智能化充電樁模塊化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1、智能化充電樁模塊化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)摘要：本文針對(duì)充電樁的智能化和模塊化發(fā)展趨勢，通過分析電動(dòng)汽車智能充 電樁的建設(shè)情況和智能充電樁的原理，提出了充電電池多樣性、智能監(jiān)控、通信 和智能人機(jī)交互等功能需求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了智能充電樁模塊化設(shè)計(jì)方案，通 過智能充電樁硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了智能充電樁功能設(shè)計(jì)，認(rèn)為模塊化設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車 智能充電樁適應(yīng)性廣，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。關(guān)鍵詞：智能化；充電樁；模塊化在十五計(jì)劃期間，為實(shí)現(xiàn)能源安全、改善大氣環(huán)境，國家制定了跨越式發(fā) 展的戰(zhàn)略并設(shè)立了電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)”，集中了企業(yè)、高校、科研院所的力 量進(jìn)行攻關(guān)，把電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺(tái)作為重點(diǎn)研究工作，并在一些關(guān)鍵技

2、術(shù)上取得了較好的進(jìn)展。隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，作為輔助充電的基礎(chǔ)設(shè)施一 智能充電樁也越發(fā)廣泛，人們對(duì)智能充電樁的研究也在逐漸深入，加快充電樁 的基礎(chǔ)建設(shè)已然成為推動(dòng)新能源汽車發(fā)展的主要助力，但對(duì)于電動(dòng)汽車智能充電 樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)和其關(guān)鍵技術(shù)還有待研究與開發(fā)。智能充電樁模塊化設(shè)計(jì)智能充電樁的工作原理，是當(dāng)控制導(dǎo)引系統(tǒng)與電動(dòng)汽車充電接口接通后，通 過智能化的人機(jī)交互界面發(fā)出充電控制指令然后由主控制系統(tǒng)控制一個(gè)電池繼電 器的開閉來控制主回路上的交流接觸器開閉，從而實(shí)現(xiàn)給電動(dòng)汽車的電力補(bǔ)給功 能。智能充電樁同時(shí)還有智能計(jì)費(fèi)功能，該功能通過在主回路接入一個(gè)智能電表 實(shí)現(xiàn)不同段多種費(fèi)率的計(jì)量功能，并通過RS

3、-485將計(jì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中， 實(shí)現(xiàn)智能計(jì)量計(jì)費(fèi)功能。智能充電樁的人機(jī)交互功能，RFID射頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)身 份識(shí)別，將操作的基本信息錄入射頻卡中，同時(shí)還能用于費(fèi)用結(jié)算；智能語音提 示和狀態(tài)顯示燈也使操作更加簡單便捷；智能化的人機(jī)交互界面，操作者可以從 移動(dòng)終端或者樁體顯示器上對(duì)充電樁進(jìn)行操作；嵌入式的微型打印機(jī)還能為操作 者提供消費(fèi)憑條。多種通信功能，可以實(shí)時(shí)地將各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到移動(dòng)終端和 管理平臺(tái)上，使充電樁的使用更加智能化舒適化。同時(shí)斷路器浪涌保護(hù)器、急停 按鈕等的合理運(yùn)用使得智能充電樁的安全性得到了更好的保障。智能充電樁基本功能要求有如下幾種。（1）適用充電電池多樣性：充電樁應(yīng)能

4、對(duì)鋰離子蓄電池、鎳氫蓄電池、鉛酸 蓄電池類的電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。（2）智能監(jiān)控功能：實(shí)時(shí)采集充電樁充電狀態(tài) 信息，并將樁體信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)，并且能自動(dòng)判斷故障信息從而做 出緊急自動(dòng)斷電保護(hù)等操作。（3）通信功能：充電樁應(yīng)具備與蓄電池管理系統(tǒng) 通信的功能，且能判斷與蓄電池管理系統(tǒng)是否正確連接，能獲得蓄電池管理系統(tǒng) 充電參數(shù)和充電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。（4）智能人機(jī)交互功能：簡單友好的人機(jī)交互界面， 操作界面更加智能化，使操作者有更加舒適的操作體驗(yàn)。根據(jù)上文對(duì)電動(dòng)汽車智 能充電樁的需求調(diào)查分析，可以將智能充電樁樁體硬件分為3個(gè)模塊，分別為功 能結(jié)構(gòu)模塊、人機(jī)交互模塊以及安全防護(hù)模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)智能充

5、電系統(tǒng)主要由充電電源和單片機(jī)控制電路兩部分組成。220V的交流市 電經(jīng)整流濾波電路變?yōu)槌潆娝璧?V直流電，然后再通過控制降壓斬波器BUCK 電路來對(duì)充電電池充電，此外電源變換電路還包括一輔助電路，用來給單片機(jī)和 單片機(jī)外圍電路供電，輔助電路主要通過一 LDO （低線性壓差電源變換器）三端 穩(wěn)壓器ASM1117用來把9V直流電變換為我們所需要的3.3V?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。控制部分采用MSP430F149單片機(jī)，通過對(duì)充電電池端電壓信號(hào)的采集、分 析處理、模糊推理、模糊決策等，控制BUCK斬波電路中的晶體管的通斷時(shí)間來 控制充電電壓和電流。控制部分還包括對(duì)電流和溫度的采集以及電壓和電流的顯

6、 示。一般的智能充電系統(tǒng)需要完成對(duì)不同電池的充電并需要通過LCD實(shí)時(shí)的將充 電電壓和充電電流顯示出來等一些充電有關(guān)的參量，同時(shí)在充電過程中需要及時(shí) 切換恒壓充電和恒流充電以及關(guān)斷充電等3。本系統(tǒng)包括由MSP430F149單片機(jī) 構(gòu)成的核心控制器、電源變換電路，充放電控制電路、A/D采樣電路、人機(jī)交互 接口等。下面我們?cè)O(shè)計(jì)主要硬件電路，并用Protel來繪制硬件原理圖。圖1系統(tǒng)總體原理框圖2.1核心控制器設(shè)計(jì)德州儀器公司的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗微處理器該微處理器。 通過16位RISC系統(tǒng)16位CPU集成寄存器和常量發(fā)生器來獲得最大代碼效率。 MSP430的16位定時(shí)器是應(yīng)用于工業(yè)控

7、制如紋波計(jì)數(shù)器，數(shù)字化電機(jī)控制，電表 和手持式儀表等的理想配置。它的硬件乘法器大大加強(qiáng)了其功能并提供了軟硬件 相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理的能力。主控電路原理圖如下圖2-1所示。2.2電源變換電路設(shè)計(jì)在我們的智能充電樁中對(duì)電池的充電需要用直流供電，所以我們要把220V電 網(wǎng)電壓變換成我們所需要的直流電壓，一般直流電源的組成如下圖2-2所示。在 我們的智能充電樁中我們采用如上圖2-2所示的一般直流電源，在設(shè)計(jì)中我們采 用電源變壓器把220V的電網(wǎng)電壓變換成所需要的9V交流電壓，整流電路我們采 用單相橋式整流電路，相對(duì)于單相半波整流電路和單項(xiàng)全波整流電路來說，其電 源利用率高，輸出電壓較單相半波整

8、流電路提高一倍，每個(gè)管子就提供輸出電流 的一般，較單相單項(xiàng)全波整流電路來說，其不需要中間有抽頭的電源變壓器，管 子耐壓值也要求較低5。對(duì)于二極管的選取，我們參照如下公式2-1和2-2計(jì)算 來選取，下兩式中是變壓器次級(jí)端輸出的電壓，式整流之后輸出的電壓，是輸出 的電流，和分別是所選取二極管的耐壓值和最大整流電流。2-12-2圖2主控電路圖圖3一般電源變換組成框圖濾波器我們采用LC-Pi形濾波器，由于電感對(duì)直流呈現(xiàn)的電阻小而對(duì)交流阻抗 大，其可很大程度降低輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)，濾波效果好。穩(wěn)壓電路我們采用二 極管穩(wěn)壓電路。除此之外，我們的電路還需要給MSP430F149單片機(jī)及其外設(shè)供 電，所以我們

9、還需要一個(gè)輸出為3.3V的電路，這里我們采用AMS11173.3三端穩(wěn) 壓器來直接把9V直流電變換為3.3V。電源變換電路原理圖如下圖4所示。AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計(jì)用于提供1A輸出電 流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時(shí)，AMS1117器件的壓差保證最大不 超過1.3V，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。AMS1117的片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào) 整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源 電路超載而造成圖4電源變換電路圖的壓力。AMS1117器件引腳上兼容其他三端SCSI穩(wěn)壓器，這本設(shè)計(jì)里我們選 用AMS11173.3，來給單片機(jī)提供

10、3.3V的電源4。2.3充放電控制電路設(shè)計(jì)直流斬波電路的功能是將直流電壓變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)的直流電，也稱 為直接直流-直流變換器（DC/DCConverter）。我們?cè)诖酥悄苄统潆姌吨袘?yīng)用降壓 斬波電路來獲取我們所需要的電壓（或電流），我們只需要開關(guān)管、續(xù)流二極管、 LC電路就可以構(gòu)成此電路。在此電路，為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，我們盡量 串接電感值較大的電感。設(shè)計(jì)充電樁最有效及最經(jīng)濟(jì)的方法是采用開關(guān)調(diào)整器來作為降壓轉(zhuǎn)換器。降 壓轉(zhuǎn)換器使用電感來儲(chǔ)存電能。來自脈沖控制的PWM的信號(hào)控制充電開關(guān)。當(dāng) 開關(guān)閉合時(shí)，電流由于充電樁提供的電壓（充電樁Vin）而流過電路，此時(shí)電容 通過電感充電。當(dāng)開

11、關(guān)打開時(shí)電感試圖通過感應(yīng)電壓來保持電流流動(dòng)，但它不能 立刻充電6。然后電流流過肖特基二極管并給電容充電，此過程循環(huán)往復(fù)，當(dāng)通 過減少PWM占空比來縮短開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，平均電壓減少。相反，當(dāng)通過增加 PWM占空比來延長開關(guān)關(guān)斷時(shí)間時(shí)，平均電壓增加。故通過控制PWM占空比來 調(diào)整充電電壓（或電流）可達(dá)到所需的輸出值。用PWM方式控制的開關(guān)電源可 以減小功耗，同時(shí)便于進(jìn)行數(shù)字化控制，但母線的紋波系數(shù)相對(duì)較大。其負(fù)載電 壓的平均值為2-3式，式中為占空比。2-3其負(fù)載電流平均值為2-4式，式中是一個(gè)反電動(dòng)式，R是等效負(fù)載。2-4此外電路中還包括一個(gè)放電電路，這是為了像鎳氫、鎳銘電池等，如果電池 內(nèi)還有

12、較多的剩余電量時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生枝晶引起電池的記憶特性，為此我們需要對(duì) 鎳氫、鎳銘還存有大量電量時(shí)進(jìn)行放電。PWM占空比的控制和電池放電由程序 控制。充放電控制電路原理圖如下圖5所示。圖5充放電電路圖2.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路我們采用通用的聲光報(bào)警電路，通過一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)普通蜂 鳴器來實(shí)現(xiàn)，我們通過軟件來設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警方式來提醒用戶系統(tǒng)是否發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤 如系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤，我們關(guān)斷充電并采用連續(xù)五次點(diǎn)亮LED和蜂鳴器鳴響。結(jié)論智能交流充電樁是一款為電動(dòng)汽車充電的輔助設(shè)備，集控制、管理、查詢、 顯示等功能于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)充電過程的智能化控制。充電站是電動(dòng)汽車的必 配基礎(chǔ)設(shè)施，適用于公共停車場、居民小區(qū)停車場、企業(yè)專用停車場等各類露天 車場與地下停車場。由于電動(dòng)汽車每天需要補(bǔ)充大量電能，經(jīng)營充電站就可以獲 得巨大的充電服務(wù)收益。相對(duì)于加油站，電能比較安全和方便，可在各地大量安 裝設(shè)置充電站。參考文獻(xiàn)：1劉朝輝.電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用J.電子技術(shù)與軟件工程，2017（3）： 248.2桑雷，楊玉軍.電動(dòng)汽車充電樁工作原理及充電參數(shù)分析A.2014年江蘇省 計(jì)量測試學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年