竇洋洋，陳恒，代嚴(yán)滿，胡宗華

（西京學(xué)院理學(xué)院，陜西 西安 710123 ）

家庭智能交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

竇洋洋，陳恒，代嚴(yán)滿，胡宗華

（西京學(xué)院理學(xué)院，陜西 西安 710123 ）

簡(jiǎn)要介紹了交流充電樁，根據(jù)我國(guó)電動(dòng)汽車充電的特點(diǎn)，針對(duì)用戶需求設(shè)計(jì)了基于STM32F103RCT6微控制器的家庭智能交流充電樁系統(tǒng)解決方案，介紹了系統(tǒng)主要硬件選型和充電樁與電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)之間的通信電路，系統(tǒng)提供指紋解鎖充電樁和遠(yuǎn)程無線充電控制方案，設(shè)計(jì)了移動(dòng)端APP，極大地方便了個(gè)人用戶日常充電需求。

交流充電樁；指紋識(shí)別；電池管理系統(tǒng)；遠(yuǎn)程控制

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-09-03

引言

隨著不可再生能源的持續(xù)不斷消耗，能源危機(jī)已經(jīng)迫使各國(guó)更加重視新能源的開發(fā)。電動(dòng)汽車作為一種新能源產(chǎn)品，正在被全球各個(gè)國(guó)家廣泛推廣。作為電動(dòng)汽車的配設(shè)施，電動(dòng)汽車電池技術(shù)與充電樁技術(shù)的發(fā)展在一定程度上影響著新能源電動(dòng)汽車的普及。充電站作為電動(dòng)汽車的加油站具有三種工作方式：快換方式、快充方式、常規(guī)方式。其中快換方式要求充電站可以對(duì)電池組合車輛快速分離，適用于標(biāo)準(zhǔn)充電站；快充方式采用大電流充電，由于電流過大，只適用于標(biāo)準(zhǔn)充電站；常規(guī)方式即小電流慢速充，充電電流小，充電設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單方便，可用于普通家庭的日常充電。

1 交流充電樁簡(jiǎn)介

電動(dòng)汽車充電樁的功能相當(dāng)于加油站里的加油機(jī)，作為電動(dòng)汽車的“加電”設(shè)備。交流充電樁一般也稱作“慢充”，安裝在電動(dòng)汽車停車地點(diǎn)，與電網(wǎng)連接。交流充電樁作為交流電源控制管理器只提供電力輸出，連接電動(dòng)汽車車載充電機(jī)為電動(dòng)汽車充電。交流充電樁基本結(jié)構(gòu)包括箱體、安全配電盤、電磁開關(guān)、電量計(jì)量和智能管理系統(tǒng)。鑒于交流充電裝具有占地面積小、布點(diǎn)靈活、費(fèi)用較低和充電時(shí)間方便的原因，電動(dòng)汽車一般優(yōu)先選擇在夜間充電，而每一輛電動(dòng)汽車必配交流充電樁。

2 智能交流充電樁系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由智能控制模塊、顯示模塊、輸入模塊、指紋模塊、報(bào)警模塊、4G模塊、RS 485接口電能表、漏電保護(hù)斷路器、交流接觸器、急停控制、控制引導(dǎo)通信模塊等部分組成。顯示模塊提供有好的人機(jī)交流界面，與輸入模塊配合完成人機(jī)互動(dòng)任務(wù)。指紋模塊可以提高充電樁的安全性，保證充電樁的所有權(quán)。4G模塊完成充電樁與用戶的遠(yuǎn)程無線通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程充電控制?？刂埔龑?dǎo)通信模塊是充電樁與車載電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行通信并檢測(cè)充電接口連接。設(shè)置安全保護(hù)措施，發(fā)生意外情況時(shí)可自動(dòng)報(bào)警并保護(hù)充電樁和電動(dòng)汽車，或者通過急停旋鈕來中斷充電。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 交流充電樁電氣系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器

考慮性能和工作要求，系統(tǒng)控制芯片選擇ST公司LQFP-64封裝的STM32F103RCT6型高性能芯片，芯片工作電壓2.0V到3.6V，工作溫度-40度到85度間。芯片內(nèi)部集成32位Cortex-M3 內(nèi)核，最大時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，程序存儲(chǔ)器大小具有256kB，數(shù)據(jù)RAM大小為48kB，包括串口、SPI、I2C、CAN、USB等多種形式的接口模式。

3.2 指紋模塊

表1 ZFM-500SA指紋模塊技術(shù)指標(biāo)

指紋模塊是指紋鎖的核心部件，安裝在如指紋門禁或者硬盤等器件上，用來完成指紋的采集和指紋的識(shí)別的模塊。指紋模塊主要由指紋采集模塊、指紋識(shí)別模塊和擴(kuò)展功能模塊（如鎖具驅(qū)動(dòng)模塊）組成。指紋模塊選擇杭州指安科技有限公司推出的ZFM-500SA系列半導(dǎo)體指紋模塊，其以高性能高速DSP處理器AS601為核心，結(jié)合FPC1011半導(dǎo)體指紋傳感器，在無需上位機(jī)參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對(duì)、搜索和模板儲(chǔ)存等功能的智能型模塊。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖2 ZFM-500SA指紋模塊

3.3 4G模塊

4G是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是集3G與WLAN于一體的技術(shù)產(chǎn)品。 4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求。4g具有通信速度更快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、通信更加靈活、智能性能更高、兼容性能更平滑、提供各種增值服務(wù)、實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信、頻率使用效率更高、通信費(fèi)用更加便宜等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用龍尚科技U8300系列4G模塊，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 U8300主要技術(shù)指標(biāo)

圖3 U8300模塊

3.4 控制引導(dǎo)電路

依據(jù)GB/T 20234.2-2011《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置；交流充電接口》中相關(guān)規(guī)定的要求，采用控制引導(dǎo)電路的方式作為充電連接裝置的連接狀態(tài)及額定電流參數(shù)的判斷裝置。供電設(shè)備插頭與插座連接后，供電控制裝置通過檢測(cè)點(diǎn)的電壓值判斷供電插頭與供電插座是否已完全連接?？刂埔龑?dǎo)電路可以滿足供電設(shè)備側(cè)和車輛側(cè)的連接確認(rèn)，通過相關(guān)電路的檢測(cè)保證充電電流和車載充電機(jī)、電源側(cè)供電設(shè)備、充電連接裝置在允許值范圍內(nèi)匹配。在充電過程中通過不斷檢測(cè)供電設(shè)備的PWM占空比實(shí)時(shí)調(diào)整充電電流，滿足電網(wǎng)側(cè)智能調(diào)度的需要?？刂埔龑?dǎo)檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 控制引導(dǎo)檢測(cè)電路

3.5 通信電路

電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）能使控制和管理電池更加有效率，確保每一個(gè)電池工作在可運(yùn)行的區(qū)間范圍內(nèi)，避免電池過充過放和熱失控等問題發(fā)生。通常一個(gè)電池系統(tǒng)中包含上百個(gè)，甚至上千個(gè)電芯。如何保持電芯工作在合適的區(qū)間內(nèi)，BMS發(fā)揮著重要的作用。BMS功能有監(jiān)視電池狀態(tài)、保護(hù)電池、上報(bào)數(shù)據(jù)、均衡等，對(duì)電動(dòng)汽車電池組進(jìn)行充電時(shí)必須保證充電樁與電動(dòng)汽車BMS保持通信。根據(jù)充電樁與電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)相互之間的通信，充電樁控制器才能在線調(diào)節(jié)充電功率，顯示充電電壓、電流、電量和充電費(fèi)用等。充電樁與電池管理系統(tǒng)通信電路如圖5所示。

圖5 CAN通信電路

4 軟件設(shè)計(jì)

家庭智能交流充電樁系統(tǒng)可以通過本地控制和遠(yuǎn)程移動(dòng)終端控制兩種方式來對(duì)充電過程進(jìn)行控制。本地控制主要通過輸入模塊和顯示模塊進(jìn)行人機(jī)交互。遠(yuǎn)程控制通過4G無線模塊將充電信息發(fā)送到云端和移動(dòng)中終端，通過移動(dòng)終端的APP控制充電信息。遠(yuǎn)程控制可以靈活設(shè)定充電起始時(shí)間，可以在用電低谷期電費(fèi)最便宜的時(shí)間段內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。

還可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)BMS，了解汽車的電池使用情況，定期保養(yǎng)更換電池，避免電池組事故的發(fā)生。程序流程圖如圖6所示，APP充電模式選擇界面如圖7所示。

圖6 程序流程圖

圖7 充電模式選擇界面

5 總結(jié)

本文通過分析家庭交流充電方式，針對(duì)用戶需求特點(diǎn)設(shè)計(jì)家庭智能交流充電樁系統(tǒng)解決方案，敘述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于STM32F103RCT6微控制器，具有本地指紋解鎖充電樁的功能，設(shè)計(jì)了充電樁與電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)之間的通信電路，實(shí)現(xiàn)充電過程人機(jī)交互、充電信息檢測(cè)、充電保護(hù)、充電模式選擇等功能，并搭載4G無線通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，設(shè)計(jì)移動(dòng)端APP實(shí)現(xiàn)充電過程遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)可以滿足一般家庭對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行慢速充電的需求，并且具有良好的用戶體驗(yàn)功能，作為家庭交流充電樁對(duì)電動(dòng)汽車在普通家庭的普及具有很大的推進(jìn)意義。

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Home intelligence ac charging system design

Dou Yangyang, Chen Heng, Dai Yanman, Hu Zonghua
( Xijing college of science, Shaanxi Xi'an 710123 )

This paper briefly introduces the ac charging pile, according to the characteristics of the electric car charging in China, based on user requirements designed STM32F103RCT6 microcontroller family intelligent ac charging pile system solutions, introduced the main hardware selection and charging pile system and electric vehicle battery management system, the communication circuit between the system to provide fingerprints unlock charging pile and remote wireless charging control scheme, design the mobile client APP, bringing great personal daily charging customers' needs.

alternating current charging piles; Fingerprint identification; Battery management system; The remote control

U463.6

A

1671-7988 (2017)13-09-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.003

竇洋洋（1991-），在讀研究生，主要研究方向?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)與控制。陳恒（1965-），副教授，碩導(dǎo)，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集與智能控制。代嚴(yán)滿（1992-），在讀研究生，主要研究方向?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)與控制。胡宗華（1992-），在讀研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集與控制。