基于STM32的充电桩电压电流测量方法

翟宇毅，靳绍华，刘韵佳，丁仔航

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444)

0 引言

随着新能源车行业的发展，消费者越来越了解和接受电动车以及充电的方式，行业自身也在朝着更好的方向发展，但是电动汽车充电桩依然存在实时电压电流测量[1]不准确等诸多问题。根据国务院办公厅2015年9月29日实施并印发的《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》[2]，到2020年，基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足超过500万辆电动汽车的充电需求，按照1∶4的比例，即需要125万充电桩，这高于现有充电桩数量的4倍。显然我国现在还需要大量充电桩投入运营才能满足新能源汽车的充电需求。国内外相关研究人员在这方面做了深入的研究，提出基波和谐波的电能表技术方案，并且已经应用到了实际的电能计量[3]当中。但是这种通用的计量方式在交流充电桩的电能计量方式中却无法适用，因为像电动汽车这种带有冲击性、强时变性等非线性负载产生的不平稳信号无法用谐波模型来准确描述。总结为现有交流充电桩电能计量中存在运算速度慢、计量不精确等缺陷。

针对电动汽车充电桩[4-6]输入电压与输入电流实时测量较难的问题，参考相关国家标准[7],在硬件上通过有源滤波电路,设计了基于STM32的电压、电流采样硬件电路[8]以及数字滤波算法。通过实验,验证上述方法在交流充电桩输入电压与电流实时采集数据过程中，能否有效地解决在随机扰动情况下交流充电桩电压电流实时测量不准确的问题。

1 充电桩系统设计

图1 充电桩硬件组成框图

所研究充电桩是由硬件系统和软件系统组成的，主控制芯片选择STM32F103ZET6，这款芯片采用基于ARM-V7结构的Cortex-M3内核，可在中断中嵌套，成本低，功耗低，具有相当强的处理能力，适用于电动汽车充电桩控制系统中。其次充电桩要实现充电控制、电压电流数据监测、显示和通讯等功能，因此，按照功能需求搭载了基于STM32的充电桩电路板，如图1所示。在充电桩硬件系统上设计了电压电流采样电路，电源电路和USB通信电路等；软件上采用ADC采样算法，数字滤波算法和计算电压电流的均方根求法。

1.1 硬件滤波采样电路设计

首先充电桩电压电流测量的硬件电路由滤波电路、采样电路组成。滤波电路又称为滤波器，是一种选频电路，能够使特定频率范围的信号通过，而使其他频率的信号极大衰减即阻止其通过。

由于实验输入的是电压220 V、频率50 Hz的交流市电，故选择一阶有源低通滤波电路(如图2所示)较为符合电压电流滤波电路的设计方向。

图2 一阶有源低通滤波电路

其次STM32F103的ADC多达18个通道，选择外部通道ADC_IN10和ADC_IN11。ADC 的电压输入范围(VREF-，VREF+)，由VREF-、VREF+、VDDA、VSSA这4个外部引脚决定。由于设计原理图时把VSSA和VREF-接地，把VREF+和VDDA接3.3 V，得到ADC的输入电压范围为0～3.3 V。为满足采样电压区间，由经验公式以及实际测试确定电压电流采样电路中有源滤波器电阻R21=51 kΩ、R22=10 kΩ、R31=51 kΩ、R34=18 kΩ。

综合分析并且对比以往的一阶有源低通滤波电路和ADC采样电路，结合上述理论分别设计了如图3和图4所示的一阶电压电流有源低通滤波采样电路。

图3 电流一阶有源低通滤波采样电路

图4 电压一阶有源低通滤波采样电路

1.2 辅助电路设计

3.3 V采样电源电路设计：最常用的是AMS1117-3.3 V，该芯片采用SOT-23封装，输出电压浮动范围在1%以内，完全满足STM32的供电需求。因此选择该芯片，电路如图5所示。

图5 3.3 V采样电源电路

USB串口通信电路设计：USB串口调试是实验数据采样的一种重要软件工具。硬件方面涉及到了CH340的电路设计以及芯片选型，由于CH340芯片通过USB转换出来的TTL串口输出和输入电压是根据芯片供电电压自适应的。因此在实际使用的时候，串口连接到的对端设备需要注意电压匹配的问题。其中在5 V供电模式下，是可以与3.3 V系统兼容的，反过来则不可以，如果CH340是3.3 V供电，那么不可以接5 V系统，会损坏芯片。

由于STM32主控电路板具有5 V和上述3.3 V电源供电，因此设计时确认好对端串口电平范围，然后决定CH340工作在3.3 V或者5 V工作模式。在电路设计原理上，5 V供电时芯片V3引脚需要接一个104电容到地，3.3 V供电时直接将V3脚与3.3 V电源引脚短接。综合分析最终设计电路如图6所示。

图6 USB串口调试电路

2 数字滤波及采样计算方法

2.1 数字滤波

在仪表自动化工作中,经常需要对大量的数据进行处理,这些数据往往是一个时间序列或空间序列,这时常会用到数字滤波技术对数据进行预处理。数据采样是一种通过间接方法取得事物状态的技术,如将事物的温度、压力、流量等属性通过一定的转换技术将其转换为电信号,然后再将电信号转换为数字化的数据。在多次转换中造成采样数据中掺杂少量的噪声数据,影响了最终数据的准确性。为了防止噪声对数据结果的影响,除了采用更加科学的采样技术外,还要采用一些必要的技术手段对原始数据进行整理、统计,数字滤波技术是最基本的处理方法,它可以剔除数据中的噪声,提高数据的代表性。

首先为消除或减弱外界干扰，提高系统的测量精度和可靠性，通过软件滤波的方法即数字滤波算法对测量数据进行处理。考虑到采用数字滤波算法来实现动态的RC滤波，能够很好地克服模拟滤波器的缺点，其对于周期干扰有良好的抑制作用，同时比较节省RAM空间。因此采用一阶低通滤波算法。

一阶低通滤波的算法公式为

Y(n)=αX(n)+(1-α)Y(n-1)

(1)

式中：α为滤波系数；X(n)为本次采样值；Y(n-1)为上次滤波输出值；Y(n)为本次滤波输出值。

一阶低通滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值加权，得到有效滤波值，使输出对输入有反馈作用。

2.2 采样计算方法

在使用STM32的ADC进行检测电压时必会涉及到电压值的计算，为更高效率地获取电压，采用以下方法。

实验得到结果是当前A/D引脚上电压值相对于3.3 V和4 096转换成的数字。假如得到的A/D结果为Vs个变量,他们存在关系为

Vs/V1=4 096/3 300

式中V1为当前电压值，mV。

采样计算方法为正弦信号均方根值求法。

rms=(Vpp/2)/sqrt(2)

(2)

式中：rms为均方根值；Vpp为峰峰值。

实验算法计算式：

Vrms={sigma[(Vs-Vdc)2/N]}0.5

(3)

式中：Vrms为有效值；Vs为A/D采样值；Vdc为直流分量；N为采样个数(实验中N=10)，也是sigma的次数；sigma(Vs-Vdc)2为将每个采样值减去直流分量之后进行平方运算。

3 实验平台及实验

实验平台选用基于STM32的交流充电桩电路板。实验方式为经变压器作为输入端为电路板提供稳定的电压220 V AC；负载功率60 W作为输出端以便检测实时电流；数字示波器实时监控采样电压、电流的波形和参数；计算机作为辅助端烧写算法并记录采样数据。具体参考图7，实验参数见表1。

图7 实验平台框图

表1 实验参数表

本次实验分为2部分：

(1)硬件电路的滤波实验，验证一阶有源低通滤波电路可行性，为下一步实验提供基础；

(2)硬件电路结合数字滤波实验，验证所提电压电流测量方法的可行性。

实验(1)，经示波器得到了硬件滤波前后采样电压正弦波形，如图8、图9所示。

图8 硬件电路滤波前电压波形

图9 硬件电路滤波后电压波形

分析实验(1)波形，硬件电路未加入一阶有源低通滤波电路时，实验得到的采样电压电流正弦波形噪声异常明显；当硬件电路加入一阶有源低通滤波电路后，实验采样电压电流波形去噪效果良好。

实验(2)，由串口助手软件输出数字滤波前后的采样电压数据，如表2、表3所示。

表2 数字滤波前5组采样电压数据表 mV

表3 数字滤波后5组采样电压数据表 mV

最后经LabVIEW处理分别得到数字滤波前后的正弦波形图，如图10、图11所示。

图10 数字滤波前电压波形

图11 数字滤波后电压波形

分析实验(2)的数据及波形，由于外部环境偶然因素引起突变性扰动或充电桩系统内部不稳定引起误差等造成干扰，经过硬件电路滤波但未经数字滤波其采样波形(如图10所示)存在毛刺，扰动幅度大。经过硬件电路和数字滤波处理后的波形(如图11所示)达到了抗干扰的效果，其波形光滑平稳，无毛刺。

总结实验(1)和实验(2)，可以看到设计的硬件一阶有源低通滤波电路和数字滤波采样方法达到了预期的效果，证明了其在充电桩电压电流测量中可行性。

4 结束语

通过上述理论分析与实验验证，得到了如下结论：设计的电压、电流一阶有源低通滤波采样电路在进行数据采样时降噪明显，精度较高，可满足充电桩测量电压电流的要求；同时采用的一阶滤波算法和采样方法可以有效过滤杂波、剔除毛刺等无效数据。

综上，本文提出的基于STM32充电桩电压电流实时测量方法是可行的，能够为现有充电桩电压电流的实时测量不准确问题提供一种解决方法。