新能源汽車智能充電控制系統研究與設計

趙澤 楊紀元 張展浩 姚丹

摘 要：在國家“雙碳”戰略背景的號召下，新能源技術悄然走進我們的日常生產生活中，尤為突出的是新能源汽車的廣泛使用。但目前絕大多數新能源汽車的充電系統存在智能化不足、充電速度慢、安全系數低等問題。為此文章研究了一種基于單片機的新能源汽車智能充電控制系統。該設計采用高性能STM32單片機，結合溫度傳感器、OLED顯示屏、RFID刷卡模塊、無線通信模塊、按鍵等硬件組件構成。系統通過IC卡刷卡身份識別和手機APP連接，用戶可便捷地進行充電操作和管理，提高充電控制系統的使用效率和經濟性。該設計為實現新能源汽車的廣泛推廣和清潔能源的高效利用提供了創新解決方案。

關鍵詞：新能源 STM32單片機 OLED RFID刷卡模塊 智能充電系統

隨著全球氣候變化和環境污染問題的日益嚴峻，新能源汽車作為減少交通領域碳排放的重要途徑，其發展受到了廣泛關注[1]。以往新能源汽車充電控制系統存在功能過于簡單、擴展性差等缺陷[2]，為節省供電成本，令充電系統具有更多擴展功能，因此，研究新能源汽車充電控制系統具有重要意義。

本項目旨在設計一款新能源汽車智能化充電系統，通過對傳統充電過程、充電方法進行分析、總結，研究影響智能化充電的主要成因，通過優化充電過程，系統將適應不同的充電需求，提供靈活的充電方案，最終提升整個系統的智能化水平。

1 智能充電控制系統設計方案

項目采用自上而下的設計方法，以STM32單片機為控制核心，由電源模塊、數據采集監測模塊、按鍵模塊、RFID刷卡模塊、顯示模塊、報警模塊、無線通信模塊、電能計量模塊組成。其中，RFID刷卡模塊對車主身份進行驗證，識別成功后，進入充電設置模式；在充電過程中，溫度傳感器等實時采集充電汽車狀態，并傳輸給單片機進行分析與處理；按鍵模塊可以設置不同的參數閾值，當檢測到溫度超過預設值或者有火光警情時，就會觸發報警模塊，同時控制繼電器切斷充電電源，并最終發送給手機終端APP，通知車主。系統設計框圖如圖1所示。

2 智能充電控制系統硬件設計

智能充電控制系統的整體硬件原理圖如圖2所示，下面對各個模塊進行具體介紹。

2.1 單片機模塊

系統采用高性能32位的STM32F103C8T6單片機作為系統核心處理器，該模塊主要負責整個充電過程的控制與協調，具備強大的數據處理能力[3]。通過實時時鐘（RTC）功能，能夠精確追蹤充電時間和計費。此外，STM32單片機的中斷處理能力和故障診斷功能，使得系統能夠快速響應外部事件并及時識別異常狀態，保障充電安全[4]。STM32單片機實物圖如圖3所示。

2.2 RFID刷卡模塊

該模塊核心是RFID技術，它利用非接觸式技術進行IC卡的讀寫操作，包括卡片注冊、注銷和充值。RFID模塊與STM32單片機通過串行通信接口連接，確保數據傳輸的穩定性和可靠性。設計選用MFRC-522的RFID射頻IC卡感應模塊[5]。MFRC-522與MCU連接圖如圖4所示。

2.3 顯示模塊

顯示模塊它不僅顯示充電狀態，還實時更新充電計時和費用信息。在設計中，選用分辨率為12864的OLED顯示屏[6]。OLED12864引腳說明如表1所示，與單片機連接原理圖如圖5所示。

2.4 數據采集監測模塊

系統采用DS18B20數字溫度傳感器以及火光傳感器模塊，它能夠實時監測充電過程中的溫度及火情變化。該模塊設計包含智能算法，當檢測到異常高溫時，能夠立即觸發報警并切斷電源，以防止潛在的火災風險。這種安全措施大大提升了充電控制系統的可靠性。其中溫度傳感器原理圖如圖6所示。

2.5 按鍵模塊

該模塊設計中包含四個按鍵，分別是“設置”鍵（SW1）、“加”鍵（SW2）、“減”鍵（SW3）和“清零”鍵（SW4）。STM32單片機周期性地讀取與按鍵相連的IO口引腳狀態，如果檢測到某個引腳的狀態為低電平（0），則表示相應的按鍵被按下。圖7為按鍵模塊原理圖。

2.6 報警模塊

報警電路主要包括蜂鳴器，LED和三極管等，在溫度閾值和火光閾值高于設置閾值時燈亮起并觸發蜂鳴器發出警報。蜂鳴器的正極連接到3V3電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機的一個管腳通過一個與門來控制。報警電路設計圖如圖8所示。

2.7 無線通信模塊

設計采用ESP8266WIFI模塊，系統上電后，STM32 單片機通過USART2發送AT指令對其進行初始化配置，在配網之后，可以利用局域網將數據上傳到阿里云平臺上，方便新能源車主在實時在手機上查看充電信息，包括充電時間、充電電壓電流等。ESP8266 WiFi模塊原理圖如圖 9 所示。

2.8 電能計量模塊

電能計量模塊通過對充電過程中的三相電流以及充電電壓作為測量對象，根據智能測算方法，及時掌握新能源汽車當前的充電情況和充電狀態。

3 智能充電控制系統軟件設計

此次系統軟件設計主要工作流程為系統啟動時，執行初始化操作。其中ESP8266WIFI模塊串口初始化，DS18B20溫度傳感器、火光傳感器模塊初始化采集當前充電系統初始數據，并實時顯示在OLED顯示屏上；隨后，系統進入用戶認證階段，當用戶通過IC卡身份驗證成功后，用戶可自主選擇適宜的充電模式；充電執行階段，實時監控充電狀態，確保充電安全；若出現異常情況，會立即觸發報警模塊進行聲光報警，同時繼電器切斷電源，停止充電；在充電過程中，車主可隨時打開手機APP查看充電實時數據。系統軟件流程圖如圖10所示。

4 調試及結果

系統完成硬件電路焊接后，經過調試，確保各個組件在獨立環境下能夠正常工作。實物測試如圖11所示。調試結果證明，該系統滿足設計要求，結果見表2所示。

5 結論

文章通過對新能源技術與單片機技術的深入研究與分析，設計了一款具有車主IC刷卡身份識別，溫度火光異常情況監測，實時顯示充電狀態，無線通信以及故障報警功能為一體的智能化充電控制系統。主要從系統方案設計、硬件設計、軟件設計三個方面進行展開敘述；最后通過軟硬件聯調、實物測試完成了整個系統的功能驗證，確保了整個設計的完整性、可靠性和安全性。該系統采用高性能單片機進行核心控制，通過IC刷卡及手機APP實現用戶交互?？傮w上，該設計降低了成本，增強了用戶體驗，有望在未來新能源汽車領域發揮重要作用，促進能源結構優化和環境可持續發展。

基金項目：1.西安交通工程學院2024年大學生創新訓練計劃項目《“智慧出行 低碳節能”--智慧城市軌道交通下的智能充電樁與新能源汽車充電需求的匹配與優化設計研究”》資助（項目編號：2024DC32）；2.西安交通工程學院2024年度科學研究重點項目《“新基建+雙碳”背景下的新能源汽車充電智能化綜合管理平臺應用研究》資助（項目編號：2024KY-07）。

參考文獻：

[1]何姚蕾，吳俊淵，陳勇玲.太陽能路燈結合充電樁的應用分析[J].科技與創新，2024（11）：185-187+190.

[2]秦蒙，范銳，趙娟，等.基于STM32單片機的太陽能自動跟蹤鋰電池充電系統設計[J].現代信息科技，2024，8（09）：34-38+42.

[3]王素芹.基于單片機控制的新能源汽車智能充電系統設計[J].中國新技術新產品，2023（10）：25-28.

[4]胡真，汪盼.基于單片機的智能充電系統的設計[J].現代信息科技，2022，6（10）：42-45.

[5]吳桂才，黃鷺.基于單片機的鋰電池智能充電監控設計[J].機電工程技術，2022，51（01）：151-153+233.

[6]時盟.電動汽車智能充電樁控制系統研究[D].徐州：中國礦業大學，2020.