电动汽车直流充电桩控制装置系统研究

西安航空职业技术学院 李蚩行

本文主要对电动汽车直流充电桩控制系统进行了研究，在对直流充电桩结构与原理进行分析的基础上，构建了一种控制系统设计方案。本设计基于STM32处理器实现对充电过程的控制管理，详细介绍了硬件构成及软件实现路径，在实现数据通信与交易结算功能的同时，能够对充电过程出现的故障及时发出报警提示信息。

日益严重的环境污染问题与能源危机促使汽车行业向节能环保方向发展，新能源技术得到快速发展和完善。作为新能源汽车的代表，电动汽车成为解决汽车行业能源问题与环境污染问题的重要手段，不断扩大的电动汽车的市场占有率对充电桩的使用需求不断提高，充电桩成为实现电动汽车普及应用的前提条件。实际设计开发直流充电桩系统属于工程应用，本文主要对电动汽车直流充电桩控制系统进行了研究和设计，以期为电动汽车充电设施的完善与推广应用提供支撑。

1 控制系统总体框架设计

现有的直流充电桩普遍存在充电时间短及输出功率大的特点，本文采用模块化设计方案设计了一种充电桩控制系统，并搭建了基于嵌入式微处理器STM32的主控单元（意法半导体公司生产）、电源转换、数据存储等主要功能模块，并设计开发了充电控制程序，通过组装调试软硬件模块实现了快速充电及准确的结算过程。本文所构建的控制系统总体框架如图1所示，中央控制模块主要负责完成同其他模块间的数据通信、人机交互、计费管理、检测系统运行情况等功能。硬件系统采用STM32F103ZET6作为控制核心，该主控芯片基于ARM-V7结构并采用Cortex-M3内核，具有快速I/O端口共112个，包含丰富的外设接口，通过3个12位数模转换器的有效集成实现了数模转换时间的有效缩短，设有包括13个通信接口，可根据实际需要便捷高效的扩展外设功能。STM32主控单元间使用RS232串口连接RFID射频读卡器，确保准确高效的实现充电交易信息结算等功能，最终在WinCE触摸显示屏上显示相关结算信息；直流充电模块通过CAN现场总线技术同STM32主控制单元完成通信过程，充电模块在主控制单元的控制下完成对电池的充电过程，充电模块及时向主控制单元反馈电压、电流、电量及充电情况等信息，由主控制单元据此判断充电是否完成，并在完成后停止充电，进而使过充等危险情况得以有效避免。可调直流电先经AC/DC和DC/DC变化，然后通过输出控制模块充入到汽车充电口，完成对动力电池组的充电工作，充电桩上配备连接汽车充电插口的充电枪头。

图1 控制系统总体架构示意图

2 系统硬件模块设计

2.1 STM32最小系统设计

该部分使用供电电压为3.3V的电源，主要由晶振、基准源、复位电路、下载口等构成，其中，晶振电路具体起到并联谐振作用，晶振电路通过外接和并联一个无源晶振和1个反馈电阻，提升电路的工作条件，考虑到上电启动晶振后会产生掺杂有谐波的脉冲波形，易影响主控系统的稳定性，将两个负载电容分别安置于无源晶振的两侧用于过滤产生的谐波。全部模拟电路部分均由基准源电路的VDDA引脚负责供电，模拟电路需能够将电源的高频谐波有效滤除掉，本文主要采用ADC模块和复位电路等完成电路设计，并在VDDA和3.3V电源间并联两个滤波电容，净化输入电源进而提高系统的稳定性。实际完成主控制系统程序代码的编写后，在主控板上烧录程序使用JTAG和SWD接口模式完成物理调试过程，下载数据较大时易导致JTAG下载口出现下载失败现象，下载数据量相同时，体积有限的主控板适合使用SWD下载口，在采用更少引脚的同时，可有效避免下载失败现象的出现，进而节省主控制板空间用于增加其他功能模块。主控制单元为低电平复位有效，系统上电后，主控单元芯片先进行初始化，通过复位电路复位主控芯片，电源随后向电容C1充电至其电压升为高电平，芯片开始工作。

2.2 电源稳压模块设计

主控芯片的工作电压在2～3.6V区间内，通常为3.3V，考虑到系统不同功能模块所使用到的电源电压不同，本文由开关电源模块负责为控制系统的外部供电，该模块电压规格包含5V和12V两种，因此设计了5V转3.3V电路，以满足主控芯片的电压需求、驱动器正常工作，具体选用性价比较高的线性稳压芯片AMS1117完成转换过程，该芯片具有噪音低、静态电流小等优势，ASM1117线性稳压器可工作在较低的输入电压下，5V的外置开关电源通过使用ASM1117系列线性稳压器件可高效的完成到3.3V直流电的转换，以供主控芯片工作使用。ASM1117线性稳压器先完成对输出电压样本的采集，然后反馈给调节电路由其调节输出级调整管的阻抗，通过增加或减小输出级的阻抗控制管压降的增加或减小，在此基础上确保输出电压的稳定；为减小输出电压纹波，有效实现高频滤波作用，需对稳压电路及线性稳压器进行处理，具体可在电路输出端串联5V～3.3V的滤波电感，可有效阻隔高频谐波的干扰，在稳压器两端外接4个贴片电容实现对自激振荡现象的有效抑制过程，同时达到降低自身功耗的目的，进而确保系统整体的正常稳定运行。

2.3 存储模块设计

为有效保存用户在充电过程中的相应消费及账号等信息，本文采用了可无限读/写数据的FM31256存储芯片完成控制系统的保存功能。该芯片包含非易失性存储器，存储器接口类型为I2C接口，用户结算完充电金额后，控制系统会及时清除充电信息，改充电桩进入到等待使用状态中；具体通过I2C总线实现读/写及其他控制功能，铁电芯片使用3.3V电源，为使总线抗电磁干扰能力得以有效提高，将10KΩ的上拉电阻添加到SDA和SCL与VCC3.3V间，在芯片外围连接一个提供时间信息的无源晶振。

3 直流充电桩控制系统软件设计

本文采用模块化编程方式设计系统软件，以确保软件系统的高效可靠，考虑到控制系统实际运行平台不同，系统软件的主要功能结构由两部分构成，WinCE 触摸显示模组负责完成充电信息的显示、电能计量、用户充电计费与结算、清单打印等功能，在该显示模组中编写人机交互程序，有效提升了系统的用户友好性。人机交互程序包括了从欢迎充电到最终刷卡结账的整个操作流程界面，无需用户事先掌握充电流程，按照界面显示信息即可完成；运行于STM32F103上的底层控制板程序负责完成对数据通信、充电电源电压与电流输出、充电状态、安全检测等的控制。

4 系统测试

为检测所搭建的系统硬件模块与软件控制程序的有效性，先绘制出系统具体电路原理图，据此生成PCB板，经外送加工得到相应的硬件电路元器件，然后通过焊接调试得到主控单元控制板实物图，软件程序代码采用KeilμVision完成后，下载到主控单元控制板中，用于测试系统的实际充电控制功能。系统启动后，软件程序先进行初始化，通信检测通过后跳转至欢迎界面，未通过则充电桩上的灯带会闪烁；通过选择显示屏下方的按键即可成功完成充电模式的选择，充电显示界面包括充电时间、电量、充电金额等信息，能够实现对汽车的快速充电过程，并表现出了良好的安全性和稳定性。通过在实际操作过程中不断修改与调试，最终实现了对充电桩的控制及准确便捷的交易结算过程，实验运行结果表明，该系统达到了预期的目标效果，具有一定的实际应用价值。

结束语：为实现预定的直流充电控制功能，本文根据电动汽车对直流充电桩功能的使用需求，主要完成了一种电动汽车直流充电桩控制系统的设计，构建了控制系统的总体框架，详细介绍了系统软硬件的设计与搭建过程，并通过实际应用与检测验证了该系统的可行性，为进一步完善充电设备的基础设施建设提供参考。由于在实际应用过程中会受到硬件设施、场地、设备等因素的影响，研究工作有待进一步完善，包括优化程序设计及充电操作界面、优化设计硬件保护电路等，在有效提高直流充电桩充电效率的同时，降低安全投入成本。