有效阻隔高頻諧波的干擾，在穩(wěn)壓器兩端外接4個(gè)貼片電容實(shí)現(xiàn)對(duì)自激振蕩現(xiàn)象的有效抑制過(guò)程，同時(shí)達(dá)到降低自身功耗的目的，進(jìn)而確保系統(tǒng)整體的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

為有效保存用戶在充電過(guò)程中的相應(yīng)消費(fèi)及賬號(hào)等信息，本文采用了可無(wú)限讀/寫數(shù)據(jù)的FM31256存儲(chǔ)芯片完成控制系統(tǒng)的保存功能。該芯片包含非易失性存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器接口類型為I2C接口，用戶結(jié)算完充電金額后，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)清除充電信息，改充電樁進(jìn)入到等待使用狀態(tài)中；具體通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)讀/寫及其他控制功能，鐵電芯片使用3.3V電源，為使總線抗電磁干擾能力得以有效提高，將10KΩ的上拉電阻添加到SDA和SCL與VCC3.3V間，在芯片外圍連接一個(gè)提供時(shí)間信息的無(wú)源晶振。

3 直流充電樁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用模塊化編程方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，以確保軟件系統(tǒng)的高效可靠，考慮到控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行平臺(tái)不同，系統(tǒng)軟件的主要功能結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，WinCE 觸摸顯示模組負(fù)責(zé)完成充電信息的顯示、電能計(jì)量、用戶充電計(jì)費(fèi)與結(jié)算、清單打印等功能，在該顯示模組中編寫人機(jī)交互程序，有效提升了系統(tǒng)的用戶友好性。人機(jī)交互程序包括了從歡迎充電到最終刷卡結(jié)賬的整個(gè)操作流程界面，無(wú)需用戶事先掌握充電流程，按照界面顯示信息即可完成；運(yùn)行于STM32F103上的底層控制板程序負(fù)責(zé)完成對(duì)數(shù)據(jù)通信、充電電源電壓與電流輸出、充電狀態(tài)、安全檢測(cè)等的控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為檢測(cè)所搭建的系統(tǒng)硬件模塊與軟件控制程序的有效性，先繪制出系統(tǒng)具體電路原理圖，據(jù)此生成PCB板，經(jīng)外送加工得到相應(yīng)的硬件電路元器件，然后通過(guò)焊接調(diào)試得到主控單元控制板實(shí)物圖，軟件程序代碼采用KeilμVision完成后，下載到主控單元控制板中，用于測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際充電控制功能。系統(tǒng)啟動(dòng)后，軟件程序先進(jìn)行初始化，通信檢測(cè)通過(guò)后跳轉(zhuǎn)至歡迎界面，未通過(guò)則充電樁上的燈帶會(huì)閃爍；通過(guò)選擇顯示屏下方的按鍵即可成功完成充電模式的選擇，充電顯示界面包括充電時(shí)間、電量、充電金額等信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車的快速充電過(guò)程，并表現(xiàn)出了良好的安全性和穩(wěn)定性。通過(guò)在實(shí)際操作過(guò)程中不斷修改與調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電樁的控制及準(zhǔn)確便捷的交易結(jié)算過(guò)程，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)效果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)束語(yǔ)：為實(shí)現(xiàn)預(yù)定的直流充電控制功能，本文根據(jù)電動(dòng)汽車對(duì)直流充電樁功能的使用需求，主要完成了一種電動(dòng)汽車直流充電樁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了控制系統(tǒng)的總體框架，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)與搭建過(guò)程，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用與檢測(cè)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，為進(jìn)一步完善充電設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供參考。由于在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)受到硬件設(shè)施、場(chǎng)地、設(shè)備等因素的影響，研究工作有待進(jìn)一步完善，包括優(yōu)化程序設(shè)計(jì)及充電操作界面、優(yōu)化設(shè)計(jì)硬件保護(hù)電路等，在有效提高直流充電樁充電效率的同時(shí)，降低安全投入成本。