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摘要：充电智能检测系统是连接充电桩与新能源汽车的一种电能传输与控制装置，本文以STM32单片机为主控芯片，通过人机交互为用户提供多种充电模式并能实时采集与显示新能源汽车充电过程中的各种信号（充电电压、充电电流、充电时间以及用电量等），同时能在故障发生时快速有效切断充电路线，保障用户与新能源汽车的安全。
关键词：新能源汽车 充电智能检测系统 控制系统 STM32 多充电模式
1 概述
随着人们环保意识的提高以及绿色能源理念的不断深入，新能源汽车的快速发展已成为必然的趋势。但根据目前的使用现状，制约新能源汽车发展的难点在于充电的安全和速度问题，让用户实时掌握整个充电过程的运行状态是保证安全的重要前提之一。同时，单一的充电模式意味着充电速度难以改变，不能有效应对不同的充电场景。
针对上述问题，本文研制的新能源汽车充电智能检测系统以STM32为主控制器，由充电电路、控制检测电路、上位机软件、液晶显示和辅助电源等配合组成。该系统能为用户提供多种（6A/9A/12A）快速充电模式，解决了充电模式单一的问题，并通过LABVIEW上位机软件让用户实时掌握充电状态，同时能在故障发生时快速有效切断充电路线，确保新能源汽车与用户的安全。
2 系统总体设计与实现原理
新能源汽车充电智能检测系统由硬件模块和软件模块两部分组成。硬件模块主要包括四个部分：充电电路、STM32主控制器、PWM信号处理、直流辅助电源；软件模块主要包括：控制程序和上位机软件。
图1 新能源汽车充电智能检测系统
系统框图如图1所示。充电电路通过继电器的开断来接通或切断220V交流电源并通过电压互感器与电流互感器实时采集充电过程中的电气量测信号与状态信号；STM32主控制器通过单片机对系统检测信号进行优化计算与电气控制，并将相关信息发送至液晶显示和上位机软件；控制检测电路主要实现充电模式选择以及通过充电过程中的检测信号对继电器开断的控制；直流辅助电源是基于TOP-Switch芯片的反激式开关电源，为控制器和PWM波形发生供电。
3 系统硬件模块
3.1 充电电路
充电电路主要由交流主回路、电压/电流互感器、继电器和充电接口组成，电路如图2所示。
电路输入为220V/50HZ单相交流电，为加强用户和新能源汽车的安全，以及防止单个继电器拒动，输入的火线与零线均经过继电器后接入新能源汽车；继电器的开断状态是由主控制器通过信号控制三极管的导通与截止进行实现；电压/电流互感器主要采集充电回路的电气量测信号与状态信号，并输送至主控制器；充电接口与新能源汽车相连接，实现电能传输。
图2 充电电路原理图
3.2 STM32主控制器
为提高控制系统的稳定性，系统采用STM32集成最小系统作为主控制器，并与外设电路组合成控制系统，控制引脚（多余未画出）如图3所示。
图3 STM32控制引脚图
STM32主控制器主要通过单片机对系统检测信号进行优化计算与电气控制，功能包括：
（1）.计算处理充电过程中实时采集得到的电气量测信号与状态信号；
（2）.选择发送具有不同占空比的PWM控制信号（用于控制继电器的开断状态以及充电模式选择）；
（3）.实现与上位机软件的数据交互等。
3.3 PWM信号处理
从电源与新能源汽车建立电气连接开始到充电过程结束，STM32主控制器将发送具有不同占空比的PWM控制信号，来控制继电器的开断状态以及进行充电模式选择。但是，控制器发出的PWM信号由于电压幅值过低将无法直接被新能源汽车内部的车载充电机识别。因此，需要通过硬件电路对PWM信号进行处理（主要是将其电压幅值放大）。
系统利用LM358芯片[1]将PWM信号连接具有不同直流电压的双电源，将信号开环放大，形成同频率不同电压的PWM波，并在控制信号的作用下，在对应时刻由四选一模拟开关[2]对PWM信号选择输出。PWM信号处理原理如图4所示。
图4 PWM信号处理原理图
3.4 直流辅助电源
本系统的直流辅助电源主要基于高度集成化的TOP Switch系列芯片进行设计实现的反激式开关电源[3]，其输出为±12V，1.5A。直流辅助电源原理如图5所示。
图5 辅助电源原理图
同时，通过基于TL431芯片[4-5]的可调稳压电源和基于LM7805的线性稳压电源将反激式开关电源输出的+12V进行二次稳压，分别得到+6V/+9V/+5V直流电压。其中：+12V用于给继电器励磁线圈供电，以提供足够的开断电流的能力，+5V为STM32主控制器供电，+6V/+9V/-12V用于PWM信号处理模块（如图4所示）对STM32主控制器发出的PWM信号进行电压幅值放大。
4 系统软件模块
系统软件设计主要包括控制程序和上位机软件两个部分。
4.1 控制程序
新能源汽车充电智能检测系统的控制程序采用模块化设计，主要通过调用子程序的方式，一方面实现对整个系统的有效控制，另一方面通过每个功能函数独立调用，优化了程序结构，也便于单一模块调试[6]。
图6 系统控制程序流程图
系统控制程序流程如图6所示。控制程序主要包括：充电接口连接检测模块、恒占空比的PWM控制信号发生模块、充电过程中电气实时量测信号与状态信号的检测与计算处理模块、充电模式选择模块、继电器开通及关断控制模块、充电状态显示模块、充电完成检测模块等组成。
在充电过程中，控制程序将反复循环检测充电是否完成或中断。当程序检测到充电完成或故障发生时，系统将立即启动继电器关断程序快速有效切断充电回路。
4.2 上位机软件
新能源汽车充电智能检测系统上位机软件[7]，主要包括：充电启停、充电电压、充电电流、充电量、充电档位、温度及充电时间等充电过程中各种电气实时量测信号与状态信号的可视化显示。上位机软件主界面如图9所示。
图9 新能源汽车充电智能检测系统上位机软件
如图所示，上位机软件主界面的左侧是各种电气实时量测信号与状态信号的可视化显示；主界面的右侧则是根据历史数据自动绘制出的数据折线图。
同时，通过上位机软件主界面右上方的档位选择按钮可以对新能源汽车充电智能检测系统的充电状态进行控制：档位0表示停止充电、档位1表示6A充电模式、档位2表示9A充电模式、档位3表示12A充电模式，并在对应的充电模式下对充电过程中各种电气数据进行实时监控，使用户随时能够掌握充电状态。
5 结语
新能源汽车充电智能检测系统以STM32单片机为主控芯片，采用嵌入式设计，通过硬件与软件配合的方式为用户提供多种充电模式。个性化的上位机人机交互界面使用户实时掌握充电状态，同时能在故障发生时快速有效切断充电路线，确保新能源汽车与用户的安全。辅助电源部分采用高度集成化的开关电源为整个控制系统供电，提高了系统稳定性，降低了功耗。
STM32外设丰富，便于拓展，如添加无线数据传输模块可以将充电过程中的各种电气数据以及充电费用等相关数据传输至手机APP，用户将能通过手机掌握充电状态、控制充电过程，以及完成充电费用支付等。
参考文献：
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[7]岂兴明等. LabVIEW入门与实战开发100例[M]. 北京：电子工业出版社，2011.
论文作者:吴统帅1,朱晓2,张力1,王澄睿1,方梓航1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/14
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