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摘要：文章针对电动汽车直流充电桩输出功率大、充电时间短、充电效率高的特点，在分析了直流充电桩的系统结构和工作原理后，设计了一种以STM32处理器为核心的控制系统，结合硬件电路和软件程序设计，实现了充电过程控制管理、充电过程故障报警及数据通信与交易结算等功能。最后经过实际应用测试，表明该控制系统能够实现对电动汽车的快速充电，具有良好的安全稳定性。
关键词：电动汽车；直流充电桩；STM32；控制系统
1硬件电路的设计
1.1STM32F103最小系统设计
该直流充电桩最小系统主要是由晶振、电源、基准源、复位电路和SWD下载口等组成。具体的最小系统电路图如图1和图2所示。由图2可知，该最小系统主电路上包含了晶振电路和基准源电路，电源供电电压为3.3V。该最小系统主电路中晶振电路主要是为芯片工作提供时钟信号，采用外接一个8MHz的无源晶振，同时并联1个阻值为1MΩ的反馈电阻使其处于更良好的工作条件。由于晶振上电启动后会振荡产生脉冲波形，但往往在主波形中还掺杂有谐波，影响主控系统的工作稳定性，因此在无源晶振的两侧还需要加两个负载电容，将其谐波过滤，起到并联谐振作用，一般选用范围为10～40pF，这里选择两个22pF的电容与晶振及电阻相并联构成了晶振电路。VDDA是为所有模拟电路部分供电，包括ADC模块和复位电路等，基准源电路中在VDDA引脚与3.3V电源电压间并联了两个滤波电容，用于滤除电源的高频谐波，使其输入电源尽可能地纯净些，提高系统工作的稳定性。
在编写完主控制系统程序代码后，都是通过数据线将程序烧录到主控板上进行物理调试，一般常用JTAG和SWD接口模式进行下载调试。JTAG下载口在下载数据较大的情况下可能会出现下载程序失败现象，同时所需的接口引脚也较多。对于体积有限的主控板来说，在下载数据量一样的情况下，使用SWD下载口不仅很少会出现下载失败的现象，同时相比JTAG14或20针标准接口，采用更少的引脚如图2左图所示VCC电源、时钟线、数据线与接地线4引脚也能够下载程序进行仿真调试，为主控制板节省多余空间来增加新的功能模块。STM32F103VET6主控单元为低电平复位有效，在系统上电复位时，芯片必须有足够的时间进行初始化操作，在此期间，RESET端必须保持低电平。复位电路就是利用电容电压不会突变的性质，开机后电容电压为零，芯片复位，随即供电电源通过R3上拉电阻向电容C1充电，直至电容电压上升为高电平，主控芯片开始正常工作。
1.2电源稳压电路设计
对于单片机系统来说，不同功能模块之间的电源电压各不相同，由于主控芯片STM32F103工作电压范围为2.0～3.6V之间，正常工作电压为3.3V。本文所涉及的外部供电主要靠开关电源模块实现，该模块拥有5V和12V两种规格，所以要驱动主控芯片正常工作就需要设计专门的5V转3.3V电路。电路原理图如下图3所示。
该电路中采用AMS1117线性稳压芯片进行5V转3.3V转换工作，它具有成本低、噪音低、静态电流小等特点。AMS1117线性稳压器与普通的78系列线性稳压器或LM317线性稳压器具有相同的工作原理，都是通过对输出电压采样，然后反馈到调节电路去调节输出级调整管的阻抗，当输出电压偏低时，就调节输出级的阻抗变小从而减小调整管的压降，当输出电压偏高时，就调节输出级的阻抗变大从而增大调整管的压降，这样就维持了输出电压的稳定。
相比较而言，ASM1117线性稳压器和78系列稳压器的最大差别主要在于它的最小饱和压降（即失稳电压）较小，只有1.1～1.3V，而78系列稳压器的失稳电压为2～3V，因此在输出电压相同情况下ASM1117可以工作在较低的输入工作电压下。以ASM1117-3.3为例，它的最低工作电压是4.4～4.8V，而LM317输出3.3V电压时要求最低输入电压为5.3～6.3V。利用该系列线性稳压器件刚好可以将外置开关电源5V转成为主控芯片供电工作的3.3V直流电。在ASM1117线性稳压器的两端外接4个贴片电容，其数值分别为10μF与0.1μF，起到了高频滤波作用，减小输出电压纹波并抑制ASM1117的自激振荡。在5V～3.3V稳压电路输出端还串联了滤波电感和自恢复保险丝，加上滤波电感的作用在于阻隔高频谐波干扰，降低自身功耗，串联一个1A的自恢复保险丝，主要是为防止输出电流过大而损毁主芯片，从而影响整个系统的正常工作。
1.3存储电路设计
本文直流充电桩控制系统选用FM31256铁电存储芯片来保存用户充电使用过程中的消费信息及账号相关信息。该芯片内部包含有256kb的非易失性存储器，可无限读/写数据，当用户充电完成后，结算金额成功后即可清除该次充电信息，腾出存储空间为下次充电使用作准备；如未能结算成功，则在下次用户使用该充电桩时，将已预扣除的金额退还给用户。
具体存储电路原理如上图4所示，由于该存储器接口类型为I2C接口，存储器的读/写以及其他控制功能都是通过工业标准的I2C总线来实现。当系统传输数据时，由3.3V电源向铁电芯片供电，数据线（SDA）和时钟线（SCL）与VCC3.3V之间加上10KΩ的上拉电阻以提高总线抗电磁干扰能力。在芯片外围还需外接一个32.768kHz的无源晶振，实时提供时间和日期信息。
2软件程序设计
本文所涉及到的直流充电桩控制系统软件程序部分主要由系统初始化、通信检测、用户信息识别、系统连接确认、充电模式选择和充电过程实时监测等部分组成。其中，用户信息识别部分利用RFID射频识别技术实现用户信息正确读取及交易结算确认。充电模式选择部分主要分为自动充电、按电量充、按时间充和按金额充四种模式，用户可以通过人机交互屏来选择所需充电方式进行对电动汽车的充电服务。充电过程实时监测部分是对充电过程中充电桩各功能模块间进行数据采集和监测，以应对突发状态，能够及时保护充电设备和待充设备的安全。系统程序流程图如图5所示。
3实际应用与测试
在经过前期硬件电路设计及软件控制程序搭建后，利用AltiumDesigner软件绘制电路原理图并生成PCB板外送加工并进行硬件电路元器件的焊接调试。直流充电桩主控单元控制板实物图如图6所示，即直流充电桩中最核心的单元—控制处理单元。通过KeilμVision5程序开发软件编写充电桩控制系统程序代码，并将程序下载至核心板内，进行实际充电控制功能的测试。
在实际应用测试时，给系统上电后程序进入初始化阶段，经过通信检测后即进入如图7（a）所示的欢迎界面。通过设置在LCD屏下的按键可进入充电模式选择单元。当出现通信自检出错时，充电桩上的灯带就会闪烁，同时LCD界面出现如图7（b）所示界面，提醒用户该充电桩通信有误，现在无法正常工作，需经维修人员进行检查维修。经过不断调试和修改优化控制系统主程序代码，最终实现了充电桩控制系统的充电控制和交易结算功能。图7（c）所示为充电界面显示，图7（d）为充电完成显示界面，包含有电量、充电金额及充电时间等相关信息。
4结语
本文设计了以STM32F103为主控芯片的电动汽车直流充电桩控制系统，通过对硬件电路和软件程序的搭建设计，开发并实现了预定的直流充电控制功能。受时间、场地、设备及自身能力等因素的影响，一些相关的研究工作还不是很完善，如对硬件保护电路做进一步的优化设计可以减少安全投入成本；通过优化程序设计，提高直流充电桩对电动汽车动力电池的充电效率；设计更为人性化的充电操作界面，以方便用户使用。本文通过对直流充电桩的功能分析和设计，搭建充电桩控制系统的软硬件模型框架，进行了实际应用与检测，对于电动汽车充电设备的研发及基础设施建设具有一定的参考意义。
参考文献：
[1]苑国良.电动汽车的蓄电池技术[J].汽车电器,2014,(1):34-37.
[2]柳文俊,李亮,赵新东.国内外电动汽车快速充电模式综述[J].宁波职业技术学院学报,2015,19(2):67-71.
论文作者:刘永笑,阴昌华,陈志彬,王涌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/30
标签：电路论文; 电压论文; 系统论文; 控制系统论文; 芯片论文; 所示论文; 工作论文; 《电力设备》2017年第25期论文;