【基于5G车联网的电动汽车充电引导通信系统设计17000字（论文）】

基于5G车联网的电动汽车充电引导通信系统设计摘要新能源汽车的动力来源主要是电能，新能源汽车的使用可以减少有害气体排放，保护生态环境具，全球多个国家都在大力发展电动汽车行业。目前新能源汽车采用充电引导通信系统系统进行充电，充电引导通信系统的状况对新能源汽车的发展起着重要的影响。因此，设计出一款安全耐用、快速稳定、能与多种品牌新能源汽车接口兼容的共享充电引导通信系统具有重大的意义。本文介绍了新能源汽车及充电引导通信系统在国内外发展的现状及趋势，直流充电引导通信系统充电原理及充电流程TI公司数字信号处理器TMS320F28335作为主控制器的计费控制单元硬件设计，包括外围通信接口、刷卡器模块、以太网通信、语音模块及EEPROM扩展模块等，采用STM32F103ZET6作为主控芯的充电设备控制器的硬件设计，包括数字开关电路、控制导引检测电路以及CAN总线接口的电路设计。设计了直流充电引导通信系统控制系统的软件，即计费控制单元和充电设备控制器的软件设计。设计友好的人机交互界面，使用户能够方便快捷的在显示屏上完成整个充电流程。最后对控制系统的运行及各个功能的验证进行相关测试，结果表明本次设计的新能源汽车共享充电引导通信系统控制系统运行稳定、操作方便，达到了预期设计目的。关键词：新能源汽车；共享充电引导通信系统；控制系统；充电计费；目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IIAbstract III1绪论 11.1研究背景及意义 11.2国内外现状 11.2.1国外现状 21.2.2国内现状 31.3充电站发展状态 31.4主要研究内容 42充电引导通信系统控制系统设计 62.1智能充电引导通信系统充电方式 62.1.1智能充电引导通信系统的性能需求 62.1.2智能充电引导通信系统的技术要求 62.2工作原理 72.3系统设计 83控制系统硬件设计 103.1计费控制单元的硬件设计 103.1.1TMS320F28335介绍 103.1.2直流电源电路 123.1.3看门狗电路 123.1.4以太网通信电路 133.1.5语音模块电路 143.1.6EEPROM扩展电路 143.1.7RS485和RS232接口电路 153.1.8直流电压电流的测量 163.2充电设备控制器的硬件设计 163.2.1主控芯片STM32F103ZET6 163.2.2系统电源 173.2.3CAN接口 173.2.4开关量输入输出电路 184控制系统软件设计 214.1计费控制单元软件设计 214.1.1软件整体结构设计 214.1.2DSP开发环境CCS 224.1.3电表通信软件设计 234.1.4IC刷卡软件设计 234.1.5其他电路的软件设计 244.2充电设备控制器软件设计 254.2.1软件整体结构设计 254.2.3ARM开发环境--KeilMDK 264.3人机交互界面软件设计 264.3.1操作主界面 264.3.2充电界面 315系统测试 325.1急停功能测试 325.2软启动测试 335.3输出电压误差测试 345.4输出电流误差测试 345.5充电引导通信系统成本及运营 35结论 36参考文献 381绪论1.1研究背景及意义科技发展的时代，人们对生态环境的保护意识越来越强，在节能减排的号召下，电动汽车的研发成为聚集的焦点，电动汽车的发展符合现代生活的环保理念，逐渐受到社会群体的重视和大力推广，日常出行的代步工具又增添了一种选择。新能源技术的开发越来越熟练，使用范围越来越广泛，结合天然能源为新能源汽车离线充电，实现环保的意义，绿色出行已成为社会发展的趋势。目前，新能源的发电技术还不够稳定，大众群体为电动汽车充电的方式并不固定，在充电系统的设计方面还有更多的挑战性。为电动汽车内部结构打造一个完善的充电系统，使充电系统与周边环境相匹配，让赖于新能源技术发展的电动汽车充电系统，有个适配度更高的设计风格。充电系统的适用度性与广泛性不能局限于充电设施，要采取企业研发团队的设计策略，遇到问题能够及时有效的解决，为电动汽车充电设备的实施提供新的方案，为电动汽车充电设备提供商业价值。随着电动汽车的普及，驾驶环境和驾驶里程也在不断拓展，电动汽车的充电设施不完善，为消费者在驾驶中造成了诸多不便，影响了电动汽车的发展。在科技背景下，无线充电、车联网等新型技术的不断完善，相信在不久的将来，电动汽车的充电系统将会参与更多的生活服务，体现充电系统的服务性和商业性。光伏发电也属于新能源技术范围，在家庭用电领域起着很大的作用，对电动汽车充电设施有无实用性还有待考究。电车汽车的发展有可能代替传统的燃油汽车，但在技术上和与之匹配的充电设施上，有着相对的难度，遇到瓶颈期是不可避免的，是每个行业和企业都面临过的问题。本文以电气集成和工程角度为出发点，对充电系统进行多角度的研究，第一是生产品质，第二是制造过程，第三是社会服务，第四是商业模式。便捷优化的充电系统和高效的商业服务为充电系统带来历史上的革新。这是一项具有深远意义的研究项目，除了对所学知识创新思维的深化外，也是对国家政策的积极响应，更是对国家经济市场发展的强力支撑。1.2国内外现状从电动汽车出现在大众视野，走进大众生活以后，充电问题始终是人们最为关注的焦点，国内企业也在不停的完善和研发中。现在，诸多国家也对充电设备投入了研究，建造了很多充电设备。譬如：电动汽车充电引导通信系统、大型充电站等。1.2.1国外现状19世纪末，世界首辆电动汽车上市，它是由美国生产的，那时候还没有充电系统，使用的是传统的电池充电方式，它是用铅酸蓄电池作为动力源，使用恒流输出的车载充电器来为电动车充电，只能通过测定电解液的密度来检测电流的大小，以确定电动车是否有足够的电量，保证能够正常行驶。充电技术在不断的发展，恒流充电也延伸为恒压输出，恒压输出的充电方式提高了充电的效率，减少了充电的时间，如果和用恒压电流充电的电动汽车做比较的话，用恒压电流充电的方法会更好的保护电池，可以延长电池的使用寿命。20世纪中，美国有一位教授分析了利用电池为电动车充电的原理，通过各种实践以后，找到了一种适合为电池充电的最佳电流曲线，这种研究成果为电池充电技术的发展起到了很大的推动作用。20世纪末，发表了以他自己名字命名的Mass定律，因此，Mass定律为现在充电技术的发展带来了实质性的参考和帮助。2011年，美国新能源企业在纽约市建立了光伏充电站，也是世界首座电动汽车充电站，是以新能源技术为背景的光伏充电站，具体位置在纽约市的布鲁克林，往下俯视着纽约港和曼哈顿，是整个纽约市重要项目之一。2013年，Envision建立了世界第一个集自动化、移动化为一体的独立光伏充电站-EVARC，这种新型的充电技术无需建筑和土地面积的支持，直接与国家电网联网使用，EVARC的安装环境适用于车辆面积大小的停车位中，发电量为每天16千瓦时，适用于22千瓦时的车载电池储存设备中。2014年，马斯克在欧洲建立14个之多的新能源超级充电站，主要利用太阳能发电，建立独立电网，在超级充电站中添加电池组固定装置，确保一天24小时不停充电。2015年12月初，东京研发了电动巴士充电站，实现了二氧化碳零排放的要求，这种充电系统的实施是架构于屋顶的上方，铺设太阳能电池板，输出功率为50kW左右，把太阳能发电的电力储存至电池板中，通过充电输出设备快速向电动巴士充电。2016年，世界上最大的充电引导通信系统运营商Charg，在芝加哥推荐了太阳能充电站，这是一种以太阳能为发电能源的充电站。充电站的操作方式以及组成部分十分简单，充电站的房顶放置大量太阳能电池板，在地面上放置一批电池组，将两者连接，太阳能电池板将电直接传输至电池组进行储存，可随时为电动汽车充电。2020年，德国将在线学习和在线凸面优化应用于电动汽车快速充电上，这种充电对通讯要求比较高，通常增加不可逆单向通信。这种充电技术改变了传统充电方式，但是在延长电池寿命等方面表现的不太令人满意。随着物联网的发展，2021年美国提出了一种基于物联网的电动汽车充电控制策略。将MPPT算法的应用到充电控制系统中，根据实时需求，从负荷极限调整充电引导通信系统的峰值负荷，精确控制充电电路的电压能耗，实现共享汽车的智能充电。这种方法对电网冲击最小，负荷曲线更加平滑。1.2.2国内现状相比国外，国内对于充电技术的研究相对较晚。直到上个世纪70年代，我国王鸿麟教授在他的书中详细的介绍了国内外过快速充电的发展状况，书中主要介绍了恒流恒压等充电方式，在当时引起了研究者的广泛关注。后来王佩玉工程师通过研究自己的专业课程，将自己的专业知识应用到充电技术上，采用微控制器对充电进行控制，从而提高了充电电流的稳定性。进入21世纪，国内一位大学教授通过对恒压等充电方式的研究，并对间歇式充电进行改进，提出电压间歇充电。这种充电的最大特点就是在充电过程充电电流会随着充电时间增大而减小，每过一个阶段，电流改变一次，整个过程单调递减趋势。目前快速充电仍然是研究的热点，国内部分研究学者通过对其他学科的学习将将田口算法、粒子群、模糊控制、神经网络等其他领域算法应用于快速充电。动力电池的不断更新换代以及现代电子技术的快速发展对研究快速充电起到积极作用。1.3充电站发展状态2012初，上海通用汽车国内厂区建立了首个太阳能光伏充电站，在充电站里，可以随时利用太阳能，为电动汽车充上足够的电量。2015年中旬，青海地区建立了太阳能光伏充电站，引用了最新设备和先进技术，完成了智能充电引导通信系统和储电设备的搭建，是国内第一座为夜间行驶的电动汽车，提供充电服务的光伏充电站。2016年末，烟台地区建立了第一座专业为电动汽车充电的光伏充电站，并且进入试运营模式，为新能源公交车提供了太阳能充电服务。2017年，上海建立了国内规模最大、技术最先进、功能最齐全的富电光伏超级光伏充电站，如下图1-1所示。位于广场之中现代建筑风格的充电站载体，整体结构分为三层，有弧形、椭圆形等抽象立体图形组成，建筑身躯全部是由玻璃构成，豪华壮观又不失瑰丽，外形酷似宇宙飞船，充满现代时尚气息。充电站共分为三层，第一层为充电广场，以大型停车场为主，放置多种充电设备，为消费者的爱车提供充电服务，还有各种新车的宣传发布活动；第二层为星空咖啡馆、VR竞技场、VR体验馆等是消费者休闲娱乐的好地方；第三层为星空影院、星空唱吧、办公区域等；充电站的设计风格符合现代年轻人的审美，体现了科技与环保的统一协调，实现了综合服务一体化。图1-1上海富电超级光伏充电站太阳能充电站的建立解决了电动汽车充电的难题，是新能源产业和电动汽车企业共同发展的枢纽，新能源发电模式解决了能源危机，同时也保护了生态环境的绿色发展。至今，光伏充电站还处在综合示范性运营状态，具体是由以下几点造成的：第一，随着光伏电站规模的扩大，适合建设大型电站的土地资源逐渐稀缺。第二，光伏技术决定光伏充电站通常要采用顶棚形式，国内电站设计结构形式单一。第三，能源产量问题。光伏发电能源的产生，必须要有适合的环境，只有在白天才能实现对能源的搜集储存，没有匹配度很高的系统也不能完成供电需要，在充电高峰期，充电的速度也会减缓。第四，主要设计为大巴车、公交车等提供充电服务，对于私家车主，依然解决不了充电速度慢、排队、找电站难等问题。1.4主要研究内容研究的目的就是设计一种可靠的、性价比高的、并可实现双车同时充电的直流充电引导通信系统控制系统。该控制系统能够满足国家电网充电引导通信系统与电动汽车BMS协议标准，具备高效及高功率密度，支持双枪同时充电，具备三相输入过压、过流保护、欠压及短路保护；还具备输出过压、过流、短路、过温及通讯失败保护等安全措施。具体内容如下所示：（1）介绍新能源汽车及充电引导通信系统在国内外发展的现状及趋势，直流充电引导通信系统充电原理及充电流程。（2）详细论述直流充电引导通信系统控制系统的硬件设计，包含两个部分，一部分是以TI公司数字信号处理器TMS320F28335作为主控制器的计费控制单元的硬件设计，包括外围通信接口、刷卡器模块、以太网通信、语音模块及EEPROM扩展模块等；另外一部分是采用STM32F103ZET6作为主控芯的充电设备控制器的硬件设计，其中还包括数字开关电路、控制导引检测电路以及CAN总线接口的电路设计等。（3）详细论述直流充电引导通信系统控制系统的软件设计，即计费控制单元和充电设备控制器的软件设计。计费控制单元的软件设计主要包括电表通信、与充电设备控制器的信息交互软件、IC刷卡软件等部分的设计；充电设备控制器软件主要介绍最为重要的与BMS交互的CAN总线通信软件的设计。并对其中充电过程中需要特别注意的绝缘检测流程进行描述。（4）设计人机交互界面，用户能够方便快捷的在显示屏上完成整个充电流程，并能直观的了解充电引导通信系统的实时运行信息，其中有多种充电方式可供用户选择，可满足不同用户的需求，极大提升用户体验。（5）最后对控制系统的运行及各个功能的验证进行相关测试，根据测试数据分析评价系统的性能。2充电引导通信系统控制系统设计2.1智能充电引导通信系统充电引导通信系统的使用，为消费者解决了充电难的问题，为生活带来了便利，为保障充电引导通信系统能够安全稳定的正常运行，给消费者提供更多服务，实现市场价值，需要提升其性能要求和技术要求。2.1.1智能充电引导通信系统的性能需求充电引导通信系统的设计是智能化的，是科技时代的产物，智能充电引导通信系统必须以保护用户的人身安全和个人隐私为核心，不能泄露客户的信息情况，充电引导通信系统立于地面，充电时要与汽车连接，两者之间保持平衡对立面。充电插头与充电引导通信系统和汽车之间提供连线的作用，当两者相连时，汽车的控制系统会根据实际情况进入休眠状态，在进行充电时，汽车会显示处于充电模式，提示客户禁止驾驶，与此同时充电引导通信系统会自动锁定汽车充电线，避免插头松动和人为原因移动，发生触电及其它不良后果等等。设计智能充电引导通信系统的时候，应该把充电引导通信系统的感应功能与汽车电池管理系统相互融合，在电池处于充电模式时进行自动管控，当电池充满以后或发生故障时，自动断电开启保护机制。除此之外，充电引导通信系统应该具备独立的保护系统，遇到高压、低压、短路、高温时能够开启保护模式。充电引导通信系统的操作界面要设计的简洁易懂、便于操作，充电至饱和状态的时候，自动开启闭环控制，充电的过程和数据信息必须透明化，譬如说，在充电界面显示充电方式，充电电量等等。充电引导通信系统故障时，充电中断显示，故障类型的显示等，为后续维修提供参考依据。掌握智能充电引导通信系统的充电流程，提高充电效率的同时，也要保护电池的使用寿命，智能充电引导通信系统的重要核心部分是充电策略，利用充电引导通信系统的模块优势，用模块化策略对充电引导通信系统进行模块设计，便于将来的维护作业。2.1.2智能充电引导通信系统的技术要求（1）安全性给电动汽车进行充电作业的时候，一定要有安全机制，用来保证用户的人身安全，电池的质量是很关键的，应该重视的情况有以下几种：第一种是，汽车通过充电引导通信系统与电网进行连接的时候；第二种是，用户通过汽车与充电引导通信系统连接的时候；第三种是，充电引导通信系统产生故障时；第四种，遇到恶劣天气时等。（2）多功能性由于电动汽车行业处于起步阶段，许多充电引导通信系统只能对自己品牌的电动汽车充电，造成资源浪费。因此，设计一种通用充电引导通信系统是非常重要的，这就要求充电引导通信系统的插拔符合新的国家标准《电动汽车导电充电连接装置》(GB。20234.1-2011)2015年接口要求同时，充电后之间的通信和电动汽车的电池管理系统(BMS)应当依法设计之间的通信协议标准板导电充电器和电池管理系统的电动汽车(gb27930-2011)2015年，可以建立通信连接不同品牌的车辆和不同类型的锂离子动力电池充电。（3）高效性充电引导通信系统在同时使用时会影响充电的效率，电动汽车经过长途跋涉以后需要补充大量的电能源，与传统的加油模式相比，充电时长会在市场上略占下风，这是充电引导通信系统需要加强改进的地方。（4）使用方便性由于每次充电操作都涉及充电引导通信系统插头与汽车的连接，因此充电引导通信系统插头采用标准的九孔连接插头应使用。当充电引导通信系统与汽车连接时，用户无需过多操作干预充电过程，具有良好的人机交互功能。。（5）对电源污染小电动汽车智能充电引导通信系统是一种大功率、非线性的设备，会对电网产生有害的谐波。同时，充电引导通信系统在大负荷运行时，会对其他电气设备产生影响，因此有必要控制对电源的影响。2.2控制系统工作原理直流充电引导通信系统是为电动汽车提供直流电源的供电装置，其一般采用固定安装方式，与交流380V电网连接，输入电压采用三相四线式。首先380V交流电进入充电引导通信系统内的交流接触器然后与直流充电模块相连接。在接收到读卡器刷卡充电指示后，计费控制单元向充电设备控制器传递充电命令，充电设备控制器于是向充电模块下发指令输出直流电对电动汽车动力电池充电。在给电动汽车进行充电时，绝缘检测是必不可少的步骤，绝缘效果的好坏直接影响到了汽车安全和充电设备的安全，充电前期是充电引导通信系统自动检测，至于后期，则是由电动汽车检测，当绝缘电阻数值小于安全数值时，充电引导通信系统会做出断电保护。智能充电引导通信系统计费电表的使用，目的是来进行数据统计，在电动汽车充电时，通过使用的电量，换算出需要支付的金额，作为收款凭证。智能充电引导通信系统人机交互和计费模块为控制操作系统，是来达到充电后结算的目的。智能充电引导通信系统的数据存储模块，它的功能主要是用于存储充电的数据，便于后期维修时进行查询和统计，智能卡器适用于IC卡充电，充电完后进行支付功能，是为用户量身打造的快捷方式，用户在使用充电引导通信系统时发生故障时，可使用急停按钮进行断电操作，如下图2-1所示。图2-1直流充电引导通信系统充电示意图2.3控制系统设计智能充电引导通信系统中的直流充电引导通信系统，在充电效率和充电功率上有很大的优势，主要体现在高效率，高速度，更方便三大特点，充电引导通信系统的输入电压为三相交流电压；在输出时，为电压、电流大小可调的直流电，可直接为电动汽车电池组充电。如下图2-2所示。图2-2控制系统架构图智能充电引导通信系统的计费模块，是整个充电系统的核心，是个存储信息的数据库，也是处理系统故障的纽带。在按动智能充电引导通信系统开始按钮为电动汽车进行充电时，通过显示屏显示的数据，用IC卡刷卡充电或者支付。充电设备控制器作为充电引导通信系统的中枢，一方面接收计费控制单元的控制指令同时将采集的数据及报警信息等传递给计费控制单元来进行显示，另一方面又与充电模块及电动车BMS进行通信，实时控制充电电压及充电电流，保证整个充电过程的安全及稳定性。3控制系统硬件设计3.1计费控制单元的硬件设计智能充电引导通信系统的计费模块，是直流充电引导通信系统和交流充电引导通信系统的核心部分，相当于人和大脑的关系，计费模块不仅支撑着整个充电引导通信系统的运行，与此同时，还要利用其最大优势，对所有数据信息进行统计和储存，实时分析数据的稳定性，进行对故障风险的预警，为保障智能充电引导通信系统的正常运行，计费模块是否具有可靠性也是用户的疑惑，除了最基本的人身安全保障以外，充电引导通信系统的保密性质也备受关注，在充电过程中，用户机密性的信息会不会泄露等，性价比高、保密性好、反应速度快、计算数据准确也是计费模块的基本标准。所以智能充电引导通信系统在设计中采取了性能高的DSP芯片TMS320F28335对接收到的数据信息进行分析。计费控制模块硬件控制了系统所有数据的显示、传送和储存。实现人机交互、温度检测等，控制单元硬件结构图如下图3-1所示。图3-1计费控制单元硬件结构图3.1.1硬件选型TMS320F28335的特点是具有高性能32位浮点DSP控制器，与传统的定点DSP相对而言，主要具有三大特点：第一个特点，是精密度高；第二个特点是：功率消耗小；第三个特点是，高性能等，如下图3-2所示，图3-2TMS320F28335硬件结构图高达1500MHz的主频率（2）（FPU）的单精度（3）ROM的数值是256K×16位片内；RAM的数值是34K×16位片内（4）FLASH存储器的数量是128K×16（5）可以通过1M字节找到外部数据存储器接口（6）分别有16和12的通道和ADC（7）2个16位和3个32位的定时器（8）1个实现硬件的SPI接口和3个SCI（9）CAN通信接口和正交脉冲编码器各2个（10）有18个PWM输出和6个完全比较单元以及3个捕捉单元3.1.2直流电源电路+12V、+5V、+3.3V和+1.9V是我们计费中需要用到的直流电源供电的单元，且+12V，+5V的功能是输出。3.3V和1.9V两个电压是TMS320F28335运行的必要条件，同时还为IO进行供电，为了安全还应该在IO上安装引脚上电。TPS767D301是本设计主要采用的LDO的输出芯片，它可以为2路输出带来1A的最大电流，两路电压分别为3.3V和1.9V，是通过外围电阻进行调解的，我们根据TPS767D301数据手册计算出可以下公式：如图(3-1)所示其中，=1.9V，内部参考电压值为一常数：如图(3-2)所示根据以上数据我们得出了以下结论：如图(3-3)所示图3-3TPS767D301电路原理图3.1.3看门狗电路外部看门狗电路的设计对于提高抗干扰能力有着至关重要的作用，我们采用美国IMP公司制作的IMP706T芯片，作为本设计的看门狗电路，其芯片具有功能多，耗能低等优点，同时还具备定时和监视的作用，在供电系统出现故障的时候，它可以自动复位，芯片复位后的正常运行离不开系统中的WDI系统。如果1.6s没有触发看门狗的输入，那么它就会自动产生复位信号，其具体原理我们可以通过下图来看。图3-4分析看门狗电路示意图3.1.4以太网通信电路由于充电引导通信系统安装有时会比较分散，可能会分布在若干个区域，这就需要一个后台监控系统来进行集中管理。整个监控系统通过以太网通信将各充电站内所有充电引导通信系统运行状态、报警数据、电能消耗情况等信息实时汇总并分类统计进行显示，同时系统还具有遥控、遥信、遥测等功能。采用了W5500以太网控制器来实现以太网通信电路，W5500应用电路如图3-5所示。图3-5W5500电路原理示意图W5500达成了TCP和IP的协议，这使得客户在使用过程时对网络连接进行很好的拓展，其实采用SPI总线对外部控制器进行通信，同时可以达到高达80MHz的通信速率，进而达到高效的目标，在降低能耗的方法选择中，W5500采用了WOL和掉电模式来进行。同时，通过HR911105A来解决与外界的通信问题。3.1.5语音模块电路设计采用了具有人性化的WT588D016语音芯片和NJM386音频放大器来增强人们的体验感，同时这样的设计更能让人们更快的爱上它。WT588D016是一款可编程的单片机，支持2M～128Mbit的SPI-Flash存储器，同时还具备可重复擦除烧写的强大功能；（1）具备PWM和DAC的输出方式（2）具备WAV音频格式的加载；（3）具备加载采样率音频；（4）具备试听已加载语音播报的功能；下图3-6是语音模块电路的设计方案。图3-6语音模块电路设计3.1.6EEPROM扩展电路充电引导通信系统对于电压电流的参数、IC卡信息等数据需要记录，那么安装一个功能强大的具有存储功能的存储电路是很有必要的，EEPROM存储电路就是它的不二之选，该存储电路是由一款64K的可擦除芯片，同时通过CPU与SPI进行通信来运行的，该芯片有一个保持管脚的通道(HOLD)[33]，它可以为高电恢复运行提供帮助，且有共享的功能，下图就是该电路示意图。图3-725LC640电路所设计方案3.1.7RS485和RS232接口电路本设计是由两路RS485接口组成，它们分别负责通过计费电表来查看电桩电量的使用情况和电桩控制器的通信工作，同时传递出电压电流以及报警系统的有关数据，以上功能都是通过MAX3485通信芯片来完成的。同时并联了两个TVS管用来抑制过压瞬变现象，以及添加了一个120欧姆的阻抗匹配电阻，来解决信号反射等问题，如下图所示。图3-8RS485串行通信电路原理示意图电路通过两路独立的RS232接口，来完成触摸屏人机的交替和与IC卡读卡器的通信工作，电平的转换则是由MAX3232来完成，为了满足该电路的需求，MAX3232同样也是有着两个独立的RS232接口，图3-9是设计方案。图3-9RS232电路设计图3.1.8直流电压电流的测量通过DJSF719-NZ1单相直流电表来完成对电压和电流的测量是本设计的一大亮点，直流充电的电压可以通过电表直接获取，同时串联一个分流电阻，并通过分流电阻转变成电流进行参考。DJSF719-NZ1单相直流电能表，规定其电压为75mV，分流电阻的测量是通过0.75mΩ进行的，测量的电流最大值为100A，满足了充电电流的最大标准。3.2充电设备控制器的硬件设计计费控制单元、充电模块以及数据出入量的检测是由充电控制器来完成的，充电设备控制器是由3路CAN通信接口组成的，第一路是与充电模块进行通信，余下两路分别与汽车的BMS1和BMS2进行通信，通过其信息的交换，来采集出汽车充电所需要的电压和电流。然后反馈给充电模块，由其进行电压电流的输出工作。充电控制器中的两路RS48，分别完成了对充电过程中所产生的电压电流的传递工作和交直流绝缘监测模块通信工作，以此来进行计费单元充电和停止充电的控制以及检查汽车绝缘性情况的工作。并在出现故障的第一时间，对其进行保护等措施。监测8路开关的输出和9路开关的输入工作也是其具备的一项功能，同时还具有对2路电磁锁和2路PT100进行测温的功能，以及各部件指示灯，接触器的检测功能等，下图是该硬件的结构示意图。图3-10充电设备结构示意图3.2.1主控芯片STM32F103ZET6STM32F103ZET6作为充电设备的主要控制芯片，是在ST公司开发ARM核心的32位微控制器基础上开发出来的，它拥有稳定和最高72MHz的工作频率，特征如下：（1）存储器具有512K字节的闪存功能；（2）EEPROM也拥有4K字节（3）SRAM有最高64K字节的内部；（4）4个预分频器和8位计数器；（5）5个USART接口；（6）I2C接口有两个；（7）CAN接口有一个；（8）SPI接口有三个；（9）12位的模数转换器有三个；（10）控制电机的两个16位PWM高级控制定时器；（11）USB2.0全速接口有一个。3.2.2系统电源充电控制器需要的电源是+12V、+5V以及+3.3V，+12V，+5V具有电源输出的功能，下图是+3.3V电流输出示意图，具备精度高、线性好等特点，NCV1117ST33T3G作为LDO型的稳压芯片，可以提供最大1A的电流输出。图3-113.3V电路设计图3.2.3CAN接口充电模块、以及BMS1和BMS2的通信，是由3路CAN接口完成，芯片STM32F103ZET6却只有1路接口，这就需要通过其它方式来进行CAN接口的扩展，本电路是通过控制器MCP2515来进行扩展的，同时满足了CANV2.0B的规范要求，其内部有6个分别控制滤波和屏蔽功能的寄存器，可以把一些垃圾文件过滤掉，以此来减少主控制器的工作量，SPI是实现MCP2515与MCU连接的必要条件，同时SPI接口可以扩展多个不同信号的CAN控制器，下图是MCP2515扩展图。图3-12MCP2515电路扩展设计图A82C250满足了CAN的收发功能，同时作为Philips公司研发完成一款高性能的收发器，它具有自动的调整斜率和电流大小的功能，下图是该收发器的原理图。图3-13CAN收发器原理图电磁干扰会影响通信质量，所以在CAN控制器和收发器之间我们设置了一个屏蔽电路，屏蔽电路的安装是选用了ADuM1412芯片来完成的，为了能够达到最佳效果，同时设计了两个独立的电源来辅助完成。下图是磁耦隔离电路的设计方式。图3-14磁耦隔离电路设计分析图3.2.4开关量输入输出电路直流接触器、电磁锁以及充电指示灯都是充电设备控制器的主要功能，同时还兼备紧急事件的急停工作和温度的控制工作，TLP127的使用，有效的解决了开关量信号的隔离问题。下图是运行原理示意图。图3-15关于开关量进出示意图3.2.5控制导引检测电路下图是充电枪与汽车连接状态的判断装置图。图3-16充电枪与汽车连接示意图上述功能的通过是需要检测R3的阻值，来确定地线的连接是否正确，当充电引导通信系统可以对汽车进行充电时S1闭合，当汽车可以接受充电引导通信系统充电时，则S2闭合，这两个装置任何一个发生了断开现象，就会导致充电引导通信系统不工作，通过上图不同状态下对各部位进行检测从而得出了不同的电压值，设计方案中是通过对比电压的方式来检查充电装置是否连接正确，如下图所示。图3-17控制系统电路检测示意图从电阻的分压中得到了电压的固定值，比较器会在检测点电压不同时与参考电压做对比，从而通过光耦后的GPIO输出电量的大小，来确定连接状态。4控制系统软件设计直流充电引导通信系统安全稳定运行，不仅仅要依靠出色的硬件设计，还需要软件设计的合理及严谨，硬件和软件相辅相成、缺一不可。充电引导通信系统控制系统的软件设计包含计费控制单元和充电设备控制器两个底层软件设计，其中包含比如CAN、RS485等各个模块的软件编写。4.1计费控制单元软件设计4.1.1软件整体结构设计作为整个系统的核心设计，计费系统在整个设计结构中承担着承上启下的重要位置，通过采集电能表内部的实时数据，以及完成IC卡的刷卡和计费功能，来下达对充电设备控制器的指令，充电控制系统之所以很方便，是因为它采用了C语言的编写方式、和遵循了模块化的编程思想、大大提高了代码的易懂性，同时也为后期的升级维护提供了巨大的便捷。与充电设备控制器的通信、读卡器子函数以及和外部EEPROM的读写函数等都是计费控制单元的设计亮点。下图是该程序示意图。图4-1关于系统使用流程图4.1.2DSP开发环境CCS计费控制单元由于采用TMS320F28335，所以软件开发在基于CCS（CodeComposerStudio）开发环境下进行的。CCS将软件仿真、硬件调试以及实时跟踪等功能融于一体，为软件开发者提供了便利。CCS软件的性能特点如下：（1）执行代码、反汇编等的装入功能；（2）汇编器、编译器和链接器同时运行等；（3）加亮语法显示，方便发现问题所在；（4）断点的设置和观察点的调试功能；（5）将运算结果和数据通过图形显示出来；（6）全功能、可视化的编辑器功能；（7）仿真器和模拟器可以很好的进行模拟和监视工作4.1.3电表通信软件设计RS485标准串行很好的将计费控制单元和电表连接在一起，并在满足DL/T645-2007通信制度的前提下，进行数据交换（1）关于字节跳动格式的问题根据规定，字节在传输过程中，在基本的8位二进制码中还要增加3位字节，共计11位，下图示意了其传输序列表，D1和D7分别作为最低和最高位在传输过程中要遵循由低到高的规则。图4-2字节传输格式（2）关于帧格式问题从机在接受从总机下达的命令后开始工作，这一传输过程是由帧在完成，帧是代表信息传输中的基本单元。帧就是其数据的格式。下表4-1所示。表4-1关于帧格式示意表说明代码帧起始符68HA0地址域A1A2A3A4帧起始符控制码数据域长度数据域校验码结束符68HCLDATACS16H4.1.4IC刷卡软件设计在识别用户IC卡后，RS232会通过与计费单元的互通，同时在此过程中控制板会通过对ESAM密钥的读取后，和IC卡进行数据交换，从而进行充电工作，以下是IC卡扣费示意图，充电引导通信系统只具备结算功能而不具备充值功能，需要充值的话，可以到充电引导通信系统管理公司进行充值缴费。图4-3IC卡扣费流程示意图4.1.5其他电路的软件设计（1）关于触摸屏显示软件的设计DGUS触摸屏作为本设计的显示部件，其人机界面的设计是通过PC软件来完成的，通过存储器的代码，可以有效的将人机交互和控制器分开，它具有以下特征：（1）无操作系统，可靠、稳定；（2）通过PC软件来实现操作的简单化和功能的丰富化；（3）5条简单的代码即可实现人机交互；（4）根据需求随意设置设计界面。（2）时钟和数据的实时存储功能I2C作为DS1302的通讯方式，同时TMS320F28335内部有I2C总线接口，可以采用I/O口来代替I2C，这样做的弊端就是一方面增加了设计量，另一方面造成了其不能稳定运行的状况。McBSP接口是作为TMS320F28335功能内部的一个多通道缓冲串行接口，它是在I2C和SPI总线资源不够时，充当辅助接口的，并使得DS1302通信得以解决。同时I2C总线通信大大的提升了系统的稳定性。（1）芯片的初始化和读写操作的三部分子函数是DS1302的主要功能，基本的工作模式和配置等是初始化函数完成的，通过配置完成的McBSP总线去读取寄存器的数据并对其进行分析整理，是DS1302读操作的任务，BCD码形式是对于DS1302内部日期和时间的一种表现形式，而星期寄存器只需要用一位数字来代替就可以。那么就需要将寄存器的数据转换为BCD码和ASCII码进行储存。DS1302写操作主要是满足系统对时的需要，也就是需要对内部时间参数进行重置。同样为了易于操作和计算，要把需要修改的日期、时间参数表示的ASCII码转换为BCD码写入到DS1302寄存器内。（2）25LC640采用SPI与主机进行通信，工作时只需要4根线，分别为SI、SCK、SO、CS。HOLD管脚导致于25LC640和其它设备产生了区别，所有输入信号除了CS都可以通过管脚对其进行忽略，同时它还具有暂停通信的功能，在多个从设备共享一个SPI总线的情况下，它的优势就被很大程度的凸显了出来。4.2充电设备控制器软件设计4.2.1软件整体结构设计计费系统的解码，主要是由充电设备控制器和计费控制单元二者完成的，在通信协议的规定下，采取了一问一答的模式，对信息进行互通，通过CRC16的验证方式来确定通信之间的精准性。BMS及充电模块的互通，实现了数据的实时上传，以及保护功能，数据包括，电压电流值以及汽车内部电池组的实际状况，单体电压的最高和最低是检查电池是否充满的科学依据，其中电池在充电时的温度等，也是检查安全性的重要条件。计费控制单元的通信、电动汽车BMS的CAN通信以及数字开关量检测模块、与充电模块的CAN通信等是组成充电设备控制器的主要软件，下文主要介绍了BMS和CAN关于通信方面的设计。4.2.2BMS的CAN通信软件设计采用了传输率为250kbps的CAN控制器，符合CAN2.0B的标准，同时支持扩展29位标志符，且存在于STM32的内部集成。CAN控制有两种发送信息帧的方式，分别是数据帧和远程帧的发送，在数据被写入指定邮箱的数据区后，若是有相应的请求功能出现，则数据帧被成功的发送到了CAN总线上，同时，数据区可以通过软件进行重设。软件编写包括CAN初始化、CAN接收数据函数、CAN发送数据函数等。初始化用来实现CAN工作的参数设置，比如工作方式的设置、始终输出寄存器的设置、总线定时器的设置、中断寄存器的设置及总线波特率的设置等。把对应的信息帧放在对应的接收缓冲区内是CAN总线要完成的主要工作，它采用了中断处理的方式来辅助系统运行，根据优先级的区别，程序会做出不同的指令，同时根据指令来处理相关事宜。当检测完充电引导通信系统与汽车之间的有效连接后且电压属于正常值后，充电设备会以250ms的速度向BMS发送CHM报文，同时在收到报文后同样以250ms的速度向充电引导通信系统发送BHM报文，这个期间，若超过5s没有接收到来自己对方的报文，充电引导通信系统就会结束充电工作。4.2.3ARM开发环境--KeilMDK在编写ARM程序的过程中，开发了KeilMDK这一语言编译器，其主要特点有：（1）ARMC/C++编译工具链的领头者（2）TCP/IP网络套件的配置，使得它可以支持多种协议以及应用软件（3）拥有USB设备和USB主机栈（4）给用户提供了完善的GUI库支持（5）可以完善代码覆盖率信息（6）为程序最优化提供支持和帮助（7）通过大量案例，让你快速熟悉MDK-ARM的强大4.3人机交互界面软件设计4.3.1操作主界面如下图所示，这是充电引导通信系统通电后显示的主界面，此时充电引导通信系统是属于非工作状态，表示可以为汽车提供服务。图4-4关于充电引导通信系统的充电主界面由图可以看出，充电引导通信系统的配置了两个充电枪，这就代表两台车可以同时在此电桩进行充电，屏幕同时还显示了充电引导通信系统可以为汽车提供的最大电流以及范围，通过对比自己汽车的相关数据，看是否符合，如果满足汽车对于电流的要求，就可以进行充电了。下图是关于密码输入的界面，当系统检测到IC卡后，会自动跳入到密码界面，在正确输入号密码后，就可以进入到充电界面，途中IC卡号是在读取IC卡信息后，自动显示的，且可以用于修改IC卡的信息。图4-5充电引导通信系统的密码输入界面通过下图可以看出，它是充电方式的选择界面，可以通过自己的需要对充电引导通信系统上显示的4中模式进行选择，在选择完模式之后，充电引导通信系统就会自动充电，当SOC（电池的荷电状态，StateofCharge，简称SOC）显示100%时，就代表完成了充电，此时充电引导通信系统会自动关闭电源。图4-6充电方式的界面在界面上输入需要充电的金额，系统会自动根据金额计算出所需要充的电量来进行充电，在界面上输入电量，系统同样会根据电量计算出需要多少钱，然后开始充电，在界面上输入时间，系统会根据用户设定的时间进行充电，这是三种充电方式的流程，当满足用户输入数据的要求后，充电引导通信系统则会自动切断电源。计费的部分源代码如下所示：modulejf(lch,jishi_1,fee);inputlch,jishi_1;outputfee;reg[13:0]fee;wire[7:0]lch;wire[7:0]jishi_1;always@(lch,jishi_1)beginif(lch[7:0]>8’b00000010)beginif(jishi_1[7:0]<8’b00000010)beginfee[4:0]={1’b0,lch[3:0]}+5’b01000-5’b00010;fee[9:5]={1’b0,lch[7:4]};fee[13:10]=4’b0000;if(fee[4:0]>5’b01001)beginfee[4:0]=fee[4:0]-5’b01010;fee[9:5]=fee[9:5]+5’b00001;endendelsebeginfee[4:0]={1’b0,jishi_1[3:0]}+{1’b0,lch[3:0]}-5’b00001+5’b01000-5’b00010;fee[9:5]={1’b0,jishi_1[7:4]}+{1’b0,lch[7:4]};fee[13:10]=4’b0000;if(fee[4:0]>5’b10011)beginfee[4:0]=fee[4:0]-5’b10100;fee[9:5]=fee[9:5]+5’b00010;endelseif(fee[4:0]>5’b01001)beginfee[4:0]=fee[4:0]-5’b01010;fee[9:5]=fee[9:5]+5’b00001;下图可以看出，在选择根据电量进行充电的过程中，界面左侧会显示IC卡的余额以及余额可以给电车充多少电，而右侧，则是需要输入本次所需要充电的量，在输入完成后可以点击确定，这样系统就会自动切换到下一个界面。图4-7关于充电引导通信系统电量设置的界面图4-8所示界面提供了手动自动方式的选择。如果点击“手动设定充电”按钮，界面转入图4-9所示界面，如果点击“自动智能充电”将按自动充电方式进行充电，该充电方式下，系统将立即开始充电，如果系统未出现故障，也没有人为中止充电，则将会在电池充满后自动停止充电。图4-8手自动选择界面进入手动控制参数设定界面后，可以输入本次充电的最大充电电压以及最大充电电流，这是为了解决某些电动汽车或者电动公交车与充电引导通信系统电压不匹配问题，盲目充电会对汽车电池组或者充电引导通信系统本体造成一定的危害。图4-9手动参数设定界面上图中点击确定后会进入充电启动方式选择界面如图4-10所示，立即启动是对已经连接好的电动汽车进行立刻充电。但是在施行电费阶梯价格后，车主为了节省资金往往选择一天中电价较为便宜的时间段进行充电，而这个低谷时间段一般是在后半夜。所以为了解决车主不用熬夜等待充电的问题，特地增加了预约充电这一功能。图4-10启动方式选择界面点击预约启动后，会出现如图4-11所示的界面，此界面是客户设置充电预约时间的。页面中预约时间为分钟，所以必须正确换算预约时间，避免造成换算错误而导致无法按时充电。图4-11预约时间设置界面时间设定后，按“确定”后会显示如图4-12所示界面，此界面是对上面设定的预约时间倒计时显示的。图4-12预约倒计时界面4.3.2充电界面系统会在倒计时结束后开始充电，如下图所示，可以清楚的看到充电时的电压、电流以及时间，并且根据页面上万能表显示的数据，可以看到SOC在使用过后的数据，当期数据为100%时，就代表电池已经完成了充电。图4-13充电引导通信系统的充电界面上图可以看到有一个结束充电的图表，意思就是，在充电过程中，如果有结束充电的需要，那么就可以点击它，从而系统会自动进入到结算页面。充电引导通信系统控制系统的软件设计包含计费控制单元和充电设备控制器两个底层软件设计，其中包含比如CAN、RS485等各个模块的软件编写，计费控制单元软件和充电设备控制器软件以第三章的硬件为基础，以模块化形式进行设计。人机交互界面包含整个充电流程各个主要页面，突出了友好的人机交互过程。5系统测试通过建立数学模型并选择MATLAB作为仿真工具。模糊神经网络通过对权值的调整以及对参数优化，得到了对PID三个参数kp、ki、kd的三个参数决策表，并将参数写到控制器的存储器中，控制系统在工作时可以随时读取程序。将控制算法与PID控制、模糊PID控制进行仿真，并对结果进行对比分析，整个仿真模型如图5-1所示。图5-1系统仿真整体图5.1急停功能测试为了提高控制精度，本文采用利用增量式的方法获取的PID，模糊神经网络PID控制器的初始值。利用Matlab/Simulink搭建仿真平台，采用读写方便的S函数来实现系统的运算与控制，该方法方便可靠又避免了使用源代码的带来的麻烦。在快速充电阶段过程，根据马斯充电曲线，充电电流会随着充电时间而减小，因此为了模拟实际的充电状态，在充电进行到34秒时，控制系统要求将充电电流减小到90A以下，充电引导通信系统连接负载，并设置在额定电压下运行，要求在急停操作情况下，充电引导通信系统应能在200ms内断开直流输出，且输出电压应在1s内降至60V以内。测试波形如图5-2所示。图5-2急停测试波形图下表是测试结果示意表表5-1关于急停实验的测试数据状态输出电压输出电流输出降至60V时间急停操作494.9V79.88A14.8ms从检测结果可以发现，充电引导通信系统只用了14.8ms的时间，就把电压降低到了60V内，达到了对于设计的要求。5.2软启动测试在充电引导通信系统出现突发状况时，软启动就可以很好的保护的车内装置，所以电压输入要遵循，从低到高的规范，在连接负载的同时，设定好额定电压的条件下运行，同时通过示波器来检测输出波形，输出的电压稳定时间在(3~8)s，波形测试结果如下图所示。图5-3软启动波形测试图下图是测试结果示意表。表5-2软启动测试数据状态输出电压输出上升时间软启动500V5.7s从上表可以看出，电压从输出到稳定时间为5.7s，达到了的设计标准。5.3输出电压误差测试在电压稳定不变输入的过程中，充电引导通信系统在恒压下带负载运行的同时，设定输出电压为额定电压的50%，然后根据充电引导通信系统输出电压U的量，正常情况下其误差是在±0.5%。测试结果示意表表5-3关于测试电压误差的实时数据序号U0(V)U(V)△U（%）1400400.80.202450451.20.273500501.50.304550549.20.155600601.30.226650651.60.257700699.10.138750748.60.19在设定不同输出电压的电压值时，可以通过表格发现，其误差都是在±0.5%内，是符合设计要求的。5.4输出电流误差测试在电压稳定输入不变的情况下，充电引导通信系统在恒流带负载运行的同时，通过设定电压的中间值，来检测电桩的实际输出电流Iz，在设定电流为≥30A时，正常情况的误差是在≤±1%。设定电流为<30A时，正常误差是在≤±0.3A。测试结果示意表。表5-4关于测试电流误差的实时数据序号I0(A)I(A)△I（%）11515.10.6622019.90.5032525.20.7943030.30.9954040.30.7464545.40.8875049.60.8185555.30.5496060.40.66107070.20.28由图可知，在设定范围内的任何电流值时，其误差都在标准范围内，同样达到了设计标准。5.5充电引导通信系统成本及运营据估算，建设一个充电引导通信