新能源汽車智能充電控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

趙澤 楊紀(jì)元 張展浩 姚丹

摘 要：在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略背景的號(hào)召下，新能源技術(shù)悄然走進(jìn)我們的日常生產(chǎn)生活中，尤為突出的是新能源汽車的廣泛使用。但目前絕大多數(shù)新能源汽車的充電系統(tǒng)存在智能化不足、充電速度慢、安全系數(shù)低等問(wèn)題。為此文章研究了一種基于單片機(jī)的新能源汽車智能充電控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用高性能STM32單片機(jī)，結(jié)合溫度傳感器、OLED顯示屏、RFID刷卡模塊、無(wú)線通信模塊、按鍵等硬件組件構(gòu)成。系統(tǒng)通過(guò)IC卡刷卡身份識(shí)別和手機(jī)APP連接，用戶可便捷地進(jìn)行充電操作和管理，提高充電控制系統(tǒng)的使用效率和經(jīng)濟(jì)性。該設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)新能源汽車的廣泛推廣和清潔能源的高效利用提供了創(chuàng)新解決方案。

關(guān)鍵詞：新能源 STM32單片機(jī) OLED RFID刷卡模塊 智能充電系統(tǒng)

隨著全球氣候變化和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，新能源汽車作為減少交通領(lǐng)域碳排放的重要途徑，其發(fā)展受到了廣泛關(guān)注[1]。以往新能源汽車充電控制系統(tǒng)存在功能過(guò)于簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性差等缺陷[2]，為節(jié)省供電成本，令充電系統(tǒng)具有更多擴(kuò)展功能，因此，研究新能源汽車充電控制系統(tǒng)具有重要意義。

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款新能源汽車智能化充電系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)充電過(guò)程、充電方法進(jìn)行分析、總結(jié)，研究影響智能化充電的主要成因，通過(guò)優(yōu)化充電過(guò)程，系統(tǒng)將適應(yīng)不同的充電需求，提供靈活的充電方案，最終提升整個(gè)系統(tǒng)的智能化水平。

1 智能充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)目采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，以STM32單片機(jī)為控制核心，由電源模塊、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊、按鍵模塊、RFID刷卡模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、無(wú)線通信模塊、電能計(jì)量模塊組成。其中，RFID刷卡模塊對(duì)車主身份進(jìn)行驗(yàn)證，識(shí)別成功后，進(jìn)入充電設(shè)置模式；在充電過(guò)程中，溫度傳感器等實(shí)時(shí)采集充電汽車狀態(tài)，并傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析與處理；按鍵模塊可以設(shè)置不同的參數(shù)閾值，當(dāng)檢測(cè)到溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值或者有火光警情時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警模塊，同時(shí)控制繼電器切斷充電電源，并最終發(fā)送給手機(jī)終端APP，通知車主。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 智能充電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能充電控制系統(tǒng)的整體硬件原理圖如圖2所示，下面對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行具體介紹。

2.1 單片機(jī)模塊

系統(tǒng)采用高性能32位的STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)核心處理器，該模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)充電過(guò)程的控制與協(xié)調(diào)，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力[3]。通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）功能，能夠精確追蹤充電時(shí)間和計(jì)費(fèi)。此外，STM32單片機(jī)的中斷處理能力和故障診斷功能，使得系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外部事件并及時(shí)識(shí)別異常狀態(tài)，保障充電安全[4]。STM32單片機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。

2.2 RFID刷卡模塊

該模塊核心是RFID技術(shù)，它利用非接觸式技術(shù)進(jìn)行IC卡的讀寫操作，包括卡片注冊(cè)、注銷和充值。RFID模塊與STM32單片機(jī)通過(guò)串行通信接口連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。設(shè)計(jì)選用MFRC-522的RFID射頻IC卡感應(yīng)模塊[5]。MFRC-522與MCU連接圖如圖4所示。

2.3 顯示模塊

顯示模塊它不僅顯示充電狀態(tài)，還實(shí)時(shí)更新充電計(jì)時(shí)和費(fèi)用信息。在設(shè)計(jì)中，選用分辨率為12864的OLED顯示屏[6]。OLED12864引腳說(shuō)明如表1所示，與單片機(jī)連接原理圖如圖5所示。

2.4 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊

系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器以及火光傳感器模塊，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中的溫度及火情變化。該模塊設(shè)計(jì)包含智能算法，當(dāng)檢測(cè)到異常高溫時(shí)，能夠立即觸發(fā)報(bào)警并切斷電源，以防止?jié)撛诘幕馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)。這種安全措施大大提升了充電控制系統(tǒng)的可靠性。其中溫度傳感器原理圖如圖6所示。

2.5 按鍵模塊

該模塊設(shè)計(jì)中包含四個(gè)按鍵，分別是“設(shè)置”鍵（SW1）、“加”鍵（SW2）、“減”鍵（SW3）和“清零”鍵（SW4）。STM32單片機(jī)周期性地讀取與按鍵相連的IO口引腳狀態(tài)，如果檢測(cè)到某個(gè)引腳的狀態(tài)為低電平（0），則表示相應(yīng)的按鍵被按下。圖7為按鍵模塊原理圖。

2.6 報(bào)警模塊

報(bào)警電路主要包括蜂鳴器，LED和三極管等，在溫度閾值和火光閾值高于設(shè)置閾值時(shí)燈亮起并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。蜂鳴器的正極連接到3V3電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機(jī)的一個(gè)管腳通過(guò)一個(gè)與門來(lái)控制。報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖如圖8所示。

2.7 無(wú)線通信模塊

設(shè)計(jì)采用ESP8266WIFI模塊，系統(tǒng)上電后，STM32 單片機(jī)通過(guò)USART2發(fā)送AT指令對(duì)其進(jìn)行初始化配置，在配網(wǎng)之后，可以利用局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到阿里云平臺(tái)上，方便新能源車主在實(shí)時(shí)在手機(jī)上查看充電信息，包括充電時(shí)間、充電電壓電流等。ESP8266 WiFi模塊原理圖如圖 9 所示。

2.8 電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊通過(guò)對(duì)充電過(guò)程中的三相電流以及充電電壓作為測(cè)量對(duì)象，根據(jù)智能測(cè)算方法，及時(shí)掌握新能源汽車當(dāng)前的充電情況和充電狀態(tài)。

3 智能充電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此次系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要工作流程為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行初始化操作。其中ESP8266WIFI模塊串口初始化，DS18B20溫度傳感器、火光傳感器模塊初始化采集當(dāng)前充電系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在OLED顯示屏上；隨后，系統(tǒng)進(jìn)入用戶認(rèn)證階段，當(dāng)用戶通過(guò)IC卡身份驗(yàn)證成功后，用戶可自主選擇適宜的充電模式；充電執(zhí)行階段，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電狀態(tài)，確保充電安全；若出現(xiàn)異常情況，會(huì)立即觸發(fā)報(bào)警模塊進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)繼電器切斷電源，停止充電；在充電過(guò)程中，車主可隨時(shí)打開(kāi)手機(jī)APP查看充電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖10所示。

4 調(diào)試及結(jié)果

系統(tǒng)完成硬件電路焊接后，經(jīng)過(guò)調(diào)試，確保各個(gè)組件在獨(dú)立環(huán)境下能夠正常工作。實(shí)物測(cè)試如圖11所示。調(diào)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

5 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)新能源技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的深入研究與分析，設(shè)計(jì)了一款具有車主IC刷卡身份識(shí)別，溫度火光異常情況監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示充電狀態(tài)，無(wú)線通信以及故障報(bào)警功能為一體的智能化充電控制系統(tǒng)。主要從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)敘述；最后通過(guò)軟硬件聯(lián)調(diào)、實(shí)物測(cè)試完成了整個(gè)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證，確保了整個(gè)設(shè)計(jì)的完整性、可靠性和安全性。該系統(tǒng)采用高性能單片機(jī)進(jìn)行核心控制，通過(guò)IC刷卡及手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)用戶交互。總體上，該設(shè)計(jì)降低了成本，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，有望在未來(lái)新能源汽車領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

基金項(xiàng)目：1.西安交通工程學(xué)院2024年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《“智慧出行 低碳節(jié)能”--智慧城市軌道交通下的智能充電樁與新能源汽車充電需求的匹配與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”》資助（項(xiàng)目編號(hào)：2024DC32）；2.西安交通工程學(xué)院2024年度科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目《“新基建+雙碳”背景下的新能源汽車充電智能化綜合管理平臺(tái)應(yīng)用研究》資助（項(xiàng)目編號(hào)：2024KY-07）。

參考文獻(xiàn)：

[1]何姚蕾，吳俊淵，陳勇玲.太陽(yáng)能路燈結(jié)合充電樁的應(yīng)用分析[J].科技與創(chuàng)新，2024（11）：185-187+190.

[2]秦蒙，范銳，趙娟，等.基于STM32單片機(jī)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2024，8（09）：34-38+42.

[3]王素芹.基于單片機(jī)控制的新能源汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2023（10）：25-28.

[4]胡真，汪盼.基于單片機(jī)的智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2022，6（10）：42-45.

[5]吳桂才，黃鷺.基于單片機(jī)的鋰電池智能充電監(jiān)控設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2022，51（01）：151-153+233.

[6]時(shí)盟.電動(dòng)汽車智能充電樁控制系統(tǒng)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2020.