智能化充电桩模块化设计及实现

智能化充电桩模块化设计及实现

邓文聪

（身份证号码：44010619820306XXXX）

摘要：本文针对充电桩的智能化和模块化发展趋势，通过分析电动汽车智能充电桩的建设情况和智能充电桩的原理，提出了充电电池多样性、智能监控、通信和智能人机交互等功能需求，在此基础上设计了智能充电桩模块化设计方案，通过智能充电桩硬件结构实现了智能充电桩功能设计，认为模块化设计的电动汽车智能充电桩适应性广，具有较好的经济和社会效益。

关键词：智能化；充电桩；模块化

在“十五”计划期间，为实现能源安全、改善大气环境，国家制定了跨越式发展的战略并设立了“电动汽车重大科技专项”，集中了企业、高校、科研院所的力量进行攻关，把电动汽车的产业化技术平台作为重点研究工作，并在一些关键技术上取得了较好的进展。随着电动汽车行业的发展，作为辅助充电的基础设施——智能充电桩也越发广泛，人们对智能充电桩的研究也在逐渐深入，加快充电桩的基础建设已然成为推动新能源汽车发展的主要助力，但对于电动汽车智能充电桩的优化设计和其关键技术还有待研究与开发。

1.智能充电桩模块化设计

智能充电桩的工作原理，是当控制导引系统与电动汽车充电接口接通后，通过智能化的人机交互界面发出充电控制指令然后由主控制系统控制一个电池继电器的开闭来控制主回路上的交流接触器开闭，从而实现给电动汽车的电力补给功能。智能充电桩同时还有智能计费功能，该功能通过在主回路接入一个智能电表实现不同段多种费率的计量功能，并通过RS-485将计量数据传输到控制系统中，实现智能计量计费功能。智能充电桩的人机交互功能，RFID射频技术可以实现身份识别，将操作的基本信息录入射频卡中，同时还能用于费用结算；智能语音提示和状态显示灯也使操作更加简单便捷；智能化的人机交互界面，操作者可以从移动终端或者桩体显示器上对充电桩进行操作；嵌入式的微型打印机还能为操作者提供消费凭条。多种通信功能，可以实时地将各种数据实时反馈到移动终端和管理平台上，使充电桩的使用更加智能化舒适化。同时断路器浪涌保护器、急停按钮等的合理运用使得智能充电桩的安全性得到了更好的保障。

智能充电桩基本功能要求有如下几种。

（1）适用充电电池多样性：充电桩应能对锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、铅酸蓄电池类的电动汽车进行充电。（2）智能监控功能：实时采集充电桩充电状态信息，并将桩体信息实时传输到后台管理系统，并且能自动判断故障信息从而做出紧急自动断电保护等操作。（3）通信功能：充电桩应具备与蓄电池管理系统通信的功能，且能判断与蓄电池管理系统是否正确连接，能获得蓄电池管理系统充电参数和充电实时数据。（4）智能人机交互功能：简单友好的人机交互界面，操作界面更加智能化，使操作者有更加舒适的操作体验。根据上文对电动汽车智能充电桩的需求调查分析，可以将智能充电桩桩体硬件分为3个模块，分别为功能结构模块、人机交互模块以及安全防护模块。

2.系统硬件设计

智能充电系统主要由充电电源和单片机控制电路两部分组成。220V的交流市电经整流滤波电路变为充电所需的9V直流电，然后再通过控制降压斩波器BUCK电路来对充电电池充电，此外电源变换电路还包括一辅助电路，用来给单片机和单片机外围电路供电，辅助电路主要通过一LDO（低线性压差电源变换器）三端稳压器ASM1117用来把9V直流电变换为我们所需要的3.3V。总体结构如图1-2所示。

控制部分采用MSP430F149单片机，通过对充电电池端电压信号的采集、分析处理、模糊推理、模糊决策等，控制BUCK斩波电路中的晶体管的通断时间来控制充电电压和电流。控制部分还包括对电流和温度的采集以及电压和电流的显示。

一般的智能充电系统需要完成对不同电池的充电并需要通过LCD实时的将充电电压和充电电流显示出来等一些充电有关的参量，同时在充电过程中需要及时切换恒压充电和恒流充电以及关断充电等[3]。本系统包括由MSP430F149单片机构成的核心控制器、电源变换电路，充放电控制电路、A/D采样电路、人机交互接口等。下面我们设计主要硬件电路，并用Protel来绘制硬件原理图。

图1系统总体原理框图

2.1核心控制器设计

德州仪器公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗微处理器该微处理器。通过16位RISC系统16位CPU集成寄存器和常量发生器来获得最大代码效率。MSP430的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器，数字化电机控制，电表和手持式仪表等的理想配置。它的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理的能力。主控电路原理图如下图2-1所示。

2.2电源变换电路设计

在我们的智能充电桩中对电池的充电需要用直流供电，所以我们要把220V电网电压变换成我们所需要的直流电压，一般直流电源的组成如下图2-2所示。在我们的智能充电桩中我们采用如上图2-2所示的一般直流电源，在设计中我们采用电源变压器把220V的电网电压变换成所需要的9V交流电压，整流电路我们采用单相桥式整流电路，相对于单相半波整流电路和单项全波整流电路来说，其电源利用率高，输出电压较单相半波整流电路提高一倍，每个管子就提供输出电流的一般，较单相单项全波整流电路来说，其不需要中间有抽头的电源变压器，管子耐压值也要求较低[5]。对于二极管的选取，我们参照如下公式2-1和2-2计算来选取，下两式中是变压器次级端输出的电压，式整流之后输出的电压，是输出的电流，和分别是所选取二极管的耐压值和最大整流电流。

2-1

2-2

图2主控电路图

图3一般电源变换组成框图

滤波器我们采用LC-Pi形滤波器，由于电感对直流呈现的电阻小而对交流阻抗大，其可很大程度降低输出电压的脉动系数，滤波效果好。稳压电路我们采用二极管稳压电路。除此之外，我们的电路还需要给MSP430F149单片机及其外设供电，所以我们还需要一个输出为3.3V的电路，这里我们采用AMS11173.3三端稳压器来直接把9V直流电变换为3.3V。电源变换电路原理图如下图4所示。

AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成

图4电源变换电路图

的压力。AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，这本设计里我们选用AMS11173.3，来给单片机提供3.3V的电源[4]。

2.3充放电控制电路设计

直流斩波电路的功能是将直流电压变为另一固定电压或可调的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DCConverter）。我们在此智能型充电桩中应用降压斩波电路来获取我们所需要的电压（或电流），我们只需要开关管、续流二极管、LC电路就可以构成此电路。在此电路，为了使负载电流连续且脉动小，我们尽量串接电感值较大的电感。

设计充电桩最有效及最经济的方法是采用开关调整器来作为降压转换器。降压转换器使用电感来储存电能。来自脉冲控制的PWM的信号控制充电开关。当开关闭合时，电流由于充电桩提供的电压（充电桩Vin）而流过电路，此时电容通过电感充电。当开关打开时电感试图通过感应电压来保持电流流动，但它不能立刻充电[6]。然后电流流过肖特基二极管并给电容充电，此过程循环往复，当通过减少PWM占空比来缩短开关导通时间时，平均电压减少。相反，当通过增加PWM占空比来延长开关关断时间时，平均电压增加。故通过控制PWM占空比来调整充电电压（或电流）可达到所需的输出值。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗，同时便于进行数字化控制，但母线的纹波系数相对较大。其负载电压的平均值为2-3式，式中为占空比。

2-3

其负载电流平均值为2-4式，式中是一个反电动式，R是等效负载。

2-4

此外电路中还包括一个放电电路，这是为了像镍氢、镍铬电池等，如果电池内还有较多的剩余电量时，将会产生枝晶引起电池的记忆特性，为此我们需要对镍氢、镍铬还存有大量电量时进行放电。PWM占空比的控制和电池放电由程序控制。充放电控制电路原理图如下图5所示。

图5充放电电路图

2.4报警电路设计

报警电路我们采用通用的声光报警电路，通过一个发光二极管和一个普通蜂鸣器来实现，我们通过软件来设置相应的报警方式来提醒用户系统是否发现错误如系统发生错误，我们关断充电并采用连续五次点亮LED和蜂鸣器鸣响。

结论

智能交流充电桩是一款为电动汽车充电的辅助设备，集控制、管理、查询、显示等功能于一体，实现对整个充电过程的智能化控制。充电站是电动汽车的必配基础设施，适用于公共停车场、居民小区停车场、企业专用停车场等各类露天车场与地下停车场。由于电动汽车每天需要补充大量电能，经营充电站就可以获得巨大的充电服务收益。相对于加油站，电能比较安全和方便，可在各地大量安装设置充电站。

参考文献：

[1]刘朝辉.电动汽车智能充电桩的设计与应用[J].电子技术与软件工程，2017（3）：248.

[2]桑雷，杨玉军.电动汽车充电桩工作原理及充电参数分析[A].2014年江苏省计量测试学会学术年会.江苏省计量测试学术论文集[C].2014.

[3]赵薪智，李盘靖，张欢，等.电动汽车智能充电路径规划研究[J].重庆理工大学学报，2016，30（10）：34-39.

[4]徐晓刚，李江全，马天鹏.基于ARM的直流充电桩计费控制系统设计[J].机械工程与自动化，2017（3）：147-149.

[5]张艳辉，徐坤，郑春花，等.智能电动汽车信息感知技术研究进展[J].仪器仪表学报，2017，38（4）：794-805.