基于STM32的智能共享电动车充电装置

杨晓伟，张晓芃，姚连达

（山东科技大学，山东 济南 250000）

0 引 言

近年来，全国各地市火灾事件频繁发生。由火灾等事故造成的财产和公共设施建设等损失不计其数。火灾事件中有相当一部分比例是居民在家使用电动车充电装置不当而引发的。随着人们生活水平的日益提高，机动车的代步出行成为当今时代的主流方式，但越来越多的环境污染问题也接踵而至，机动车尾气排放量超标的整治成为一大重点难题。因此，为了提高城区环境质量、优化城市生活环境，以电动车为代表的新一代节能与环保的智能共享电动车未来将是我国乃至全球发展的一个趋势。研究一款现代化的智能共享电动车充电装置系统，将其安装于小区、单位或公共停车棚，对车主自主选择随时给电动自行车充电、城市环境问题的缓解和综合治理以及电动车的普及发展等均具有良好的实际意义和实用价值。

1 实现技术

1.1 光伏电能的存储与变换

对于智能共享电动车充电装置的电源存储问题，拟采用光伏电能进行存储。其实现的基本思想为采用交-交电流变换器（即矩阵变换器）实现DC-AC的电路转换，并在改变换器的输入端IN和输出端OUT设置LC滤波器，从而增强电路的抗干扰能力。矩阵变换器的输入侧和输出侧均采用较小的LC滤波器，变压器工作在高频状态，主电路的双向开关由IGBT和二极管组成[1]。

1.2 稳压电源系统设计

对智能共享电动车充电装置稳压电源系统的设计拟采用STM32F103RBT6单片机作为核心部件。基于STM32F103RBT6单片机实现电源系统的整体设计，进而进行智能充电装置各个子模块的详细功能控制。基于此，其基本实现思想为在每一个VDD和VSS之间接一个100 nF的高频瓷介去耦电容。VDD与VDDA由同一个电源供电。此外，为了提高模数转换器的精度，连接位置需要尽量靠近芯片。VBAT接3.3 V电池，作为备用电源接口。VBAT的作用是保证RTC的正常运作，维系后备寄存器数据的内容储备。

1.3 光伏发电电路设计

针对于智能共享电动车充电装置的光伏发电电路设计，在章节1.1中已经简单介绍了矩阵转换器的工作原理，其电能采集装置的设计拟采用光伏电源采集系统，而本文所设计的光伏电源采集系统主要选用太阳能发电装置采集电能，其发电装置主要包括矩阵变换器DC-AC、光伏电池阵列、基于STM32F103RBT6的稳态控制电路以及基于此设计的驱动电路和信号采集电路。光伏系统原理如图1所示。该装置中的光伏阵列将收集的电子信号信息进行A/D转换器后在微处理器部分进行内核计算，计算算法拟采用最优梯度算法来确定PWM模块脉冲宽度。输出PWM脉冲信号后，在驱动电路模块进行电流的驱动运输以及MOSFET驱动开关内的导通和关断，实现整个驱动模块的整体衔接，保证光伏系统的整体有效运行。

图1 光伏系统原理图

1.4 储能蓄电池充放电电路设计

在智能共享电动车充电装置的储能蓄电池充放电的电路设计中，其储能装置通过双向DC-DC变换器调控采集的能量，使得电能可以双向流动。双向DC-DC变换器是实现储能电池充放电的主要功能装置，通过双向DC-DC变换器可以实现储能蓄电池组和直流母线之间的能量流动，达到局部储能蓄电池和整体光伏电源系统的协同运作。

1.5 DC-DC变换器的工作原理

太阳能充电站电池中具有48 V的端电压和400 V的中间电路电压。由于这两个电压之间的差异相对较大，导致输出电压不稳定，因此需要隔离的双向DC-DC转换器。电路中的变压器可防止噪声，IGBT全局电路的开关电路比MOSFET更好地满足了设计系统的要求。通过调节控制信号的相位偏差可以实现软开关，双向DC-DC转换器的IGBT开关过程会产生循环能量，对于相移控制可用于实现零电压，减少传输过程中的功率损耗以及提高IGBT的开关速度。相移控制过程就是实现软开关，并且充放电的能量传递一致，开关平稳，以保证充电和放电之间的功率传递是恒定的[2]。

1.6 定时充电系统设计

共享电动车的驱动能源来自蓄电池，当蓄电池的电量低时，则要通过充电器对蓄电池进行电量补充。然而，蓄电池使用时间较长后质量有所下降。在充电过程中，可能出现“充不满”现象，由蓄电池温度过高导致安全隐患。本装置主要在不改变电动车充电器电路结构的情况下为其增加定时装置，可同时为多台电动自行车充电。既可以输出直流电直接为电池充电，也可以输出220 V交流电由用户充电器充电。通过设置可以按时间充电也可以按充电量充电，以便“充到规定时间”即关闭充电器的工作电源，防止因蓄电池过热造成安全隐患。这需要一套完善的测控系统，既可以实现不同充电方式的选择与控制，又可以实现对功率电源部分的保护与控制[3]。定时充电系统设计如图2所示。

本项目设计的定时装置能启动定时装置、关闭定时装置、设定“定时时间”以及显示“定时时间”（含“已充电时间”和“剩余充电时间”）。此外，定时精度高且能以讯响的方式提示开关机或其他报警。

图2 定时充电系统设计

定时充电系统结构包括处理器、电源、时间设定、定时启/停控制、讯响报警、时间显示以及继电器等功能电路[4]。

2 共享电动车智能充电服务系统总体设计

共享充电装置的盛行普及，除硬件支持外还需要软件服务的支撑。因此，对于智能共享电动车充电装置需要使用软件服务进行运营管理。依照共享充电装置系统的特点，依托系统中移动端APP与充电桩产生的信息资源，来构建延伸至充电桩内部的数据采集网络，依照客户人群的需求搭建基于充电桩装置的服务系统，并提供资源共享、灵活互动、管控有力的共享电动车充电服务与管理手段从而开发出合适的APP，使软件更加简易化和便捷化。

2.1 系统逻辑架构设计

共享电动车智能充电服务系统由智能自助充电云服务器、智能充电桩系统以及手机客户端系统三大部分组成。各子系统分别面向不同的业务层及对象完成系统赋予它们的任务。系统物理结构如图3所示。

图3 系统物理结构

2.2 云端服务器架构设计

数据服务层用于满足目前和未来的业务应用需求，采用对外发布服务接口和提供web服务两种方式实现。移动终端APP基于业务应用层统一服务接口实现用户与云终端的互操作具体逻辑功能及业务流程分层。

2.3 智能充电手机客户端APP设计

对于该系统的客户端设计，作为共享充电装置系统的重要前端，客户端的设计是人机交互的重要媒介，是客户群体使用参与该服务的主流接口。拟采用的系统APP使用C/S体系进行前端结构的系统设计，通过JAVA语言进行编程，为后台业务逻辑处理提供基本保证。APP并不与充电桩直接相连，而是通过系统服务器进行指令的处理和管控。其优点在于云服务器端可提供精确的地图导航和定位服务等功能，实现不同区域和不同时间段内各个充电装置的协同运作，保障共享充电装置数据更新的实时性。APP提供充电桩状态显示、充电业务预约、充电状态查询、客户用户账户余额以及用户信息等各类相关业务的查询控制功能。系统功能结构如图4所示。

3 结 论

图4 系统功能结构图

随着交通运输业的转型，智能电动车为在整体发电结构中引入更高比例的可再生能源提供了一个切实可行的机会。由于人们中短距离出行日益增加，电动车充电相比较于汽车而拥有更小电力需求，故通过可再生能源来实现共享电动车的充电更为便捷、简易以及环保。本文所述的智能共享电动自行车充电装置采用光伏电能的存储与变换、光伏发电电路、储能蓄电池充放电电路、定时充电系统、云端服务器架构等模块实现了增强的电路抗干扰能力，更高的模数转换器的精度，实现了整个驱动模块的整体衔接，达到局部储能蓄电池和整体光伏电源系统的协同运作。同时，采用的大数据人工智能平台也可实时监控充电状态，确保不会因为过度充电或电压过强导致电瓶损坏引起火灾，也可为事故发生后的火灾事故调查提供科学的依据。