電動汽車直流充電樁控制裝置系統研究

西安航空職業技術學院 李蚩行

本文主要對電動汽車直流充電樁控制系統進行了研究，在對直流充電樁結構與原理進行分析的基礎上，構建了一種控制系統設計方案。本設計基于STM32處理器實現對充電過程的控制管理，詳細介紹了硬件構成及軟件實現路徑，在實現數據通信與交易結算功能的同時，能夠對充電過程出現的故障及時發出報警提示信息。

日益嚴重的環境污染問題與能源危機促使汽車行業向節能環保方向發展，新能源技術得到快速發展和完善。作為新能源汽車的代表，電動汽車成為解決汽車行業能源問題與環境污染問題的重要手段，不斷擴大的電動汽車的市場占有率對充電樁的使用需求不斷提高，充電樁成為實現電動汽車普及應用的前提條件。實際設計開發直流充電樁系統屬于工程應用，本文主要對電動汽車直流充電樁控制系統進行了研究和設計，以期為電動汽車充電設施的完善與推廣應用提供支撐。

1 控制系統總體框架設計

現有的直流充電樁普遍存在充電時間短及輸出功率大的特點，本文采用模塊化設計方案設計了一種充電樁控制系統，并搭建了基于嵌入式微處理器STM32的主控單元（意法半導體公司生產）、電源轉換、數據存儲等主要功能模塊，并設計開發了充電控制程序，通過組裝調試軟硬件模塊實現了快速充電及準確的結算過程。本文所構建的控制系統總體框架如圖1所示，中央控制模塊主要負責完成同其他模塊間的數據通信、人機交互、計費管理、檢測系統運行情況等功能。硬件系統采用STM32F103ZET6作為控制核心，該主控芯片基于ARM-V7結構并采用Cortex-M3內核，具有快速I/O端口共112個，包含豐富的外設接口，通過3個12位數模轉換器的有效集成實現了數模轉換時間的有效縮短，設有包括13個通信接口，可根據實際需要便捷高效的擴展外設功能。STM32主控單元間使用RS232串口連接RFID射頻讀卡器，確保準確高效的實現充電交易信息結算等功能，最終在WinCE觸摸顯示屏上顯示相關結算信息；直流充電模塊通過CAN現場總線技術同STM32主控制單元完成通信過程，充電模塊在主控制單元的控制下完成對電池的充電過程，充電模塊及時向主控制單元反饋電壓、電流、電量及充電情況等信息，由主控制單元據此判斷充電是否完成，并在完成后停止充電，進而使過充等危險情況得以有效避免。可調直流電先經AC/DC和DC/DC變化，然后通過輸出控制模塊充入到汽車充電口，完成對動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 控制系統總體架構示意圖

2 系統硬件模塊設計

2.1 STM32最小系統設計

該部分使用供電電壓為3.3V的電源，主要由晶振、基準源、復位電路、下載口等構成，其中，晶振電路具體起到并聯諧振作用，晶振電路通過外接和并聯一個無源晶振和1個反饋電阻，提升電路的工作條件，考慮到上電啟動晶振后會產生摻雜有諧波的脈沖波形，易影響主控系統的穩定性，將兩個負載電容分別安置于無源晶振的兩側用于過濾產生的諧波。全部模擬電路部分均由基準源電路的VDDA引腳負責供電，模擬電路需能夠將電源的高頻諧波有效濾除掉，本文主要采用ADC模塊和復位電路等完成電路設計，并在VDDA和3.3V電源間并聯兩個濾波電容，凈化輸入電源進而提高系統的穩定性。實際完成主控制系統程序代碼的編寫后，在主控板上燒錄程序使用JTAG和SWD接口模式完成物理調試過程，下載數據較大時易導致JTAG下載口出現下載失敗現象，下載數據量相同時，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，可有效避免下載失敗現象的出現，進而節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位有效，系統上電后，主控單元芯片先進行初始化，通過復位電路復位主控芯片，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 電源穩壓模塊設計

主控芯片的工作電壓在2～3.6V區間內，通常為3.3V，考慮到系統不同功能模塊所使用到的電源電壓不同，本文由開關電源模塊負責為控制系統的外部供電，該模塊電壓規格包含5V和12V兩種，因此設計了5V轉3.3V電路，以滿足主控芯片的電壓需求、驅動器正常工作，具體選用性價比較高的線性穩壓芯片AMS1117完成轉換過程，該芯片具有噪音低、靜態電流小等優勢，ASM1117線性穩壓器可工作在較低的輸入電壓下，5V的外置開關電源通過使用ASM1117系列線性穩壓器件可高效的完成到3.3V直流電的轉換，以供主控芯片工作使用。ASM1117線性穩壓器先完成對輸出電壓樣本的采集，然后反饋給調節電路由其調節輸出級調整管的阻抗，通過增加或減小輸出級的阻抗控制管壓降的增加或減小，在此基礎上確保輸出電壓的穩定；為減小輸出電壓紋波，有效實現高頻濾波作用，需對穩壓電路及線性穩壓器進行處理，具體可在電路輸出端串聯5V～3.3V的濾波電感，可有效阻隔高頻諧波的干擾，在穩壓器兩端外接4個貼片電容實現對自激振蕩現象的有效抑制過程，同時達到降低自身功耗的目的，進而確保系統整體的正常穩定運行。

2.3 存儲模塊設計

為有效保存用戶在充電過程中的相應消費及賬號等信息，本文采用了可無限讀/寫數據的FM31256存儲芯片完成控制系統的保存功能。該芯片包含非易失性存儲器，存儲器接口類型為I2C接口，用戶結算完充電金額后，控制系統會及時清除充電信息，改充電樁進入到等待使用狀態中；具體通過I2C總線實現讀/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提供時間信息的無源晶振。

3 直流充電樁控制系統軟件設計

本文采用模塊化編程方式設計系統軟件，以確保軟件系統的高效可靠，考慮到控制系統實際運行平臺不同，系統軟件的主要功能結構由兩部分構成，WinCE 觸摸顯示模組負責完成充電信息的顯示、電能計量、用戶充電計費與結算、清單打印等功能，在該顯示模組中編寫人機交互程序，有效提升了系統的用戶友好性。人機交互程序包括了從歡迎充電到最終刷卡結賬的整個操作流程界面，無需用戶事先掌握充電流程，按照界面顯示信息即可完成；運行于STM32F103上的底層控制板程序負責完成對數據通信、充電電源電壓與電流輸出、充電狀態、安全檢測等的控制。

4 系統測試

為檢測所搭建的系統硬件模塊與軟件控制程序的有效性，先繪制出系統具體電路原理圖，據此生成PCB板，經外送加工得到相應的硬件電路元器件，然后通過焊接調試得到主控單元控制板實物圖，軟件程序代碼采用KeilμVision完成后，下載到主控單元控制板中，用于測試系統的實際充電控制功能。系統啟動后，軟件程序先進行初始化，通信檢測通過后跳轉至歡迎界面，未通過則充電樁上的燈帶會閃爍；通過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間、電量、充電金額等信息，能夠實現對汽車的快速充電過程，并表現出了良好的安全性和穩定性。通過在實際操作過程中不斷修改與調試，最終實現了對充電樁的控制及準確便捷的交易結算過程，實驗運行結果表明，該系統達到了預期的目標效果，具有一定的實際應用價值。

結束語：為實現預定的直流充電控制功能，本文根據電動汽車對直流充電樁功能的使用需求，主要完成了一種電動汽車直流充電樁控制系統的設計，構建了控制系統的總體框架，詳細介紹了系統軟硬件的設計與搭建過程，并通過實際應用與檢測驗證了該系統的可行性，為進一步完善充電設備的基礎設施建設提供參考。由于在實際應用過程中會受到硬件設施、場地、設備等因素的影響，研究工作有待進一步完善，包括優化程序設計及充電操作界面、優化設計硬件保護電路等，在有效提高直流充電樁充電效率的同時，降低安全投入成本。