智能化充电桩模块化设计及实现

1、智能化充电桩模块化设计及实现摘要：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

2、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一 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。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

3、-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

4、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。系统硬件设计智能充

5、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

6、 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

7、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

8、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。2-12-2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

9、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

10、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

11、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、镍铭电池等，如果电池 内还有

12、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、镍铭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