新能源汽车充电桩系统的设计doc

　　STYLEREF 标题 1 摘要 PAGE 26 PAGE I 新能源汽车充电桩系统的设计 摘要 近些年，大气污染问题在中国不容小窥，燃油汽车尾气的排放是造成空气污染的主要成因之一，带来了巨大的环境压力。与燃油车相比，新能源电动汽车对环境的影响相对较小，具有零排放、能源利用率高等优点，其前景被广泛看好。随着电动汽车的快速发展，对充电桩的需求量和相关技术指标提出了更高的需求。 本文设计并实现了一台以微处理器为核心的交流充电桩系统。首先，分别介绍了微处理器模块、电能计量模块、充电控制模块的硬件电路设计。然后，根据国家标准和功能需求，围绕电能计量模块开发设计了一种交流充电桩控制系统，将电能计量模块有针对性的进行嵌入式开发，实现电能费用计量、充电进程管理等功能。最后，根据经济性和易用性原则，完成了基于智能IC卡技术的电能计量芯片充电桩计费系统设计。 本文设计开发的交流充电桩充电系统结构简单，运行可靠，适用性强。实现了电动汽车充电桩的基本功能要求，力求带给用户更加良好的使用体验。 关 键 词：新能源；电动汽车；交流充电桩；智能IC卡；电能计量 论文类型：应用研究 目 录 目 录 III III II II 目 录 TOC \o 2-3 \h \z \t 标题 1,1 16049 1 绪论 1 14831 1.1 研究背景 1 18561 1.2 研究目的及意义 2 24791 1.3 本文主要研究内容 3 15589 2 系统系统设计 5 9721 2.1 系统应用对象 5 28082 2.1.1 交流充电桩的类型 5 23964 2.1.2 车载电池 5 2251 2.1.3 电动汽车车载充电机 6 26088 2.2 系统设计方案 6 1093 2.2.1 系统设计要求 6 21244 2.2.2 系统设计方案 7 18590 3 电动汽车硬件电路原理分析及数学建模 9 25815 3.1 硬件设计 9 29058 3.1.1 微处理器硬件设计 9 23922 3.1.2 电能计量模块硬件设计 10 509 3.1.3 交易结算模块硬件设计 11 16571 3.2 系统功能结构及原理分析 12 3856 3.2.1 功能需求 12 5458 3.2.2 工作条件 12 15353 3.2.3 主要电路参数 12 13361 4 电动汽车控制系统设计 13 32176 4.1 控制系统组成概述 13 26286 4.2 微处理器单元设计 14 1901 4.3 充电控制模块设计 15 19834 5 电动汽车计费系统设计 19 4140 5.1 交易结算单元设计 19 8315 5.1.1 智能IC卡技术 19 24974 5.1.2 交易结算方案设计 19 5827 5.2 电能计量单元设计 20 25225 6 系统功能测试 22 32496 7 结论与展望 24 9410 致 谢 27 5034 参考文献 29 声明 预览中看不见即可）： MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Chapter (Next) Section 1 SEQ MTEqn \r \h SEQ MTSec \r 1 \h SEQ MTChap \h 西安交通大学网络教育学院论文 西安交通大学网络教育学院论文 绪论 研究背景 随着全世界的环境污染越来越严重以及能源的不断减少，环境保护和合理利用能源己逐渐成为全世界最主要的研究问题，能源和环境也成为制约经济发展的因素。燃油汽车在现在交通工具中占的比重比较大，且所带来的负面影响也越来越严重。 走在21世纪的道路上，新能源发展的步伐越来越快，伴随着新能源越来越快的发展，新能源汽车行业也在稳步发展。由于电动汽车在节能环保上存在的独特优势和化石能源的减少越来越快的情况，世界范围内的多数汽车生产国在积极研究和推广电动汽车的相关技术，甚至政府也制定了一些与此有关的优惠政策和规定，以此用来激励相关企业对新能源汽车的研究。汽车产业已经发展成为了我国重要的，不可或缺的产业，对促进经济的快速发展起着推动作用，在今后的很长一段时间里对汽车的需求仍会保持增长的状态，这就为环境保护问题和能源问题带来了巨大的困扰。 为了解决越来越严重的能源供求问题和环境恶化问题，世界上主要的汽车生产国家均已经加快了对汽车研究的计划，并将发展新能源汽车提出当作经济发展的关键性因素，鼓励发展汽车节能技术的研究和推广。在未来的十年内，节能和新能源汽车将成为每个国家汽车发展的主要目标，此时，对电动汽车的发展将是重要的时机。在世界上，由于我国汽车产业位居前几位，因此加大汽车行业的转型将是重要问题。 随着电动汽车的快速发展，与电动汽车相匹配的充电设备行业也迅速的发展起来，并且也得到了国家的大力支持和地方政府的鼓励。目前，电动汽车的充电方式主要有直流充电桩，交流充电桩，充电站以及电池更换站等方法，最常用的方法还是使用充电桩进行充电的方法。因此，电动汽车充电桩得到了深入的研究和发展，其中包括高效率低谐波的充电装置，全自动的充电设施，选用人机交互界面进行控制的智能充电桩等设备。电动汽车在充电时所需的基础设施建设是否完善也成为限制电动汽车快速发展的重要原因。正是由于企业发现了在未来的充电站基础设施建设当中会给企业带来更大的发展空间，国内大型能源公司也已经决定投资到电动汽车充电基础设施的建设领域，就当下情况来看，现在我国对充电基础设施的建设仍然处于起步阶段，但国家颁布了一些优惠政策，致使各地政府部门和各大企业对基础设施建设和设计的热情十分高涨。 随着电动汽车行业的快速发展，对于进一步探讨和研究电动汽车的充电技术，是相当关键的，也必将成为行业发展的主旋律。随着越来越多的充电桩不断被建设，给电网带来了越来越大的压力和越来越高的要求。充电桩如果按负荷的种类进行划分的话属于谐波源负荷。在使用充电桩的过程当中，充电桩将会不断的向电网中输入谐波分量，从而影响电网中电能的质量。随着电动汽车不断增多，当在某一地区充电桩建设的数量达到一定数量后，会对电网产生比较大的影响和压力，造成地区性电网负荷波动，并且电网的电压波动会比较明显的变化。由于电网电压的波动会使充电桩输出电压的大小产生波动，进而影响电动汽车电池的使用寿命。与此同时，充电桩在给不同型号的电动汽车充电时，充电桩功率的转换也会产生电磁干扰，进而影响充电桩自带的电子设备以及显示设备。并且电磁干扰还会对电网产生影响，使电网产生谐波污染。由于此类问题的影响，在进行充电桩的设计时，其中功率变换电路都必须拥有良好的抗干扰能力且满足电磁兼容。因此，研究出具有稳定的、高效率的的电动汽车充电技术，对国内的新能源汽车领域以及与此有联系的多个领域都有着比较重要的现实意义。 研究目的及意义 随着油价的不断增长、能源的日益枯竭，以环保、节能为主要标志的新能源（电动）汽车，将成为以后主要的交通工具。全球各地对新能源汽车的发展以高度的关注性，并纷纷加快了对新能源汽车发展的脚步；上至政府、下到企业，都在加快研究和发展电动汽车技术及其与之配套设施的建设。在面对金融危机时，电动汽车行业更成为促进汽车产业和刺激经济回春的关键性因素，因此电动汽车可以从众多新能源汽车当中脱颖而出。在世界上，电动汽车想要寻求快速的发展，除了在技术上寻求创新突破和充电相关标准统一以外，与此相关联的基础设施建设也必须做到共同发展，就如同现在建设在路边的汽车加油站一样，各国也都应该尽快建立起高效率的充电设施（充电桩）。所以电动汽车充电桩应该在世界各国迅速展开建设。 在一些比较发达国家，电动汽车已经逐渐成为主要的交通工具，因此每个国家都有了与电动汽车的相适应的基础设施的建设。采用充电站，充电桩和更换电池三种不同的充电方式进行合理使用，即不影响白天用户的外出，也满足了不同用户对电动汽车快速充电的需求。不过，充电桩的使用方法和操作的简便性仍需要进一步研究和完善。目前，在美国、日本、英国等发达国家均已经建立了隶属于各自国家的研发部门，还有全球充电桩的相关标准也需要进行修改和完善，应做到统一相关的标准。 近年以来，在国家政策的鼓励和引导下，我国在电动汽车、电动汽车电池、充电桩等领域获得了非常重要的研究成果，国内多家汽车公司均已经研发出了电动汽车，并已经投入市场使用；电动汽车技术也变得越来越成熟，不同型号的电动车已经投入到使用当中。与世界其他各国相同，电动汽车研发工作也成为我国大力支持和鼓励的项目。“十五”期间，国家从维护能源安全、保护环境、提升汽车产业在竞争中的优势、促成我国电动汽车产业的跨越式发展的战略高度思想，集中国家、企业、高校、科研所等各方面的进行联合研究开发，为此，国家把电动车的研究作为一项重大科技项目进行研究。目前，在电动汽车的关键技术方面已经拥有了独特的创新技术和独立研究创新的能力，为推动电动汽车高速进步提供了重要的保障，为此国家还颁布了一些相关的政策，以敦促公共场所通用充电设备的建设。 目前，电动汽车常用的充电方法主要有四种，分别为无线充电、正常充电、快速充电及替换电池。然而，电动汽车充电所耗费的时间都是比较长的，现在只有采用替换电池的方法，才可能使电动汽车充电可能像“加油”一样迅速，但是由于替换电池又存在着电池种类或型号与电动汽车匹配的问题，因此这种方法得不到广泛的应用。随着电动汽车的越来越多，需要进行建设的充电桩和基础的配套充电设施也将会越来越多，且还需要对于电网管理和建设进行设计。然而，由于电动汽车是由不同的厂家生产出售，汽车的电池型号、标准也就不一样，对充电的要求也不相同，所以完成相同标准的建设是十分困难的，这就要求国家制定统一的标准，方便管理，这也是未来电动汽车发展和基础设施建设的一种趋势。 在国内，对电动汽车充电技术的研究已经全方面的进行中，我国充电桩研究面临的关键性问题有以下三点： 第一是目前所设计的充电桩的在进行对电动汽车充电工作时，无法将充电的实时信息通知用户。如果充电期间用户由于某种原因不在充电桩旁边，当电动汽车充电完成时，用户不能及时的断开充电，容易造成电能的浪费，最有利的优化方法是用户可以通过手机可以实时的查看电动汽车的充电信息，以保证资源的合理利用。 第二是我国充电桩的通信设置比较简单，没有统一的通信标准，保护措施不够严谨，用户的信息容易被盗取利用，在通信协议的允许的情况下，还应对用户的信息进行设计与此相关的加密保护功能，从而保护用户隐私以及财产安全。 第三是我国对充电桩的管理没有相关的准则，管理系统简单。充电桩的安装数量比较少且安装范围比较小，只在用户相对集中的地区安放。目前我国对充电桩的管理方面与国外相比，存在着不小的差别。 本文主要研究内容 本文的章节安排如下: 第二章从充电桩的应用对象和功能需求出发，明确充电桩的设计要求，分析了基于STM32处理器的交流充电桩的系统设计思路。 第三章通过充电桩硬件功能分析,分三个单元分别阐述了交流充电桩的硬件设计，包括每个单元的硬件电路原理分析及数学建模。 第四章通过充电桩控制系统软件功能分析,分三个单元分别设计了交流充电桩的控制系统，包括每个单元的软件原理及其程序流程图。 第五章对文中设计的充电桩计费系统进行了说明，按照交易结算单元和电能计量方式分模块阐述了设计方案。 第六章对本文设计的充电桩系统进行了功能测试，验证了本系统的基本功能。 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Chapter (Next) Section 1 SEQ MTEqn \r \h SEQ MTSec \r 1 \h SEQ MTChap \h 系统系统设计 系统应用对象 交流电动汽车充电桩通常安装于企业、商场、社区及住宅小区的停车位附近。与充电站中的充电桩实施统一集中管理不同，这些车位附近的每一个交流充电桩都是一个独立的控制单元，与其他的充电桩几乎没有关联。管理控制中心与交流充电桩之间呈星型拓扑结构，即网络中任何一个充电桩的故障不会影响其他充电桩的正常工作。 车载电池作为纯电动车动力的唯一来源，使用何种充电方式进行电能补充对车载电池的寿命有着决定性影响。快充和快换方式进行电能补给虽然充电时间短，但技术要求较高，且快充方式会缩短电池寿命。快换方式虽然能较好的保护电池的使用寿命，但由于其通常需要至少 1 组电池作为备用电池，且电动车设计过程中必须考虑到方便电池拆卸，无形中增加企业的设计难度和用户的使用成本。因此体积小、布设灵活的分布式交流充电桩是当前国内外所提倡发展的电动汽车充电设施，其占地少、使用标准接口及市电 220V 电压、布设方便等优点，不仅极大的降低了充电设施的建设成本，也使用户的使用成本相对减少。 交流充电桩的类型 交流充电桩是一种可以和交流电网相连接，通过车载充电机对电动汽车电池进行电能补给的一种安装在车外的装置。充电桩的充电功率一般比较小，可以实现电费计量、充电模式选择（按充电金额、时间、电量、预约定时进行充电以及自动充电等）、通信、异常状态保护等功能。 国内外目前分布式交流充电桩的设计主要有两种，一种是围绕智能电表开发的交流充电桩，要求设计人员通过开发与智能电表通信的相关软硬件接口以及设计用于智能电表准确与充电桩控制主板之间沟通的通信协议，实现智能电表的费用统计、电量统计以及通信等功能，其特点是项目开发的周期较短，电表结构简单，便于维护；另一种是围绕电能计量芯片开发的交流充电桩，将电能计量芯片有针对性的进行嵌入式开发，达到电能费用计量、充电进程管理的目的，其特点是项目开发成本较低，产品灵活、体积小。 本文设计采用专用的电能计量芯片开发的电动汽车交流充电桩。主要因为电动汽车的配套设施也只是处于起步阶段，在功能要求上并不

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