汽車充電設(shè)備電能計量系統(tǒng)研究

劉翰承

（景德鎮(zhèn)市市場監(jiān)督管理綜合檢驗檢測中心，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

隨著全球能源資源的枯竭，各國都在大力發(fā)展新能源汽車，其中純電動汽車是當(dāng)前的主流發(fā)展方向[1-2]。但是，當(dāng)前電動汽車發(fā)展過程中最大的障礙是充電設(shè)備的性能[3-4]。因此，進一步提高充電設(shè)備的綜合性能是發(fā)展純電動汽車的重要途徑。在充電網(wǎng)絡(luò)中，電能的計量不僅是進行收費的主要依據(jù)，而且還能為充電設(shè)備、充電網(wǎng)絡(luò)、充電行為的分析和優(yōu)化提供大數(shù)據(jù)支撐[5-6]?；诖?，如何設(shè)計一款成本低廉、安全穩(wěn)定、智能方便的電能計量系統(tǒng)，成為當(dāng)前電動汽車充電設(shè)備領(lǐng)域的重要研究方向。

1 電能計量系統(tǒng)架構(gòu)分析

1.1 總體架構(gòu)

電動汽車充電設(shè)備電能計量系統(tǒng)以單片機控制器為核心，以電能計量為目標(biāo)，包括射頻識別、充電接口、充電檢測、數(shù)據(jù)總線、交流電源、雷電防護、人機交互等功能模塊，各模塊之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 功能架構(gòu)

從圖1的系統(tǒng)架構(gòu)不難看出，整個系統(tǒng)是以控制器為核心的，其它模塊均圍繞著控制器來工作，受控制器的統(tǒng)一調(diào)度?？刂破饕环矫嫦蚋髂K發(fā)出控制指令，另一方面接收來自各模塊的數(shù)據(jù)和指令反饋?？刂破髯詭Я嗽S多類型的硬件接口，可以與不同的功能模塊進行電氣連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的一體化。電能計量模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它可以在充電設(shè)備與汽車電池接時后，實時采集電流、電壓、頻率等數(shù)據(jù)，精確地計算出特定時間段內(nèi)的電功率，為控制器提供重要的數(shù)據(jù)源。射頻識別模塊的功能是對用戶的信息進行認證，對賬戶內(nèi)的余額進行管理和消費記錄。繼電器的功能是在控制器的指令下完成充電電路的通與斷操作。人機交互接口允許用戶在顯示屏上進行操作交互，完成所需的各項功能業(yè)務(wù)。電源模塊是指充電設(shè)備本身的電量需求供應(yīng)單元，可為所有功能模塊提供5V、12V、24V等標(biāo)準(zhǔn)電壓的直流電。另外，系統(tǒng)還設(shè)置了緊急停止按鈕和空氣斷路器，保證突發(fā)情況下可以迅速斷開充電，保證人員和設(shè)備的安全[3]。

1.3 關(guān)鍵器件選型

根據(jù)電動汽車充電設(shè)備電能計量系統(tǒng)的功能需求，結(jié)合系統(tǒng)開發(fā)的難度、成本、周期、性能等因素，本文的控制器采用了Freescale公司推出的工業(yè)級微控制器MC9S08DZ60，電能計量部分對精度性能有嚴格要求，采用了高性能的單相雙線電能計量芯片ATT7053BU,射頻模塊采用性價比較高的RC522芯片，人機接口采用當(dāng)前流行的觸摸屏，方便用戶直接操作。

2 主要硬件模塊設(shè)計

2.1 主控制器

考慮到充電計量在數(shù)據(jù)采集、傳輸、中斷處理、計數(shù)等方面均有應(yīng)用需求，因此選用了MC9S08DZ60控制芯片作為主控單元。該芯片是由美國Freescale公司研發(fā)的8位控制器，主頻為40MHz，支持32個中斷/復(fù)位源，提供了多達60KB的閃存，2K的可擦寫存儲器，具有豐富的硬件接口可以與其它外圍設(shè)備實現(xiàn)互連，共有53個普通I/O口和24個中斷口，可以采用兩種模式運行，具有高性能、低功耗的優(yōu)點，完全可以滿足電動汽車充電設(shè)備電能計量的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理要求。在計量電路的設(shè)計中，通過晶振、復(fù)位、BDM 和旁路電容等電路模塊互連實現(xiàn)最小系統(tǒng)，由SPI接口與電能計量模塊相連，人機交互和射頻識別模塊均通過RS-485串行接口與主控單元相連，通過預(yù)留CAN數(shù)據(jù)總線以應(yīng)對售后可能的總線拓展需求。

2.2 電能計量模塊

在電動汽車充電設(shè)備電能計量系統(tǒng)中，電能計量模塊無疑是整個系統(tǒng)最為核心的功能模塊。電能計量模塊由計量芯片、電流互感器、電壓互感器、晶振電路、復(fù)位電路等構(gòu)成，其中計量芯片采用ATT7053BU負責(zé)處理數(shù)據(jù)和控制采集，而電流互感器和電壓互感器分別完成對電路中電流和電壓的采集，采集到的電能原始數(shù)據(jù)之后，要經(jīng)過初步的濾波和限流處理，再采用RC濾波電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓后，由計量芯片通過SPI通信接口傳輸至主控制模塊，從而實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的采集和處理。ATT7053BU 芯片內(nèi)置了一根 SPI總線，電壓范圍 3.0～3.6V，晶振5.5MHz。SPI總線屬于同步串行總線，是主控芯片與外圍電路模塊進行數(shù)據(jù)交互的主要通道，為了實現(xiàn)串行傳輸，SPI采用了4線制通信，包括時鐘線（CLK）、輸出線（DO）、輸入線（DI）和選擇線（CS），每個接口均設(shè)置了上拉電阻以保證系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。

根據(jù)ATT7053BU的計量結(jié)果，采用以下公式即可得到充電功率：

其中，

Px——功率，單位：W

EC——計量芯片原始值

Preg——芯片脈沖常數(shù)

HFConst——芯片HFConst寄存器值

2.3 射頻識別模塊

RFID射頻識別單元采用非接觸式讀卡芯片RC522為主要芯片，與IC卡、電容、電感、天線等輔助電路，構(gòu)成一個具有感應(yīng)識別功能的電路模塊。射頻單元采用SPI總線與單片機相連，由單片機對整個射頻識別過程進行控制，而單片機又通過RS-485串行總線與主控單元MC9S08DZ60相連接。當(dāng)用戶的IC卡進入射頻檢測范圍時，射頻模塊的天線與IC卡內(nèi)部的線圈之間由于電流頻率相同而出現(xiàn)共振現(xiàn)象，共振信號傳輸?shù)絉C522芯片內(nèi)進行預(yù)處理后，由SPI總線傳送到單片機內(nèi)，再通過RS-232串行總線到達主控單元進行分析，解算出相應(yīng)的ID號，與數(shù)據(jù)庫中的用戶信息表進行比對，從而識別出當(dāng)前用戶信息。

2.4 充電連接檢測電路

無論是車載電源模塊還是充電樁設(shè)備，在進行充電連接之前都需要明確自身的連接狀態(tài)，只有處于空閑狀態(tài)，才會對充電連接進行響應(yīng)并充電。為實現(xiàn)該功能，系統(tǒng)使用了一種控制引導(dǎo)電路，如圖2所示。

圖2 充電連接檢測電路原理圖

在充電插頭和插座中分別內(nèi)置了相應(yīng)的開關(guān)器件Sa、Sb，如果插頭與插座處于連接狀態(tài)，檢測點A就會產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖信號，使兩個開關(guān)進入聯(lián)鎖斷開狀態(tài)。在Sa的狀態(tài)與檢測點A的電壓關(guān)系可以由下面兩個式子來描述：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)和功能模塊，結(jié)合人們的日常操作習(xí)慣，電動汽車充電設(shè)備電能計量系統(tǒng)的軟件工作流程可以用圖3來描述：

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

系統(tǒng)接通電源后自動開機，電源模塊為各硬件模塊提供相應(yīng)的工作電壓，系統(tǒng)開始執(zhí)行初始化，包括主控芯片的初始化、計量芯片的初始化、射頻單元的初始化等等。完成初始化后系統(tǒng)會先進行一次自檢，對自身的電流、電壓和溫度等參數(shù)進行測量，無異常方可執(zhí)行后續(xù)步驟，否則會在面板發(fā)出警告，提示用戶系統(tǒng)故障。如果系統(tǒng)正常，則提示用戶刷卡，當(dāng)檢測到IC卡后，由射頻模塊對卡的信息進行識別和認證，如果是有效卡則用戶可以通過觸摸屏進行充電操作。確認充電后，主控模塊會向各功能模塊發(fā)現(xiàn)相應(yīng)指令，使電路接通開始充電。在充電過程中，計量裝置會持續(xù)對電能進行計量，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制單元。待充電結(jié)束后，系統(tǒng)會關(guān)閉相應(yīng)模塊的電路使系統(tǒng)重新進入待機狀態(tài)，計量裝置的計量結(jié)果將作為收費的依據(jù)，計算出的收費金額通過觸摸屏顯示出來，由用戶確認繳費或系統(tǒng)自動扣費。

4 結(jié)語

電動汽車是我國實行新能源戰(zhàn)略的重要戰(zhàn)場，近年純電動汽車的保有量持續(xù)增長，整車性能逐步提升，這意味著在不久的將來，道路兩邊的充電設(shè)備將越來越多，預(yù)示著充電計量裝置廣泛的應(yīng)用前景。本文開發(fā)的電動汽車充電設(shè)備電能計量系統(tǒng)具有成本低、精度高、穩(wěn)定可靠、操作方便等優(yōu)點，可以大批量用于充電樁等純電動汽車充電設(shè)備的電能計量。