摘 要

随着石油资源短缺和全球气候变暖情况越来越严重，低碳、环保、无污染已经成为全世界经济发展的大前提。电动汽车的推广关键要看充电技术和充电设施的发展情况。交流充电桩采用慢速充电的方式对电池的损害小，应用越来越广泛。因此设计一个低成本、智能、安全的交流充电桩对电动汽车的推广有重要的研究意义。本文以电动汽车交流充电桩为研究对象，设计了一个以STC90C51RD 芯片为核心的3.5kW交流充电桩控制系统，主要研究内容如下：

对交流充电桩进行总体设计，根据对交流充电桩功能需求的分析完成了主电路的设计，分析了控制电路的结构，根据实际要求设计了技术指标。以STC90C51RD 芯片为控制器对交流充电桩的控制电路进行了硬件设计，介绍了芯片的特点并对芯片引脚作出安排，将硬件电路分为电源模块、控制导引电路、保护模块、驱动模块、状态显示模块、通讯电路进行设计，根据电路要求完成了元器件的计算与选型，用Altium Designer画出了相应模块的硬件电路图。对控制电路软件部分进行了设计，编写了60%占空比的PWM波程序，分析了控制电路工作过程，绘制了控制电路工作的主流程图和通信子流程图。根据软硬件设计搭建了实验平台，对充电桩工作过程进行了实验与测试，验证了控制电路的安全性和稳定性，实现了设计目标。

关键词：电动汽车；交流充电桩；保护模块；控制导引电路；实验测试

Abstract

With the situation of world’s oil resources shortage and global climate warming is more and more serious, low-carbon, environmental protection, pollution-free have become the major premise of economic development all over the world. The key of promoting electric vehicles depends on the development of charging technology and charging facility.AC charging pile applied more and more widely by its less damage to the battery with the mode of slow charge .So the design of a low-cost, smart, safe AC charging pile has the important significance for the promotion of electric vehicles. In this paper, we mainly focus on the electric vehicle AC charging pile and design a 3.5 kW AC charging control system with STC90C51RD chip at the core. The main contents are as follows:

Firstly, the paper have an overall design philosophy of the AC charging piles. Completed the design of the main circuit by the analysis of the function demand for AC charging piles. Analyzed the structure of the control circuit. Designed specifications through the actual requirements. Secondly, the paper completed the hardware design of the control circuit for electric vehicles based on the STC90C51RD processor. Introduced the characteristic of the chip and arranged the chip pins. Analyzed the working principle of the power supply module, control pilot circuit, protection module, driver module, the status display module, communication circuit. According to the circuit requirement, completed the calculation and selection of components. Designed the hardware circuit by Altium designer. Thirdly, the paper completed the software design of the control circuit for electric vehicles. Accounted for 60% of the duty cycle of the PWM wave program. Analyzed the working process of the control circuit. Drawn the main flowchart of control circuit. Finally, the experimental platform was built by combining hardware and software. According the experiments and tests for the charging pile, verified the security and stability of the control circuit of the AC charging pile, achieved the design goals.

Keywords: electric vehicle ; the AC charging pile ; protection module ; control pilot circuit; experiment test

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题背景及研究的目的、意义 1

1.2电动汽车充电设施研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 4

1.3本文主要研究内容 5

第2章 系统总体方案 6

2.1充电桩的技术指标和需求分析 6

2.1.2技术指标 6

2.1.2需求分析 6

2.2充电桩主电路图 7

2.3本章小结 8

第3章 交流充电桩系统硬件设计 9

3.1 STC90C516RD 控制芯片 9

3.2电源模块 10

3.3控制导引电路 11

3.3.1 CC检测 11

3.3.2 正负12V PWM 电路 12

3.3.3 CP检测 13

3.4 数据通信模块 14

3.5继电器驱动 15

3.6充电桩安全保护 17

3.6.1漏电保护 17

3.6.2防雷保护 18

3.6.3急停控制 19

3.7指示灯控制和报警电路 19

3.8本章小结 20

第4章 交流充电桩系统软件设计 22

4.1定时器产生PWM波形流程图 22

4.2系统主流程图 23

4.3 Modbus-RTU通信协议 25

4.4本章小结 26

第5章 实验结果与分析 27

第6章 总结与展望 31

6.1总结 31

6.2展望 31

参考文献 33

致谢 35

1. 绪论

1.1课题背景及研究的目的、意义

随着环境污染和能源危机不断加重，能源和环境问题已经成为各国人民和政府关心的热点，节能减排同时也成为全世界面临的重大课题。而作为一个国家综合国力水平体现的汽车行业也一直是一个高耗能、高污染产业。随着经济的发展，家用汽车越来越普及，产量也越来越大，同时不可否认的是其对石油资源的需求和环境的污染也会相应提高，所以为了节能减排工作的展开，应该大力发展新能源。而电动汽车作为新能源应用的代表，具有高能效、环保、低噪声等优点，其广泛应用能够有效地解决上述问题。

在电动汽车发展的同时，作为其配套设施的电动汽车基础充电设施也成为了研究的重点。电动汽车充电设施主要是由充电桩、充电站、电池更换维修等系统组成，是和电动汽车产业化同步发展的。一个国家就算是电动汽车行业发展的再好，如果没有一个完善的充电系统，那么电动汽车也很难销售和推广，所以说电动汽车未来的发展走向还要依靠于电动汽车充电设施的发展。2012年国务院办公厅颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》指出了应该根据国内交通等具体情况将建造交流充电桩和公共的快速充换电站结合起来来推动充电基础设施的建设^[1]。

目前国内就电动汽车的充电模式提出了很多种方法，例如：交流充电、直流充电、更换电池组等^[2]。但是根据现实情况，动力电池的更换需要很多条件，比如备用电池的标准化，电动汽车的标准化，这些都需要电网和政府投入大量资金。此外，快速更换过程需要专业人员操作，也需要购买昂贵的更换电池组的机械装置。并且动力电池体积大，也需要很大的空间来存储这些电池。直流充电属于快速充电虽然可以解决续时里程短的问题，但是大电流会使电池的寿命衰减^[3]。而交流充电属于慢速充电，虽然充电时间长，但是它以交流电的形式供给电能，对电池无伤害，既提高了电动汽车动力电池的寿命，也是电动汽车最佳的日常充电方式，同时无需装卸电池。并且交流充电桩体积小、重量轻，与电网供电系统连接方便，容易建设，能够解决电动汽车随时随地电能量补给问题^[4]。所以交流充电桩更适合大多数城市和城镇的交通状况。所以未来的充电市场上交流充电桩将占据重要地位，发展前景也会十分广阔。所以本论文对于电动汽车的发展和充电设施的建设具有重要的研究意义。