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基于单片机的电动车智能充电管理站系统设计

摘要：在全球石油短缺和全球变暖的严峻形势下，低碳汽车的建设将成为汽车工业的一个新的发展方向。目前，

电动汽车在世界上的研究已经进入白热化阶段，人们试图使其成为二十一世纪的主流。电动车充电设施是电动车产业链的重要组成部分，大力发展电动车产业也应充分考虑到充电设施的发展，因此，对电动车智能充电管理系统的研究设计是非常必要的。

本文的目的是设计电动车充电管理站系统，并对其控制系统进行研究。本文首先对充电管理系统国内外研究现状进行了简要介绍，结合充电桩的充电方式和充电终止控制方法进行了设计，该系统的核心是由51系列单片机完成控制，电路由数据控制电路、电源电路、存储电路、采集电路、键盘电路、显示电路、继电器电路，通过按键控模拟投币进行电量控制，自动断电。显示充电电压和电流。该系统具有结构简单、操作方便、成本低等优点。

最后，对本文提出的基于单片机的电动车智能充电管理站系统的设计存在的一些不足，并对其发展前景进行展望。

关键词：单片机；电动车；智能充电管理；

 

目录

1  绪论

1.1课题研究的背景及意义 3

       1.1.1 国外现状........................................................................................................................................3

       1.1.2 国内现状......................................................................................................................................4

1.2课题主要研究内容 4

2总体设计 6

2.1系统设计要求 6

2.2总体设计方案 6

3 系统模块设计 7

3.1主控电路设计 7

3.2显示电路设计 9

3.3时钟电路设计 11

3.4继电器控制电路设计 12

3.5 电参量采集电路设计 13

3.6电源电电路设计 15

3.7报警电路设计 16

3.8 存储电路设计 17

    3.9 按键电路设计 17

    3.10通讯电路设计......................................................................................................................................18

4、系统软件设计 19

4.1 主程序流程图 19

4.2 控制驱动模块流程图 20

4.3 电参数检测设置流程图 21

    4.4停止充电判断子程序流程图................................................................................................................22

    4.5 按键与显示部分子程序设计...............................................................................................................23

5 系统调试 25

5.1、硬件电路板制作 25

5.2、硬件调试 26

5.3、软件测试 27

5.4、整机测试 27

总结 28

参考文献 29

致谢 30

附录 硬件原理图 31

 

 1、绪论

1.1课题研究的背景及意义

    近年来，世界各国倡导节能环保，“低碳”对我们来说并不陌生，当今汽车碳排放量非常大，汽车行业逐渐转向低碳发展，我国的汽车销量逐年增加，汽车行业的碳排放也在增加。 要把工业发展和环保工作做到位，汽车行业正面临着转型[1]。在当今化石燃料日益匮乏和温室效应日益严重的严峻形势下，使用更加清洁的电能将成为汽车行业发展的主题。在缓解空气污染和能源短缺方面具有重要的意义[ 2]。

随着电子设备的高速发展，然而在人们走出家门时各类设备的充电却成了严重的问题，电瓶车往往半路没电。电动车主为了给车充电，需要甩出很多临时电线，或拆卸电池进行家庭充电。安装蓄电池充电站，有效防止乱接线现象的发生，避免潜在的火灾隐患和触电危险，

保护人民的生命财产。 如果为业主设立免费的电源，那么谁来出电费？ 如果支付，工作人员的工资谁出，管理上的问题（如、收费，分析）等问题。使用小区智能充电站，在小区电动车集中存放处提供有偿计量收费。既使物业管理更加规范，也建立健全智能管理设施。有力维护了广大业主的权益，也增加了小区物业的收入。所以此设计很有意义。

1.1.1国外现状

近年来，从产品和技术层面上：①国外充电产品随着控制技术的发展，人工智能，朝着更安全，更智能化的方向发展;；②现场技术，如CAN，RS485，LIN总线开发使监控系统朝多元化，高速，安全， 法国核电和水力发电方面，其发电能力已经足够，数据表明，在法国发电量中，核电占总发电量的3/4，1 / 6的水电站，其发电能力充足、清洁、廉价、汽车业发达，是世界电动汽车发展和推广的国家。法国政府和法国电力公司（EDF），PSA，雷诺（雷军）汽车有限公司等公司合作开发电动汽车。投资生产电动车50辆（小4座），并建成了12个（包括3个快的和9个普通的）充电站，已经投入使用，已经经过了超过2年的测试[4]。而在日本，新能源汽车技术已经非常，处于发达世界领先地位。

东京电力公司宣布，已经成功开发出大型快速充电器，充电器可以大大缩短充电时间，提供更多的可能性。 美国一家太阳能公司建设5个快速充电站在加利福尼亚州高速公路上，在240V/70A情况下，完成电动汽车充电只需3.5小时[5]。

   1.1.2 国内现状

由于技术落后，我国的电动汽车充电技术发展是比较晚的，但近年来，由于有关配套政策，大学，研究机构和相关企业合作，目前的电动汽车充电技术已取得突破[ 6 ]。电动汽车充电设施设备也得到了快速发展。比亚迪公司于2006在深圳成立电动汽车研究所，还在其工厂建了一批电动汽车快速充电站[ 7]。

不得不提的是，2008年北京奥运村运行纯电动公交车，具有自主知识产权的控制系统，其能源供应是一个快速的方式来更换可充电电池。充电站仍是世界第一规模。到2009年底，深圳市政府建成的42台电动车充电站，234个电动车充电桩开始投入使用，这是我国华南地区国家电网首次建设充电设施。

 到2010年底，唐山南湖电动车充电站正式开始试验商业运行，这是由我国华北地区国家电网建设的第一座大型电动汽车充电站。国家为了推动电动车产业的发展，各个地方政府纷纷出台鼓励措施，由此全国各地都建立了电动汽车充电站。

自2010以来，许多省市开始建设充电站，包括上海、北京、浙江等。30kW的高功率单充电器使北京交通大学研究发展比较成熟的技术，可用于300V〜500V三种可调输出电压，可选择不同的充电方式。 同时，国内许多高校和国家科研机构在电动车充电控制方面的研究较为重视。 截止2017年底，我国已建成了大量的电动车充电设施，其中包括65800座快速充电站和14480座慢速充电站。 在“十一五”期间，为了保证能源安全，改善大气环境，国家开启了跨越式发展战略和重大科技攻关项目“电动汽车成立，致力将企业、高校、研究机构，电动车工业平台作为重要的研究工作，并在一些关键技术上取得较大的进步。

  1.2课题主要研究内容及技术路线

主要研究内容

本文首先对充电管理系统国内外研究现状进行了简要介绍，结合充电桩的充电方式和充电终止控制方法进行了设计，采用51系列单片机为核心完成系统的设计，系统由电参数采集模块、控制模块、按键模块、显示模块、存储模块、电源模块、继电器控制模块等组成，通过按键模拟投币进行充电电量控制，方便核算，自动断电。显示充电电压和电流等参数，该系统结构简单，操作方便，成本低，重点是硬件和软件设计。采用软件代替硬件，简化电路。

主要研究步骤

主要研究步骤如下：

(1)查询资料分析系统需求；

(2)对电参数计算方法进行详细阐述；

(3) 整体方案确定并选择相关器件;

(4) 完成硬件电路设计，并绘制电路原理图;

(5) 系统程序设计，并进行系统调试；

(6) 系统设计展望并对设计进行总结；

  

参考文献

[1] 郑志恒.  电动车充电系统建设的探索[J]. 产业与科技论坛. 2011(23) 

[2] 饶军.  汽车充电系统的发展[J]. 汽车维修技师. 2014(08) 

[3] 廖承林,李均锋,王丽芳,张静和.  电动汽车中距离无线充电系统研究(英文)[J]. 电工技术学报. 2013(S2) 

[4] 潘春雷.  一种新型模式的电动汽车充电系统[J]. 电子世界. 2012(01) 

[5] 段朝伟,徐海刚.  电动汽车电池智能充电系统设计与实现[J]. 电子器件. 2013(02) 

[6] 陈然.  欧美统一充电系统[J]. 汽车与配件. 2012(24) 

[7]   海拉研发无线充电 效率媲美直充[J]. 汽车科技. 2014(02) 

[8] 杜常清,潘志强,赵奕凡,朱一多,姚华.  电动汽车车载充电系统研究[J]. 电源技术. 2016(06) 

[9] 冯刚琼,王建萍.  丰田开始测试无线感应充电[J]. 汽车科技. 2014(02) 

[10] 刘忠波,韩玉杰.  电机车铅酸蓄电池智能充电系统设计[J]. 林业机械与木工设备. 2007(11) 

[11] Sortomme, E.,El-Sharkawi, M.A.Optimal Charging Strategies for Unidirectional Vehicle-to-Grid. Smart Grid, IEEE Transactions on . 2011

[12] Guo Qinglai,Wang Yao,Sun Hongbin,et al.Research on architecture of ITS based smart charging guide system. Power and Energy Society General Meeting . 2011

[13] Sortomme, E.,El-Sharkawi, M.A.Optimal Charging Strategies for Unidirectional Vehicle-to-Grid. Smart Grid, IEEE Transactions on . 2011

[14] Guo Qinglai,Wang Yao,Sun Hongbin,et al.Research on architecture of ITS based smart charging guide system. Power and Energy Society General Meeting . 2011

[15] 肖俊.  电动汽车的顾客感知价值对购买决策的影响研究[D]. 长沙理工大学 2015

[16] 王小蕾.  电动汽车与电池储能的优化管理及效益分析[D]. 浙江大学 2016

[17] 王秉晶.  需求响应机制下电动汽车充放电策略及电价研究[D]. 华北电力大学 2015

[18] 董晓天.  智能电网环境下的电动汽车与新能源协同交易模式研究[D]. 上海交通大学 2013

[19] 曹玉强.  大规模电动汽车对电网的影响研究[D]. 华北电力大学 2015

[20] 陈娅.  电动汽车接入配电网的可靠性及效益评估[D]. 重庆大学 2015

[21] 冯博炜.  基于马尔可夫决策过程的电动汽车充电调度方法研究[D]. 广东工业大学 2015