家庭智能交流充电桩系统设计

窦洋洋，陈恒，代严满，胡宗华

（西京学院理学院，陕西 西安 710123 ）

家庭智能交流充电桩系统设计

窦洋洋，陈恒，代严满，胡宗华

（西京学院理学院，陕西 西安 710123 ）

简要介绍了交流充电桩，根据我国电动汽车充电的特点，针对用户需求设计了基于STM32F103RCT6微控制器的家庭智能交流充电桩系统解决方案，介绍了系统主要硬件选型和充电桩与电动汽车电池管理系统之间的通信电路，系统提供指纹解锁充电桩和远程无线充电控制方案，设计了移动端APP，极大地方便了个人用户日常充电需求。

交流充电桩；指纹识别；电池管理系统；远程控制

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-09-03

引言

随着不可再生能源的持续不断消耗，能源危机已经迫使各国更加重视新能源的开发。电动汽车作为一种新能源产品，正在被全球各个国家广泛推广。作为电动汽车的配设施，电动汽车电池技术与充电桩技术的发展在一定程度上影响着新能源电动汽车的普及。充电站作为电动汽车的加油站具有三种工作方式：快换方式、快充方式、常规方式。其中快换方式要求充电站可以对电池组合车辆快速分离，适用于标准充电站；快充方式采用大电流充电，由于电流过大，只适用于标准充电站；常规方式即小电流慢速充，充电电流小，充电设备相对简单方便，可用于普通家庭的日常充电。

1 交流充电桩简介

电动汽车充电桩的功能相当于加油站里的加油机，作为电动汽车的“加电”设备。交流充电桩一般也称作“慢充”，安装在电动汽车停车地点，与电网连接。交流充电桩作为交流电源控制管理器只提供电力输出，连接电动汽车车载充电机为电动汽车充电。交流充电桩基本结构包括箱体、安全配电盘、电磁开关、电量计量和智能管理系统。鉴于交流充电装具有占地面积小、布点灵活、费用较低和充电时间方便的原因，电动汽车一般优先选择在夜间充电，而每一辆电动汽车必配交流充电桩。

2 智能交流充电桩系统方案

系统由智能控制模块、显示模块、输入模块、指纹模块、报警模块、4G模块、RS 485接口电能表、漏电保护断路器、交流接触器、急停控制、控制引导通信模块等部分组成。显示模块提供有好的人机交流界面，与输入模块配合完成人机互动任务。指纹模块可以提高充电桩的安全性，保证充电桩的所有权。4G模块完成充电桩与用户的远程无线通信，实现远程充电控制。控制引导通信模块是充电桩与车载电池管理系统（BMS）进行通信并检测充电接口连接。设置安全保护措施，发生意外情况时可自动报警并保护充电桩和电动汽车，或者通过急停旋钮来中断充电。系统的原理框图如图1所示。

图1 交流充电桩电气系统原理框图

3 系统硬件设计

3.1 控制器

考虑性能和工作要求，系统控制芯片选择ST公司LQFP-64封装的STM32F103RCT6型高性能芯片，芯片工作电压2.0V到3.6V，工作温度-40度到85度间。芯片内部集成32位Cortex-M3 内核，最大时钟频率达到72MHz，程序存储器大小具有256kB，数据RAM大小为48kB，包括串口、SPI、I2C、CAN、USB等多种形式的接口模式。

3.2 指纹模块

表1 ZFM-500SA指纹模块技术指标

指纹模块是指纹锁的核心部件，安装在如指纹门禁或者硬盘等器件上，用来完成指纹的采集和指纹的识别的模块。指纹模块主要由指纹采集模块、指纹识别模块和扩展功能模块（如锁具驱动模块）组成。指纹模块选择杭州指安科技有限公司推出的ZFM-500SA系列半导体指纹模块，其以高性能高速DSP处理器AS601为核心，结合FPC1011半导体指纹传感器，在无需上位机参与管理的情况下，具有指纹录入、图像处理、指纹比对、搜索和模板储存等功能的智能型模块。主要技术指标如表1所示，实物如图2所示。

图2 ZFM-500SA指纹模块

3.3 4G模块

4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体的技术产品。 4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4g具有通信速度更快、网络频谱更宽、通信更加灵活、智能性能更高、兼容性能更平滑、提供各种增值服务、实现更高质量的多媒体通信、频率使用效率更高、通信费用更加便宜等优点。本系统选用龙尚科技U8300系列4G模块，其主要技术指标如表2所示。

表2 U8300主要技术指标

图3 U8300模块

3.4 控制引导电路

依据GB/T 20234.2-2011《电动汽车传导充电用连接装置；交流充电接口》中相关规定的要求，采用控制引导电路的方式作为充电连接装置的连接状态及额定电流参数的判断装置。供电设备插头与插座连接后，供电控制装置通过检测点的电压值判断供电插头与供电插座是否已完全连接。控制引导电路可以满足供电设备侧和车辆侧的连接确认，通过相关电路的检测保证充电电流和车载充电机、电源侧供电设备、充电连接装置在允许值范围内匹配。在充电过程中通过不断检测供电设备的PWM占空比实时调整充电电流，满足电网侧智能调度的需要。控制引导检测电路如图4所示。

图4 控制引导检测电路

3.5 通信电路

电动汽车电池管理系统（BMS）能使控制和管理电池更加有效率，确保每一个电池工作在可运行的区间范围内，避免电池过充过放和热失控等问题发生。通常一个电池系统中包含上百个，甚至上千个电芯。如何保持电芯工作在合适的区间内，BMS发挥着重要的作用。BMS功能有监视电池状态、保护电池、上报数据、均衡等，对电动汽车电池组进行充电时必须保证充电桩与电动汽车BMS保持通信。根据充电桩与电动汽车电池管理系统相互之间的通信，充电桩控制器才能在线调节充电功率，显示充电电压、电流、电量和充电费用等。充电桩与电池管理系统通信电路如图5所示。

图5 CAN通信电路

4 软件设计

家庭智能交流充电桩系统可以通过本地控制和远程移动终端控制两种方式来对充电过程进行控制。本地控制主要通过输入模块和显示模块进行人机交互。远程控制通过4G无线模块将充电信息发送到云端和移动中终端，通过移动终端的APP控制充电信息。远程控制可以灵活设定充电起始时间，可以在用电低谷期电费最便宜的时间段内对电动汽车进行充电。

还可以随时监测BMS，了解汽车的电池使用情况，定期保养更换电池，避免电池组事故的发生。程序流程图如图6所示，APP充电模式选择界面如图7所示。

图6 程序流程图

图7 充电模式选择界面

5 总结

本文通过分析家庭交流充电方式，针对用户需求特点设计家庭智能交流充电桩系统解决方案，叙述了系统的硬件设计和软件设计。该系统基于STM32F103RCT6微控制器，具有本地指纹解锁充电桩的功能，设计了充电桩与电动汽车电池管理系统之间的通信电路，实现充电过程人机交互、充电信息检测、充电保护、充电模式选择等功能，并搭载4G无线通信模块进行远程通信，设计移动端APP实现充电过程远程控制。该系统可以满足一般家庭对电动汽车进行慢速充电的需求，并且具有良好的用户体验功能，作为家庭交流充电桩对电动汽车在普通家庭的普及具有很大的推进意义。

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Home intelligence ac charging system design

Dou Yangyang, Chen Heng, Dai Yanman, Hu Zonghua
( Xijing college of science, Shaanxi Xi'an 710123 )

This paper briefly introduces the ac charging pile, according to the characteristics of the electric car charging in China, based on user requirements designed STM32F103RCT6 microcontroller family intelligent ac charging pile system solutions, introduced the main hardware selection and charging pile system and electric vehicle battery management system, the communication circuit between the system to provide fingerprints unlock charging pile and remote wireless charging control scheme, design the mobile client APP, bringing great personal daily charging customers' needs.

alternating current charging piles; Fingerprint identification; Battery management system; The remote control

U463.6

A

1671-7988 (2017)13-09-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.003

窦洋洋（1991-），在读研究生，主要研究方向为电源设计与控制。陈恒（1965-），副教授，硕导，主要研究方向为数据采集与智能控制。代严满（1992-），在读研究生，主要研究方向为电路设计与控制。胡宗华（1992-），在读研究生，主要研究方向为数据采集与控制。