CN114142579A - 一种基于pwm信号的充电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PWM信号的充电控制方法，包括如下步骤：检测直流信号并判断充电桩是否与车辆相连接；充电桩与车辆相连接后，充电桩中微控制单元MCU输出PWM信号通过信号生成电路的处理后输入信号调理电路；信号调理电路通过对PWM信号进行整流滤波后，通过AD芯片对PWM信号进行周期采样并由信号调理电路计算PWM信号幅值，充电桩根据PWM信号幅值判断是否存在充电需求；当检测到PWM信号由9V状态变为6V状态时，充电桩判断车辆存在充电需求，进入充电状态；在充电状态中，监测PWM信号的幅值并判断充电是否正常，并根据PWM信号的幅值变化控制充电过程的结束。本发明实现了PWM信号的标准生成和快速检测，同时基于PWM信号实现稳定的充电过程。

Description

一种基于PWM信号的充电控制方法
技术领域
本发明涉及充电桩的领域，尤其涉及一种基于PWM信号的充电控制方法。
背景技术
PWM信号是交流充电桩与电动汽车之间的通信方式,电动汽车通过检测PWM信号的状态实现充电开始、充电结束、以及调整充电电流。PWM信号的正确性、精准性直接影响整个充电过程。交流充电桩与电动汽车之间是通过PWM信号作为充电控制的依据，交流充电桩需要生成±12V的PWM信号，以及实时检测PWM幅值变化，从而确保充电过程及时正确的进行。
然而，在现有的技术方案中，PWM信号和检测存在如下的缺陷：其一是为了生成±12V的PWM波形，传统方法采用分立元件，如光耦、三极管、电容和电阻元件搭建信号生成电路，这样构建的电路结构复杂，而且由于电路设计的原因会导致上升沿下降沿时间长的问题，或波形畸变的现象，影响波形的准确性和稳定性。其二是通过PWM波形信号直接进入MCU的AD通道进行采样时，当PWM信号存在严重干扰时，MCU对信号的处理会更加困难，且稳定性差。此外，传统的PWM滤波电路还存在时延较大的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PWM信号的充电控制方法，用以解决现有PWM信号波形不标准、检测速度慢的问题。
一种基于PWM信号的充电控制方法，包括如下步骤：
S1：检测直流信号并判断充电桩是否与车辆相连接，若是则进入S2；
S2：充电桩与车辆相连接后，充电桩中微控制单元MCU输出PWM信号通过信号生成电路的处理后输入信号调理电路；
S3：信号调理电路通过对PWM信号进行整流滤波后，通过AD芯片对PWM信号进行周期采样并由信号调理电路计算PWM信号幅值，充电桩根据PWM信号幅值判断是否存在充电需求；
S4：当检测到PWM信号由9V状态变为6V状态时，充电桩判断车辆存在充电需求，此时充电桩吸合接触器，进入充电状态；
S5：在充电状态中，监测PWM信号的幅值并判断充电是否正常，并根据PWM信号的幅值变化控制充电过程的结束。
进一步的，当直流信号由12V状态变为9V状态时，表示充电桩已经与车辆相连接，此时充电桩输出PWM信号。
进一步的，所述微控制单元MCU设置于充电桩内。
进一步的，微控制单元MCU输出的PWM信号频率为1kHZ，占空比为53.3%，峰值电压为3.3V。
进一步的，所述信号生成电路还包括第一芯片U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第四电容C4、第二电阻R2、第五电容C5、第六电容C6和第七电容C7；
其中，第一电阻R1的两端分别连接微控制单元MCU的输出端和第一芯片U1，第一电容C1的一端接地，另一端接-12V电源和第一芯片U1；第二电容C2的一端接地，另一端接-12V电源和第一芯片U1；第三电容C3的一端接地，另一端接+12V电源；第四电容C4的一端连接+5V电源和第一芯片U1，另一端接地；第二电阻R2的一端接第一芯片U1；第五电容C5的一端接-12V电源和第一芯片U1，另一端接地；第六电容C6的一端接+12V电源和第一芯片U1芯片，另一端接地；第七电容C7的一端接+12V电源和第一芯片U1，另一端接地。
进一步的，所述信号调理电路包括第二芯片U2、第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二二极管D2、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10和第六电阻R6；
其中，第一二极管D1的两端分别与信号生成电路输出的PWM信号和第三电阻R3相连接，第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4和第五电阻R5，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的另一端接第二二极管D2的一侧，第二二极管D2的另一侧接第八电容C8的一端和第二芯片U2，第八电容C8的另一端接地，第九电容C9的一侧接+12V电源和第二芯片U2，第九电容C9的另一侧接地，第六电阻R6一侧接第二芯片U2和第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端接地，第六R6另一侧接第二芯片U2。
进一步的，所述AD芯片对PWM信号进行周期采样还包括：通过10ms周期的AD采样获取PWM信号的幅值。
进一步的，所述S5还包括：
S5-1，当充电状态中检测到PWM信号的幅值变为非6V状态、且PWM信号的幅值不等于9V时，判断为出现故障并结束充电；
S5-2，当检测到PWM信号由6V状态变为9V状态时，表示已充满电，检测到PWM信号由9V状态变为12V状态时，表示充电枪断开，结束充电。
本发明的有益效果为：本发明提出的基于PWM信号的充电控制方法，该方法下生成的±12V的PWM波形非常标准，不存在上升沿下降沿时间长或波形畸变的现象；在传输过程中，PWM信号先经过滤波电路整形成直流信号，同时将干扰信号进行了滤除，且有源滤波电路时延较小，能够使输出的直流信号平滑，增加了信号的稳定性和处理的准确度；并通过软件的配合，避免在不同充电状态的PWM电压判断临界点来回跳变的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明提出的基于PWM信号的充电控制方法的整体流程示意图；
图2为本发明中信号生成电路的结构示意图；
图3为本发明中信号调理电路的结构示意图；
图4为本发明中AD芯片的电路结构示意图；
图5为本发明中MCU的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
本发明实施例中提供了一种基于PWM信号的充电控制方法，图1为本实施例提出的基于PWM信号的充电控制方法的整体流程示意图，如图1所示，该方法包括：
S1，检测直流信号并判断充电桩是否与车辆相连接，若是则进入S2；
具体的，充电桩与车辆未连接，即充电枪未插入车辆时，直流信号为12V，而当充电桩与车辆相连接后，直流信号变为6v。因此当直流信号由12V状态变为9V状态时，表示充电枪已插入车辆，此时充电桩输出PWM信号。
S2：充电桩与车辆相连接后，充电桩中微控制单元MCU输出PWM信号通过信号生成电路的处理后输入信号调理电路；
微控制单元MCU输出的PWM信号频率为1kHZ，占空比为53.3%，峰值电压为3.3V，低电平为0V。进一步地，结合图5的示意，微控制单元MCU通过其引脚CP_IO1输出PWM信号。
微控制单元MCU输出的PWM信号经过信号生成电路的处理后变为高电平为12V，低电平为-12V的PWM信号。参照图2的示意，图2为信号生成电路的结构示意图，用于生成±12V的PWM信号。其中，信号生成电路包括第一芯片U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第四电容C4、第二电阻R2、第五电容C5、第六电容C6和第七电容C7。
具体的，第一电阻R1的两端分别连接微控制单元MCU输出PWM信号的CP_IO1脚和第一芯片U1的6脚IN，第一电容C1的一端接地，另一端接-12V电源和第一芯片U1的7脚V-；第二电容C2的一端接地，另一端接-12V电源和第一芯片U1；第三电容C3的一端接地，另一端接+12V电源；第四电容C4的一端连接+5V电源和第一芯片U1的5脚VL，另一端接地；第二电阻R2的一端接第一芯片U1的1脚D；第五电容C5的一端接-12V电源和第一芯片U1的2脚S1脚，另一端接地；第六电容C6的一端接+12V电源和第一芯片U1芯片4脚V+，另一端接地；第七电容C7的一端接+12V电源和第一芯片U1，另一端接地。
通过的PWM模块输出的PWM信号，
进一步的，本发明通过第一芯片U1的引脚IN进行输入信号选通，具体的，引脚IN为高电平时，引脚S2被选通，信号输出至引脚D，引脚IN为低电平时，引脚S1被选通，信号输出至D引脚，D引脚再通过电阻R2后输出CP信号。
CP信号为充电桩与充电车辆之间的交互信号，用于充电桩与电动汽车之间充电流程控制，根据充电的不同状态，CP信号会存在直流电平信号和PWM信号两种信号，当充电桩与车辆未连接时，CP信号为直流信号，当充电桩与车辆连接后，CP信号为PMW信号。
需要说明的是，本实施例中的第一芯片U1可以选用模拟开关芯片DG419DY，模拟开关芯片DG419DY具备低功耗、低导通电阻，低漏电流、转换速度快、占PCB空间小的优点，相比分立元件实现的复杂电路，具有更优的性能，与微控制单元MCU输出的PWM信号是完全同步的，且第一芯片U1输出的+12VPWM波形非常标准，能够避免上升沿下降沿时间长或波形畸变的现象。
S3：信号调理电路通过对PWM信号进行整流滤波后，通过AD芯片对PWM信号进行周期采样并由信号调理电路计算PWM信号幅值，充电桩根据PWM信号幅值判断是否存在充电需求；
参照图3的示意，信号调理电路包括第二芯片U2、第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二二极管D2、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10和第六电阻R6。
其中，本实施例中的第二芯片U2可以选取LM258DT芯片，第一二极管D1的两端分别与信号生成电路输出的PWM信号和第三电阻R3相连接，第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4和第五电阻R5，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的另一端接第二二极管D2的一侧，第二二极管D2的另一侧接第八电容C8的一端和第二芯片U2的3脚+IN1，第八电容C8的另一端接地，第九电容C9的一侧接+12V电源和第二芯片U2的8脚VCC，第九电容C9的另一侧接地，第六电阻R6一侧接第二芯片U2的5脚+IN2和第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端接地，第六R6另一侧接第二芯片U2的1脚Out1，第二芯片U2的1脚Out1接第二芯片U2的2脚-IN1，第二芯片U2的4脚GND接地，第二芯片U2的6脚-IN2和第二芯片U2的7脚Out2接入AD芯片的输入引脚。
其中，第二芯片U2为运放电路，能够对PWM信号进行滤波变成直流信号，然后再通过AD芯片检测直流信号，微控制单元MCU通过AD芯片检测该信号进行充电控制。
进一步地，信号调理电路利用二极管半波整流将接收到的±PWM信号波变为+PWM信号波，并且利用第三电阻R3和第四电阻R4的电阻分压降低PWM信号波电压的幅值，再经过运放构成的两阶有源滤波器后，直流信号送到后级的AD芯片进行电压采样，从而实现对±PWM波的正幅值检测，即可得到PWM幅值信号。
需要注意的是，当充电桩处于充电状态或等待充电需求状态时，PWM信号若叠加了外部引入的高频干扰信号时，PWM信号就会存在高频干扰信号，通过二阶低通有源滤波器时，超过该滤波器的截止频率的外部引入的高频成分通过该滤波器后会被有效衰减和滤除。因此，当受到高频干扰的PWM信号通过二阶低通有源滤波器会滤除外部引入的高频信号。从而实现干扰滤除。
进一步的，信号调理电路通过设置第二二极管D2，能够明显改善纹波问题。纹波生成的主要原因是这里的电容充放电的过程，充电时电流流过第三电阻R3和第四电阻R4给第八电容C8充电，而第八电容C8放电的电流主要经过第五电容R5和第四电容R4。由于此处有放电回路，从而导致了产生纹波的关键原因。因此增加第二二极管D2后第八电容C8只能够充电不能够放电，从而可以明显减小纹波。另外，实际使用时电路对PWM信号的电压从低到高时的响应速度会影响充电桩充电时需100ms内检测到充电结束和异常充电过程中及时拔枪中断充电过程的需求，为了加快PWM信号电压从低到高时的响应速度,需要增大电容C8的充电电流，因此第三电阻R3和第四电阻R4的取值不能过大，需要通过适当的取值满足来实际的要求。
优选地，本实施例中第三电阻R3的取值范围为40KΩ-60KΩ，第四电阻R4的取值范围为120KΩ-180KΩ。
参照图4和图5的示意，图4为本发明选用的AD芯片结构示意图，微控制单元MCU通过SPI总线读取AD芯片测量通道的瞬时值。
其中，AD芯片对PWM信号进行周期采样还包括：通过10ms周期的AD采样获取PWM信号的幅值。
S4：当检测到PWM信号由9V状态变为6V状态时，充电桩判断车辆存在充电需求，此时充电桩吸合接触器，进入充电状态；
具体的，根据电动车辆传导充电系统一般要求的标准，PWM信号为9V状态时，信号的大小可以不正好等于9V，而是指其处于9V状态，9V状态的最大范围为8.2V-9.8V，PWM信号即不在8.2V-9.8V的范围时，判断为非9V状态。9V状态的正常充电范围8.37V-9.59V，即在PWM信号的电压在这个电压范围时，充电桩检测到的是9V状态；9V状态允许充电范围包括9.59V至9.8V和8.2V至8.37V，即在这个电压范围充电桩可以认为检测到非9V状态，也可以认为检测到9V状态。
为了同时满足9V状态正常充电范围，以及最大9V的状态范围，本发明设定了两个非9V状态的判断阀值，分别为最大阀值和最小阀值，即该阀值既不能超过9V状态最大范围，也不能在正常充电范围内，因此设定9V状态最大阀值为9.72V，最小阀值为8.28V，而在本实施例中，本发明中设定的判断阀值增加0.03V的回差区间，例如，当从未插枪充电状态检测到PWM信号电压小于最大阀值9.72V时进入9V状态，只要电压波动不超过9.75V就仍然认为是处于9V状态，这样既能满足最大范围要求，也解决了在PWM信号电压在阀值上下浮动导致充电状态的来回切换的问题，从而避免了充电桩在等待汽车需求与等待插枪的状态之间来回切换，影响正常充电行为的现象。
S5，在充电状态中，监测PWM信号的幅值并判断充电是否正常，并根据PWM信号的幅值变化控制充电过程的结束。
具体的，S5还包括：
S5-1，当充电状态中检测到PWM信号的幅值变为非6V状态、且PWM信号的幅值不等于9V时，判断为出现故障并结束充电；
S5-2，当检测到PWM信号由6V状态变为9V状态时，表示已充满电，检测到PWM信号由9V状态变为12V状态时，表示充电枪断开，结束充电。
需要说明的是，根据电动车辆传导充电系统一般要求的标准，6V状态的最大范围为5.2V至6.8V，即不在这个范围的判断为非6V状态。6V状态正常充电范围为5.47V-6.53V，即当PWM信号的电压值处于该电压范围时，充电桩必须检测到的是6V状态。6V状态允许充电范围:6.53V-6.8V，5.2V-8.47V，即当PWM信号的电压值处于该电压范围时，充电桩可以认为检测到非6V状态，也可以认为检测到9V状态。为了同时满足6V状态正常充电范围，以及最大的6V状态范围，原理跟9V状态类似，软件内部设定了两个非6V状态的判断阀值，分别为最大阀值和最小阀值，即该阀值既不能超过6V状态最大范围，也不能在正常充电范围内，6V状态最大阀值为6.68V，最小阀值为5.30V，而软件上将内部设定的判断阀值增加0.03V的回差区间，比如当在充电过程中检测到PWM信号电压小于最大阀值6.68V时进入6V状态，只要电压波动不超过6.71V就仍然认为是处于6V状态，这样既还能满足最大范围要求，也解决了在PWM信号电压在阀值上下浮动导致充电状态的来回切换的，从而避免了充电桩在刚进入充电状态就发生异常结束的现象。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：检测直流信号并判断充电桩是否与车辆相连接，若是则进入S2；
S2：充电桩与车辆相连接后，充电桩中微控制单元MCU输出PWM信号通过信号生成电路的处理后输入信号调理电路；
S3：信号调理电路通过对PWM信号进行整流滤波后，通过AD芯片对PWM信号进行周期采样并由信号调理电路计算PWM信号幅值，充电桩根据PWM信号幅值判断是否存在充电需求；
S4：当检测到PWM信号由9V状态变为6V状态时，充电桩判断车辆存在充电需求，此时充电桩吸合接触器，进入充电状态；
S5：在充电状态中，监测PWM信号的幅值并判断充电是否正常，并根据PWM信号的幅值变化控制充电过程的结束。
2.如权利要求1所述的基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，所述S1中，当直流信号由12V状态变为9V状态时，表示充电桩已经与车辆相连接，此时充电桩输出PWM信号。
3.如权利要求1所述的基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，所述微控制单元MCU设置于充电桩内。
4.如权利要求3所述的基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，微控制单元MCU输出的PWM信号频率为1kHZ，占空比为53.3%，峰值电压为3.3V。
5.如权利要求3或4所述的基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，所述信号生成电路还包括第一芯片U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第四电容C4、第二电阻R2、第五电容C5、第六电容C6和第七电容C7；
其中，第一电阻R1的两端分别连接微控制单元MCU的输出端和第一芯片U1，第一电容C1的一端接地，另一端接-12V电源和第一芯片U1；第二电容C2的一端接地，另一端接-12V电源和第一芯片U1；第三电容C3的一端接地，另一端接+12V电源；第四电容C4的一端连接+5V电源和第一芯片U1，另一端接地；第二电阻R2的一端接第一芯片U1；第五电容C5的一端接-12V电源和第一芯片U1，另一端接地；第六电容C6的一端接+12V电源和第一芯片U1芯片，另一端接地；第七电容C7的一端接+12V电源和第一芯片U1，另一端接地。
6.如权利要求1所述的基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，所述信号调理电路包括第二芯片U2、第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二二极管D2、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10和第六电阻R6；
其中，第一二极管D1的两端分别与信号生成电路输出的PWM信号和第三电阻R3相连接，第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4和第五电阻R5，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的另一端接第二二极管D2的一侧，第二二极管D2的另一侧接第八电容C8的一端和第二芯片U2，第八电容C8的另一端接地，第九电容C9的一侧接+12V电源和第二芯片U2，第九电容C9的另一侧接地，第六电阻R6一侧接第二芯片U2和第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端接地，第六R6另一侧接第二芯片U2。
7.如权利要求6所述的基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，所述AD芯片对PWM信号进行周期采样还包括：通过10ms周期的AD采样获取PWM信号的幅值。
8.如权利要求1所述的基于PWM信号的充电控制方法，其特征在于，所述S5还包括：
S5-1，当充电状态中检测到PWM信号的幅值变为非6V状态、且PWM信号的幅值不等于9V时，判断为出现故障并结束充电；
S5-2，当检测到PWM信号由6V状态变为9V状态时，表示已充满电，检测到PWM信号由9V状态变为12V状态时，表示充电枪断开，结束充电。
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