电动汽车直流充电桩控制系统的设计与实现

陆濛洲1，罗印升2，宋伟2

（ 1．江苏理工学院机械工程学院，江苏常州，213001；2．江苏理工学院电气信息工程学院，江苏常州，213001）

摘 要：文章针对电动汽车直流充电桩输出功率大、充电时间短、充电效率高的特点，在分析了直流充电桩的系统结构和工作原理后，设计了一种以STM32处理器为核心的控制系统，结合硬件电路与软件程序的设计，实现了充电过程控制管理、充电过程故障报警及数据通信与交易结算等功能。最后经过实际应用测试，表明该控制系统能够实现对电动汽车的快速充电，具有良好的安全稳定性。

关键词：电动汽车；直流充电桩；STM32；控制系统

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：2095-8595 (2017) 04-101-007电子科学技术 URL: http//www.china-est.com.cn DOI: 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.04.024

The Design and Implementation of Control System for Electric Vehicle

Direct Current Charging Spot

Mengzhou Lu1, Yinsheng Luo2, Wei Song2

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou, Jiangsu ,213001, China;2.School of Electrical Information Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou, Jiangsu, 213001, China)

Abstract: In this paper, due to the large output power, short charging time and high charging efficiency

of the DC charging spot in electric vehicles. After analyzing the system structure and working principle of DC charging spot of electric vehicle,the paper proposed and designed a core of control system based on STM32 processor. Combination of the hardware circuit and software program design, achieving the functions of charging process control management, charging process failure alarm, data communication and transaction settlement.Finally,through the practical application of the test, indicating that the control system can achieve rapid charging of electric vehicles, with good security and stability.

Key words: Electric Vehicle; DC Charging Spot; STM32; Control System

引言

随着我国汽车保有量不断攀升，汽车尾气排放成为环境污染的元凶[1]。电动汽车成为了新能源时代的重点发展对象，随之充电基础设施也蓬勃发展开来。国外的电动汽车发展已经比较成熟，如美国特斯拉电动汽车的充电技术使其充足一半电量只需20min，一辆具有60kW电池组的电动汽车可续航368km[2]；欧洲

101的宝马、奔驰、雪铁龙等公司都在加速研制新一代的电动汽车及其新式无线充电技术；日本的丰田公司研制纯电动汽车和混合动力汽车的经验丰富，而日产公司具有锂离子电池的优势[3,4]。国内虽然起步较晚，但发展速度强劲，预计到2020年，全国电动汽车保有量将超过500万辆，新增集中式充换电站超过1.2万座、分散式充电桩超过480万个[5]。

现今电动汽车蓄电池的充电模式主要有常规充

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电、快速充电、无线充电和更换电池[6]。常规充电采用220V或380V交流电作为充电电源，以小电流恒流方式进行充电，充电周期在8小时以上。由于其充电时间过长，越来越难以满足用户的使用需求。快速充电是将380V的三相交流电转变为大电流的直流电，再对车辆进行充电。一般充电十几分钟即可充入70%～80%电量，满足了用户即充即走，方便快捷的需求。无线充电利用交变电磁场的电磁感应来实现电能的无线传输。其虽有着布置灵活、成本低廉的特点，但相对于有线传输而言，它的充电效率并不太高，同时还存在电磁兼容、电气标准等问题。更换电池是将已经充满电的电池替换电动汽车已耗尽电量的动力电池。虽然这种方法似乎简单可行，无需额外的充电设备，但对电池的标准化要求高，同时还需要用于存放和换下动力电池的设施，成本较高[7-9]。总体来说，随着电动汽车数量的不断增加，研究开发能够满足用户快速充电的装置不仅可以节约成本，同时也是绿色环保可持续发展势态下形成的一种必然趋势。

本文主要以STM32微处理器为核心，开发设计了能够实现快速充电、结算准确的直流充电桩控制系统，完成充电桩主控单元最小系统、电源转换电路及数据存储电路的搭建，同时对充电控制程序进行设计开发。最后，整合软硬件系统模块，组装调试，实现充电及结算功能。本设计方案的实现对于充电设施的推广也有着重要的现实意义。

1 硬件系统的组成

本文所涉及的直流充电桩系统采用模块化设计方案，主要由输入控制部分、中央控制部分和输出控制部分组成[10,11]。其中输入控制部分的充电模块与中央控制部分的主控制单元通过CAN接口进行通信连接，实现对电动汽车动力电池充放电工作。由RS485串口实现中央控制部分的主控板和三相智能电表通信，实现电能的计量和电压电流等数据的采集功能。另外输入控制部分还包括了电气防护等功能。中央控制部分主要实现的是系统检测、数据通信、人机交互、计费管理及故障检测等功能；输出控制部分则是实现了充电电缆的连接确认、控制导引与电动汽车动力电池组的通信连接[12]。直流充电桩硬件构成如图1所示。

硬件系统以嵌入式微处理器STM32F103ZET6作为主控制核心，该主控芯片是ST（意法半导体）公司生产的一款采用ARM-V7结构，Cortex-M3内核的系列芯片产品[13,14]。内部集成了3个12位的数模转换器，数模转换时间仅需1μs，外设接口丰富，有着13个通信接口，包括了常用的I2C、SPI、USART等接口及CAN总线接口和USB接口等。同时该主控芯片还拥有112个快速I/O端口，方便扩展自己的外设功能。STM32F103ZET6是STM32F103系列中配置比较强大的处理芯片，适用于汽车的控制系统中[15]。

如图1所示，三相电表与主控制单元通过485接

图1 直流充电桩硬件组成图

102陆濛洲等：电动汽车直流充电桩控制系统的设计与实现口进行数据信息通信，完成对充电电压及电流的采集读取，并进行电量计量计费工作。空气断路器、漏电保护器和电涌保护器构成了电气保护回路，保证了充电桩工作使用的安全稳定。RFID射频读卡器与STM32微处理单元之间通过RS232串口实现了充电交易信息结算等功能，并将相关结算信息反映到LCD显示屏上。直流充电模块通过工业串行总线中控制器局域网络技术（Controller Area Network），即CAN现场总线技术与中央控制部分中的主控制单元进行通信工作，由主控制单元来控制充电模块对电动汽车动力电池进行充电工作，同时充电模块将不断采集到的电压、电流和充电电量情况反馈到主控制单元，由其来判断是否完成充电工作，从而对动力电池停止充电，防止出现过充等危险现象[16]。

输出控制部分主要是将经过AC/DC和DC/DC变化后的可调直流电充入电动汽车充电口，从而对电动汽车的动力电池组进行充电。对应于电动汽车充电插口，在直流充电桩上也配备有充电枪头，其9个接触点对应于上面图1中输出控制部分的圈中内容。中央控制部分中的连接确认电路和控制导引电路用于实现直流充电桩充电枪头与汽车充电口的连接确认和充电过程控制导引功能。

2 硬件电路的设计

2.1 STM32F103最小系统设计

该直流充电桩最小系统主要是由晶振、电源、

图2 最小系统主电路

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基准源、复位电路和SWD下载口等组成。具体的最小系统电路图如图2和图3所示。

由图2可知，该最小系统主电路上包含了晶振电路和基准源电路，电源供电电压为3.3V。该最小系统主电路中晶振电路主要是为芯片工作提供时钟信号[17]，采用外接一个8MHz的无源晶振，同时并联1个阻值为1MΩ的反馈电阻使其处于更良好的工作条件。由于晶振上电启动后会振荡产生脉冲波形，但往往在主波形中还掺杂有谐波，影响主控系统的工作稳定性，因此在无源晶振的两侧还需要加两个负载电容，将其谐波过滤，起到并联谐振作用，一般选用范围为10～40pF，这里选择两个22pF的电容与晶振及电阻相并联构成了晶振电路。VDDA是为所有模拟电路部分供电，包括ADC模块和复位电路等，基准源电路中在VDDA引脚与3.3V电源电压间并联了两个滤波电容，用于滤除电源的高频谐波，使其输入电源尽可能地纯净些，提高系统工作的稳定性。

充电，直至电容电压上升为高电平，主控芯片开始正常工作。

2.2 电源稳压电路设计

对于单片机系统来说，不同功能模块之间的电源电压各不相同，由于主控芯片STM32F103工作电压范围为2.0～3.6V之间[19]，正常工作电压为3.3V。本文所涉及的外部供电主要靠开关电源模块实现，该模块拥有5V和12V两种规格，所以要驱动主控芯片正常工作就需要设计专门的5V转3.3V电路。电路原理图如下图4所示。

图4 电源稳压电路原理图

该电路中采用AMS1117线性稳压芯片进行5V转3.3V转换工作，它具有成本低、噪音低、静态电流小等特点。AMS1117线性稳压器与普通的78系列线性稳压器或LM317线性稳压器具有相同的工作原理，都是通过对输出电压采样，然后反馈到调节

图3 SWD下载电路和复位电路

电路去调节输出级调整管的阻抗，当输出电压偏低时，就调节输出级的阻抗变小从而减小调整管的压降，当输出电压偏高时，就调节输出级的阻抗变大从而增大调整管的压降，这样就维持了输出电压的稳定。

相比较而言，ASM1117线性稳压器和78系列稳压器的最大差别主要在于它的最小饱和压降（即失稳电压）较小，只有1.1～1.3V，而78系列稳压器的失稳电压为2～3V，因此在输出电压相同情况下ASM1117可以工作在较低的输入工作电压下[20]。以ASM1117-3.3为例，它的最低工作电压是4.4～4.8V，而LM317输出3.3V电压时要求最低输入电压为5.3～6.3V。利用该系列线性稳压器件刚好可以将外置开关电源5V转成为主控芯片供电工作的3.3V直流电。

在ASM1117线性稳压器的两端外接4个贴片电容，其数值分别为10μF与0.1μF，起到了高频滤波作用，减小输出电压纹波并抑制ASM1117的自激振荡。在5V～3.3V稳压电路输出端还串联了滤波电感

104在编写完主控制系统程序代码后，都是通过数据线将程序烧录到主控板上进行物理调试，一般常用JTAG和SWD接口模式进行下载调试[18]。JTAG下载口在下载数据较大的情况下可能会出现下载程序失败现象，同时所需的接口引脚也较多。对于体积有限的主控板来说，在下载数据量一样的情况下，使用SWD下载口不仅很少会出现下载失败的现象，同时相比JTAG14或20针标准接口，采用更少的引脚如图3左图所示VCC电源、时钟线、数据线与接地线4引脚也能够下载程序进行仿真调试，为主控制板节省多余空间来增加新的功能模块。STM32F103VET6主控单元为低电平复位有效，在系统上电复位时，芯片必须有足够的时间进行初始化操作，在此期间，RESET端必须保持低电平。复位电路就是利用电容电压不会突变的性质，开机后电容电压为零，芯片复位，随即供电电源通过R3上拉电阻向电容C1

陆濛洲等：电动汽车直流充电桩控制系统的设计与实现和自恢复保险丝，加上滤波电感的作用在于阻隔高频谐波干扰，降低自身功耗，串联一个1A的自恢复保险丝，主要是为防止输出电流过大而损毁主芯片，从而影响整个系统的正常工作。

RFID射频识别技术实现用户信息正确读取及交易结算确认。充电模式选择部分主要分为自动充电、按电量充、按时间充和按金额充四种模式，用户可以通过人机交互屏来选择所需充电方式进行对电动汽车的充电服务。充电过程实时监测部分是对充电过程中充电桩各功能模块间进行数据采集和监测，以应对突发状态，能够及时保护充电设备和待充设备的安全。系统程序流程图如图6所示。

2.3 存储电路设计

本文直流充电桩控制系统选用FM31256铁电存储芯片来保存用户充电使用过程中的消费信息及账号相关信息。该芯片内部包含有256kb的非易失性存储器，可无限读/写数据，当用户充电完成后，结算金额成功后即可清除该次充电信息，腾出存储空间为下次充电使用作准备；如未能结算成功，则在下次用户使用该充电桩时，将已预扣除的金额退还给用户。

具体存储电路原理如上图5所示，由于该存储器接口类型为I2C接口，存储器的读/写以及其他控制功能都是通过工业标准的I2C总线来实现。当系统传输数据时，由3.3V电源向铁电芯片供电，数据线（SDA）和时钟线（SCL）与VCC3.3V之间加上10KΩ的上拉电阻以提高总线抗电磁干扰能力。在芯片外围还需外接一个32.768kHz的无源晶振，实时提供时间和日期信息[21]。

4 实际应用与测试

在经过前期硬件电路设计及软件控制程序搭建后，利用Altium Designer软件绘制电路原理图并生成PCB板外送加工并进行硬件电路元器件的焊接调试。直流充电桩主控单元控制板实物图如图7所示，即直流充电桩中最核心的单元—控制处理单元。通过Keil μVision 5程序开发软件编写充电桩控制系统程序代码，并将程序下载至核心板内，进行实际充电控制功能的测试[22,23]。

在实际应用测试时，给系统上电后程序进入初始化阶段，经过通信检测后即进入如图8（a）所示的欢迎界面。通过设置在LCD屏下的按键可进入充电模式选择单元。当出现通信自检出错时，充电桩上的灯带就会闪烁，同时LCD界面出现如图8（b）所示界面，提醒用户该充电桩通信有误，现在无法正常工作，需经维修人员进行检查维修。经过不断调试和修改优化控制系统主程序代码，最终实现了充电桩控制系统的充电控制和交易结算功能。图8（c）所示为充电界面显示，图8（d）为充电完成显示界面，包含有电量、充电金额及充电时间等相关

3 软件程序设计

本文所涉及到的直流充电桩控制系统软件程序部分主要由系统初始化、通信检测、用户信息识别、系统连接确认、充电模式选择和充电过程实时监测等部分组成。其中，用户信息识别部分利用

图5 FM31256铁电存储电路原理图

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开始充电模式选择初始化启动充电模式判断通信连接是否正常？否充电过程实时监测是进入用户刷卡界面显示电量、电压、电流信息判断用户验证是否通过？否是显示卡号和金额判断充电是否完成？否是进入结算界面连接充电电缆判断是否结算成功？否否判断是否正确连接充电枪头？是是结束服务返回初始界面图6 系统程序流程图

（a） 初始欢迎界面（b） 通信故障报警界面

图7 主控制板实物图

信息。

（c） 正在充电界面（d） 充电完成界面

图8 LCD界面

制功能。受时间、场地、设备及自身能力等因素的

5 总结与展望

本文设计了以STM32F103为主控芯片的电动汽车直流充电桩控制系统，通过对硬件电路和软件程序的搭建设计，开发并实现了预定的直流充电控

106影响，一些相关的研究工作还不是很完善，如对硬件保护电路做进一步的优化设计可以减少安全投入成本；通过优化程序设计，提高直流充电桩对电动汽车动力电池的充电效率；设计更为人性化的充电操作界面，以方便用户使用。本文通过对直流充电

陆濛洲等：电动汽车直流充电桩控制系统的设计与实现桩的功能分析和设计，搭建充电桩控制系统的软硬件模型框架，进行了实际应用与检测，对于电动汽车充电设备的研发及基础设施建设具有一定的参考意义。基金项目

江苏理工学院研究生创新计划项目（项目编号：20820111604）。参考文献

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作者简介：

陆濛洲（1990-），通信作者，硕士研究生，研究方向：智能设备运行与管理。

E-mail: 544030884@qq.com

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