新能源汽車便攜式充電槍充電控制系統設計

郭三華, 曹麗娟, 董艷艷, 鄒德偉

(煙臺汽車工程職業學院 電子工程系， 山東 煙臺 265500)

0 引言

傳導式充電方式是當前新能源汽車比較常用的充電方式[1]。主要的傳導式充電設備包含交流充電樁、直流充電樁、便攜式充電槍等，是新能源汽車產業發展中主要的后市場分支之一[2-3]。在新能源汽車類專業課程設置中，電動汽車充電技術及系統作為一門核心課程，其內容綜合性較強。傳導式充電方式涉及到充電設備供電、裝配、交直流電控制、弱電信號控制等較多內容，學生系統性掌握難度較大。為便于學生加深對充電系統知識理解，設計針對新能源汽車便攜式充電槍的充電控制系統，該系統包含充電控制框架、遠程App控制功能、以STM32F103單片機為核心所設計的硬件充電控制終端、控制終端裝配等方面的分析。通過對該系統的硬件充電控制終端裝配、系統測試及應用實訓，不僅可以提高學生的實踐能力，也為學生對后續交流充電樁、直流充電樁等傳導式充電系統的分析奠定基礎。

1 控制系統整體結構分析

控制系統主要包含手機App遠程控制端，以STM32-F103單片機為核心所設計的硬件充電控制終端，與硬件充電控制終端連接的便攜式充電槍等。App遠程控制端主要是設置相關的分時預約控制、實時控制等功能，硬件控制終端主要接收App遠程控制端的信號，控制便攜式充電槍供電通斷，同時在硬件控制終端上也設計手動設置相關功能的按鍵，便于現場功能的設置，其控制系統整體結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統整體結構圖

2 遠程App控制功能設計

App遠程控制開發平臺采用Android Studio,適用于A-ndriod操作系統的手機客戶端[4-5]。遠程App控制功能主要包含硬件充電控制終端狀態獲取，預約定時功能設定、實時控制功能設定，為便于App遠程控制多個硬件充電控制終端，擴展對多個純電動汽車充電的控制，設置添加終端功能，添加終端功能是以硬件充電控制終端內SIM卡的號碼作為終端號，利用App控制界面選擇不同的終端號，實現對對應硬件充電終端控制，其功能界面如圖2所示。

圖2 App遠程控制功能設置界面

3 硬件充電控制終端設計

硬件充電控制終端的設計涵蓋交流電傳輸線路設計、以STM32F103單片機為核心的控制電路板設計、控制終端裝配分析等內容。通過與App遠程控制界面通信或者自身設計的手動功能按鍵實現分時預約控制、實時控制等功能，在實現弱電信號控制交流電傳輸控制的同時，需要保證整個終端的裝配滿足電工布線要求，實現實際應用過程中的防水、散熱要求。

3.1 硬件控制終端結構框圖

硬件控制終端設計主要包含控制電路板設計、交流電傳輸線路設計兩部分，其中控制電路板是以STM32F103單片機為核心，結合顯示模塊、通信模塊、功能按鍵模塊、交流接觸器驅動模塊等。交流電傳輸線路主要包括空氣斷路器、浪涌保護器、漏電保護器、交流接觸器等，交流電傳輸驅動控制模塊主要是由繼電器與外圍電路組成，負責接收執行指令，控制交流接觸器通斷，硬件控制終端結構框圖如圖3所示。

圖3 硬件控制終端結構框圖

3.2 硬件控制終端控制電路板設計

3.2.1 STM32F103單片機最小系統

該最小系統主要是由STM32F103單片機、濾波電路、復位電路、晶振電路等組成，具備低功耗、實用性較強等特點[6-8]。滿足該設計的控制需求，其最小系統電路圖如圖4所示。

圖4 STM32F103單片機最小系統電路圖

3.2.2 通信模塊選取

在通信模塊選取過程中，由于硬件充電控制終端內部體積小，考慮到交流電傳輸線路、控制電路板均放置于該終端內，兩者會存在相互干擾，所以采用抗靜電干擾性能較強的SIM800A模塊作為通信模塊。SIM800A模塊是基于MT6261芯片平臺設計的新一代GSM/GPRS工業模塊，該模塊提供雙串口、PCM音頻接口、USB接口等多功能接口，在低功耗和抗靜電干擾性能方面，較SIM900A有更好的提升[9-11]。其電路圖如圖5所示。

圖5 SIM800A模塊電路圖

3.2.3 顯示模塊與按鍵設計選擇

顯示模塊用于實時顯示控制終端當前狀態和設定狀態，需要具備亮度高、低功耗、響應速度快、使用壽命長等特點，相對于普通液晶顯示屏，OLED顯示屏滿足需求[12]。按鍵是為滿足手動功能設置所設計。兩者的布局設計應緊促、合理。自行設計的薄膜面板包含4×4矩陣型按鍵區域、顯示模塊放置區域、App二維碼區域，薄膜面板如圖6所示。

圖6 薄膜面板

為便于安裝使用，顯示模塊選擇帶邊框的OLED顯示屏，如圖7所示。

圖7 選用OLED顯示屏

3.3 裝配硬件控制終端的分析及要求

實訓過程中，學生在保證滿足實操條件基礎上，硬件控制終端裝配按照箱體設計、內部布線等進行分析和實施。

3.3.1 終端箱體設計

終端箱體采用合頁型防水布線箱，箱體上部布置薄膜面板和尼龍塑料拉手，便于攜帶該終端，同時也便于用戶對薄膜面板的操作；箱體底部采用調節腳座，便于箱體放置；箱體正面合頁開啟部分采用橡膠密封圈進行密封，起到防水、防老化作用；箱體背面采用Z型角碼連接件，可以將箱體進行掛置、輸入線路的纏放，在系統工作時也起到一定的散熱作用。箱體的側面分別為交流電輸入端和輸出端，輸入端與插座連接，輸出端與便攜式充電槍連接，輸入端與輸出端分別做防水處理，分別如圖8—圖11所示。

圖8 箱體上部

圖9 箱體背面、底部、側面輸出端

圖10 箱體正面開啟部分

圖11 箱體側面輸入端

3.3.2 終端內部設計

終端內部交流輸電線路所涉及的空氣斷路器、浪涌保護器、漏電保護器、交流接觸器均采用德力西品牌，按照電工布線要求，交流輸電線路布置在箱體內部背側，用導軌固定，控制電路板固定放置于箱體內部底側，交直流電源轉換器放置于箱體內部側面，分別如圖12、圖13所示。

圖12 終端內部布置設計

圖13 核心控制板

4 實驗驗證過程

按照上述裝配過程進行實訓實操，在斷電狀態下測試線路的連接狀況，在保障線路連接無問題時，再進行通電測試和應用實踐，實現遠程控制、手動設置控制，實現分時實施充電、預約充電功能的測試及應用。其測試步驟及應用獲取數據如下。

(1) 遠程控制實現相關分時實時充電、預約充電功能的工作步驟及獲取數據分別如圖14、圖15所示。

圖14 遠程控制實現實時充電工作步驟及數據顯示

圖15 遠程控制實現分時預約充電工作步驟及數據顯示

(2) 手動設置實現相關實時充電、預約充電功能的工作步驟及獲取數據如圖16、圖17所示。

圖17 手動設置分時預約充電工作步驟及數據顯示

5 總結

將該系統的硬件控制終端裝配、系統測試及應用分析作為設計過程中的實操訓練內容，在分析整個系統設計、功能的基礎上，提高學生動手實踐能力和分析問題的能力，便于對后續交流充電樁、直流充電樁等傳導式充電方式的理解和分析。同時，其裝配、測試后的系統也作為實訓基地新能源汽車便攜式充電控制系統使用。