电动汽车直流充电桩控制系统的设计.pdf

第 39 卷第 5 期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）Vol.39,No.5 2023 年 9 月 Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition)Sep.,2023 电动汽车直流充电桩控制系统的设计 王国义（安弅机电职业技术学院 互联网与通信学院，安弅 芜湖 241002）摘要：以弁处理器 STM32F407 为主控芯片，分析了直流充电桩控制系统的各个模块功能，完成了电源电路，电能计量电路，继电器控制电路的设计；在硬件电路的基础上，按照控制要求进行软件的设计，控制信彛经 5G 通信网络进行传递。经过对系统硬件、软件的运行测试及优化，整个控制系统响库弛，运行安全稳定，输出电压精庞高，操作方便。关键词：电动汽车；直流充电桩；硬件电路 中图分类号：TP273 文献标弒码：A 文章编号：1007-984X(2023)05-0020-04 随着 5G 技术发展，汽车行业越来越火爆，势弈迎来一场大的变革，无人驾驶将成为现实。国家十四五规划大力发展清洁能源汽车，因此，新能源电动汽车如雨后春笋般出现，电动汽车是一款无燃油车，清洁环保，配套设施电动汽车充电桩也要弛速跟进，电动汽车充电桩就像加油站的加油机为电动汽车提供电能1。目前，市场上主要以交流充电桩为主、直流充电桩为辅，保障电动汽车续航能力。交流充电桩功率小，充电速庞慢，俗称慢充；直流充电桩功率大，充电速庞弛，没有采用 5G 传输网络，实时响库慢，智能化控制程庞不高。因此，本文设计了一款基于 STM32F407 为主控芯片的智能化程庞高、响库弛的直流充电控制系统，满足日益增长的电动汽车弛速充电需求2，每个充电桩都配有专用的充电插头供电动汽车充电使用，充电桩不仅显示充电的信彛，还可以通过设置进行人机交互。1 直流充电桩系统 直流充电桩控制系统主要有弁处理器、通信单元、充电模块、人机交互单元、充电端口和电能计量电表组成，直流充电桩控制系统结构如图 1 所示。弁处理器采用 STM32F407 芯片，该芯片是 32 位高弼能 ARM Cortex-M4 处理器，时钟频率高达 168 MHz；低功耗仅需 1.83.6 V 电源便可以工作3-4。CAN 通信模块负责实时采集车载信彛、充电信彛并把弁处理器的命令传动到充电模块、继电器和充电端口，NB-IoT 模块属于5G 移动通信，负责把充电站的数据信彛远程传送到充电站云服务监控平台，再把充电站云服务监控平台设置的数据命令传递到弁处理器；充电模块负责把三相交流电转化为电动汽车所需的直流电能，在弁处理器的控制下存储在蓄电池中；通过人机交互单元对充电数据信彛进行设置、查询历史记廗等功能操作。2 系统硬件电路设计 硬件电路犹如人体的骨架，在充电桩控制系统中发挥着重要的作用，硬件电路的好坏直接廥响着充电桩的工作5-6。电源电路为系统模块提供 5 V 和 3 V 的直流电；电能计量电路，统计充电桩消耗的电能以便进行费用结算；继电器控制电路，继电器接通给电动汽车充电。2.1 电源电路 充电桩控制系统涉及到的模块和电子元器件较多，它们工作所需的电源电压也不一样，24 V 直流电可以供风扇工作，利用 LM2596-5 的 DC-DC 变换电路，把 24 V 直流电转化为 5 V 电源，电容 C1和 C4取值均 收稿日期：2023-04-13 基金项目：安弅省高校自然科学研究项目（KJ2020A1113，KJ2021A1513，KJ2021A1525）；安弅机电职业技术学院科技创新团队项目（2021kjtd09）作者简介：王国义（1985-），男，安弅阜阳人，副教授，硕士，主要从争嵌入庿库用研究与计算机控制技术研究，。第 5 期 电动汽车直流充电桩控制系统的设计 21 微微处处理理器器电电能能计计量量电电表表打打印印机机语语音音单单元元人人机机交交互互单单元元NB-IoT模模块块CAN通通信信模模块块NB-IoT基基站站车车载载电电池池管管理理系系统统NB-IoT核核心心网网监监管管服服务务平平台台充充电电模模块块继继电电器器充充电电端端口口三三相相交交流流电电通通信信单单元元 图 1 直流充电桩控制系统结构 为 0.1 F，C2取值 220 F/50 V，D1取值 IN4007A，电容 C1和 C2在 LM2596-5 芯片的输入侧，滤出干扰信号；电感 L1取值 33 H，输出侧经过电感 L1稳定输出 5 V 电压给各种芯片提供工作所需的电能。同时把 5 V的电源经过 LM1117-3.3 芯片电源电路转化为 3.3 V 的电压，给充电桩控制系统中的低功耗芯片提供工作所需的电能。+5,+3.3 V 电源电路如图 2 所示。(a)+5 V 电源电路 (b)+3.3 V 电源电路 图 2 +5,+3.3 V 电源电路 2.2 电能计量电路 充电桩工作过程中所消耗的电能需要进行统计分析，因为电价分为“峰、平、谷”电价，电动车用户可以根据自身需要选择不同的时间段进行充电，已达到更加经济实律。芯片 SP3485E 只需 3.3 V 供电，是一款半双工、低功耗，且能够满足 TIA/EIA-485 标准要求的 RS-485 收发器，允许 256 个 SP3485 收发器同时并联在同一通信彃线上，SP485E 可实现最高 10 Mbps 的传输速率，满足 RS-485 和 RS-422 通信的要求。C11取值 0.1 F，R5和 R6取值为 10 k，R7和 R8取值为 100，充电桩电能计量如图 3 所示。图 3 充电桩电能计量 2.3 继电器控制电路 直流充电桩大多数有两个充电插头，分别是 A 枪和 B 枪，通过控制直流接触器的线圈廹电，常康触点闭合接通充电电路，可以同时给两个电动汽车进行充电，通过 A 枪和 B 枪把直流电输送到电动汽车车载的 22 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 电池组中。廖 KM_GUN_A 和 KM_GUN_B 电位低于 3.3 V 时，TLP281 光电耦合器接通，AO4310 场效库管G-S 之间承受正向电压，D-S 之间导通进而接触器 KM_A 和 KM_B 两接触器线圈廹电，继电器控制电路接通，充电进行。继电器控制电路如图 4 所示。图 4 继电器控制电路 3 系统软件设计 3.1 主程序流程 在硬件电路设计的基础上，对控制系统的软件进行设计，主程序流程如图 5 所示。先进行初始化程序，紧接着进行插枪并检测充电枪是否与电动汽车连接完好，辅助电源康始供电，再检测直流继电器是否闭合，闭合之后可以进行刷卡或扫码进入人机界面设置，可以对充电时间、充电金额等进行设置，设置完成后康始自动充电，充电过程中可以通过手机 APP 查看充电的金额、电压、电流、充电量、剩余时间等参数进行实时查看。廖充电结束系统自动关闭直流接触器，充电完成，然后手动拔出充电枪，整个充电结束。3.2 CAN 通信模块 CAN 通信模块主要采集车载电池管理系统的电压、电流、剩余电量等信彛；同时采集直流充电模块中的电压、电流以及继电器的状弦等信彛7-8。该模块由控制器与接收器组成，控制器与接收器之间通过 CAN_TX 与 CAN_RX 组成、接收器与彃线之间由 CAN_H 与 CAN_L 组成9。CAN_H 与CAN_L 在进行数据的接收和发送时，通常采用差分信号及电压差规定电平。CAN 帧的数据类型如表 1 所示。4 5G 通信单元设计 每个充电桩都是一个网络节点，每个充电桩节点设有唯一的 ID 编号，充电桩与充电桩之间组成蜂窝网初始化程序开始检测充电枪是否物理连接？插枪到电动汽车辅助电源上电直流继电器是否闭合？刷卡或扫码人机界面设置充电参数开始充电实时更新充电参数充电是否完成？结束充电并拔下充电枪YYYNNN图 5 主程序流程 表 1 CAN 帧类型 帧 帧的用途 数据帧 用于节点向外传送数据 遥控帧 用于向远端节点请求数据 过载帧 用于通知远端节点，本节点尚未做好准备 帧间隔 用于数据帧及遥控帧与前面的帧分离康来 错误帧 用于向远端节点通知校验错误，请求重新发送上一次数据 第 5 期 电动汽车直流充电桩控制系统的设计 23 络，相互之间通过 ZigBee/NB-IoT 传递信彛，充电桩采集的充电信彛，车载信彛通过 ZigBee/NB-IoT 传送到汇集控制站；汇集控制站对信彛进行处理，把有效的信彛通过 5G 基站（独立组网站，非独立组网站）传送至充电站云服务监管平台，充电界面如图 6 所示。该主页已经登廗用户，将实时显示廖前的日期、时间，并获取充电的电压、电流、功率、电量等数据。进行充电时间的记廗、费用的实时计算10。5G 通信单元网络结构如图7 所示。5 结论 本文以弁处理器 STM32F407 芯片为主控芯片，该芯片上外设丰富，能够满足充电桩的控制要求。依据直流充电桩的特弼，硬件电路设计了电源电路、电能计量电路、继电器控制电路；软件设计了智能调庞策略流程图，基于 5G 技术的通信单元，经过对系统硬件、软件的运行测试及优化，整个控制系统充电响库弛，运行稳定，输出电压精庞高，操作便捷。为弛速地部署直流充电桩具有一定的经济价值和推广库用价值。参考文献：1 丁超，李勇，姜利，等.电动汽车直流充电系统 LLC 谐振变换器软康关电压边界分析J.电工技术学报，2022,37(01):3-11.2 陈浩，曲钰，黄海宁，等.电动汽车直流充电桩互操作弼检测系统设计研究J.电子测试，2021(24):125-126,99.3 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circuit,electric energy metering circuit,relay control circuit.Based on the hardware circuit,the software is designed according to the control requirements,and the control information is transmitted through the 5G communication network.After the operation test and optimization of the system hardware and software,the whole control system has the advantages of fast response,safe and stable operation,high output voltage accuracy and convenient operation.Key words：electric vehicle；DC charging pile；hardware circuit 图 6 充电界面 5 5G G通通信信网网络络汇汇聚聚控控制制站站汇汇聚聚控控制制站站汇汇聚聚控控制制站站充充电电桩桩节节点点充充电电站站云云服服务务监监管管平平台台5G基基站站5G基基站站防防火火墙墙充充电电桩桩节节点点充充电电桩桩节节点点 图 7 5G 通信单元网络结构