CN105743192B - 一种互联网智能交流充电桩的控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互联网智能交流充电桩的控制电路及控制方法，属于电动汽车充电桩领域。包括防雷电路、供电电路、电能计量电路、继电器、充电枪、CPU电路、开关量输入、开关量输出、连接检测电路、RS485接口、以太网接口以及GPRS模块；防雷电路的监控管脚串联电阻及二极管，并用光耦隔离，信号进入到CPU；电能计量电路的一路输出通过串口连接CPU；开关量输入连接CPU，CPU分别连接RS485接口、以太网接口、GPRS模块、继电器以及开关量输出，CPU的一路输出通过连接检测电路连接充电枪。将原来充电桩模块式设计改为集成式设计，降低物料成本和生产成本，并且提高了可靠性。实时测量漏电电流，后台管理系统可以提前了解线缆绝缘，避免出现电击事故。

Description

一种互联网智能交流充电桩的控制电路及控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电桩技术领域，具体设计一种互联网智能交流充电桩的控制电路及控制方法

背景技术

目前市场上的电动汽车交流充电桩，基本是由充电接口电路、电能表、漏电保护器、防雷器、读卡器、GPRS模块和主控制部分组成，主控制部分通过控制交流接触器来实现电能输出；其中电能表、漏电保护器、防雷器、GPRS模块及交流接触器均为从第三方购买的产品，然后将其安装到桩体内，从而实现电能计量、漏电保护、远程通讯、防雷和交流输出控制的功能，这种实现的方式因外购器件多成本较高；同时因为电能表、漏电保护器、GPRS模块、防雷器及交流接触器等外购器件本身的体积较大，导致充电桩体积也很大；并且不能实时监测漏电流状态。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种互联网智能交流充电桩的控制电路，可以在充电桩使用过程中，在一块电路板上实现电能计量、漏电流监测及保护、防雷和交流输出控制等功能。采用的技术方案如下：

一种互联网智能交流充电桩的控制电路，包括防雷电路、供电电路、电能计量电路、继电器、充电枪、CPU电路、开关量输入、开关量输出、连接检测电路、RS485接口、以太网接口以及GPRS模块；

所述防雷电路、电能计量电路、继电器以及充电枪依次串接，所述AC220V经过防雷电路连接供电电路，所述防雷电路的一路输出连接CPU电路；所述电能计量电路的一路输出通过串口连接CPU电路；所述开关量输入连接CPU电路，所述CPU电路分别连接RS485接口、以太网接口、GPRS模块、继电器以及开关量输出，所述CPU电路的一路输出通过连接检测电路连接充电枪。

作为优选技术方案，所述CPU电路采用LPC1778，内部含有512KB的片上闪存程序存储器，96KB的片上SRAM、4KB的片上EEPROM、八通道通用DMA控制器、以太网MAC MII/RMII接口和专用的DMA控制器、五个UART接口、12位的ADC，供电电压3.3V；CPU电路内部自带以太网控制器，外部增加连接以太网收发器DP83848，实现以太网通讯；CPU是整个充电桩控制电路的核心单元，通过对CPU编程控制充电桩内部其他模块工作。

作为优选技术方案，所述防雷电路由压敏电阻实现；所述压敏电阻的2、3管脚分别安装保险丝，压敏电阻的3脚还连接限流电阻、二极管以及光耦，光耦输出50Hz方波，当压敏电阻失效后，光耦输出固定电平，即可判断为压敏电阻失效；由于充电桩放在户外，有被雷击的可能，防雷电路在充电桩的电源入口侧，可防止雷击损坏充电桩及电动汽车。

作为优选技术方案，所述电能计量电路由电流互感器、电压互感器、零序电流互感器、电能脉冲输出接口、电能计量芯片以及串口输出实现；所述电流互感器、电压互感器、零序电流互感器均作为输入连接电能计量芯片，所述电能计量芯片的输出分别连接电能脉冲输出接口、串口输出；火线及零线的电压、电流及漏电电流通过电压互感器、电流互感器及零序电流互感器转换为小信号，进入到电能计量芯片，电能计量芯片进行转换及计算得出电压、电流、零序电流及电能值，并通过串口输出到CPU电路内部，CPU电路通过GPRS模块将电压、电流、零序电流、电能数据上传至后台，CPU将电能计量芯片输出的电压、电流及零序电流值与设定值实时进行比对，进而保护充电桩，将电能数据上传至后台。

作为优选技术方案，所述供电电路采用AC-DC模块，AC-DC输出两路电压5V及15V，两路电压之间隔离，两路电压分别经过稳压线性电源芯片进行电压转换，5V转换为3.3V及4V，用于为CPU和GPRS模块供电，15V转换为12V，用于为继电器供电。

作为优选技术方案，所述继电器由带有MOS管的光耦控制实现；光耦发光二极管一侧的输入为PWM波形；继电器吸合时，即可将AC220V输送到电动汽车，电动汽车开始充电；继电器断开时，切断电压输出，电动汽车停止充电。

作为优选技术方案，所述GPRS模块由SIM800C、SIM卡、供电电路、天线及串口输出接口实现；所述SIM卡、所述供电电路均与所述SIM800C连接，所述SIM800C一方面通过串口输出接口与CPU电路交互、另一方面通过天线将充电桩运行的实时数据发送到移动网络基站；

所述以太网接口作为与后台的备用通信接口，当用网线连接到网络时，充电桩即可与后台建立通信，接收启动停止命令，上传充电桩运行的实时信息。

作为优选技术方案，所述连接检测电路由电压隔离光耦、隔离光耦、滤波电路、PWM产生电路、负12V产生电路以及充电枪CP接口和CC接口实现；所述CPU电路连接隔离光耦，所述隔离光耦连接PWM产生电路，所述PWM产生电路分别连接滤波电路及充电枪CP接口和CC接口，所述滤波电路连接电压隔离光耦，所述电压隔离光耦连接到CPU的AD通道，所述负12V产生电路连接PWM产生电路；CPU电路输出PWM波，经过隔离光耦后产生±12V的PWM，经过滤波电路之后，进行电压隔离，然后进入到CPU电路；连接检测电路用于检测充电桩与车是否可靠连接，并且PWM波形的占空比也代表了充电桩的输出功率。

作为优选技术方案，所述开关量输入和开关量输出均使用光耦进行隔离；急停按钮连接开关量输入接口，运行状态指示灯连接开关量输出接口；所述RS485接口用来配置充电桩ID号，采用隔离电源及隔离型RS485驱动芯片。

基于上述控制电路，本发明还提出了一种控制方法，包括如下步骤：

(1)充电站首次上电时，会检测是否含有正确ID，如果没有，则等待设置ID，设置ID通过RS485接口；

(2)读取ID正确后，充电桩进入正常工作状态，此时循环执行读取后台命令程序、读电表，即执行与电能计量芯片通信的程序、读开关量输入的急停信号程序、充电枪连接信号检测程序；

(3)当收到后台命令时，CPU会控制继电器吸合，当满足停止条件时，控制继电器切断输出，停止充电；

(4)用户给电动汽车充电时，首先将充电枪插入到电动汽车充电接口，充电桩的连接检测电路会进行连接检测，检测成功后，开关量输出接口会控制绿色LED灯点亮，表示连接可靠；

(5)用户扫二维码后，可以通过手机APP发送命令给后台，后台发送命令给充电桩，充电桩收到命令后吸合继电器，启动充电；

(6)手机APP可以发送停止充电命令给后天，后天发送命令给充电桩，充电桩收到停止命令后切断输出，或者当电动汽车充满电时，充电电流会降到比较小，此时充电桩会自动切断输出，完成充电。

本发明的有益效果：

(1)将原来充电桩分立模块式设计改为集成式设计，降低物料成本和生产成本，并且提高了可靠性。

(2)实时测量漏电电流，后台管理系统可以提前了解线缆绝缘，避免出现电击事故。

附图说明

图1是本发明充电桩的电路原理图；

图2是防雷模块电路图；

图3是电能计量电路结构框图；

图4是供电电路原理框图；

图5是继电器原理图；

图6是GPRS模块原理框图；

图7是连接检测电路原理框图；

图8是开关量输入电路图；

图9是开关量输出电路图；

图10是系统工作流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种交流充电装置的有效控制电路，可以在充电桩使用过程中，在一块电路板上实现电能计量、漏电流监测及保护、防雷和交流输出控制等功能。

将零序电流互感器、电压互感器、电流互感器输出的模拟信号输入到电能计量芯片，电能计量芯片输出电压、电流、漏电电流等的数字信号到CPU。

利用分立器件(压敏电阻及放电管)去实现防雷保护功能，压敏电阻内部自带保险丝，并且有一个监视脚，压敏电阻失效之前，保险丝会熔断，监视脚没有电压输出。

通过大功率继电器实现交流输出的控制。

本发明的GPRS模块采用SIMCOM的SIM800C模块，利用AT命令操作GPRS模块，进行数据传输。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明充电桩的电路原理图。包括防雷电路、供电电路、电能计量电路、继电器、充电枪、CPU电路、开关量输入、开关量输出、连接检测电路、RS485接口、以太网接口以及GPRS模块；

所述防雷电路、电能计量电路、继电器以及充电枪依次串接，所述AC220V经过防雷电路连接供电电路；所述电能计量电路的一路输出通过串口连接CPU；所述开关量输入连接CPU，所述CPU分别连接RS485接口、以太网接口、GPRS模块、继电器以及开关量输出，所述CPU的一路输出通过连接检测电路连接充电枪。

CPU使用LPC1778，内部含有512KB的片上闪存程序存储器，96KB的片上SRAM、4KB的片上EEPROM、八通道通用DMA控制器、以太网MAC MII/RMII接口和专用的DMA控制器、五个UART接口、12位的模拟-数字转换器(ADC)等，供电电压使用3.3V。CPU内部自带以太网控制器，外部增加以太网收发器DP83848，实现以太网通讯；CPU是整个充电桩控制电路的核心单元，通过对CPU编程控制充电桩内部其他模块工作。

RS485接口用来配置充电桩ID号，使用隔离电源及隔离型RS485驱动芯片。

图2为防雷模块电路图。RV1、RV2、RV3为压敏电阻，压敏电阻的2、3管脚装有保险丝，3脚连接限流电阻、二极管及光耦，光耦输出50Hz方波，当压敏电阻失效后，光耦输出固定电平，即可判断为压敏电阻失效。由于充电桩放在户外，有被雷击的可能，防雷电路在充电桩的电源入口侧，可防止雷击损坏充电桩及电动汽车。

图3为电能计量电路原理框图。火线及零线的电压、电流及漏电电流通过电压互感器、电流互感器及零序电流互感器转换为小信号，进入到电能计量芯片，电能计量芯片进行转换及计算得出电压、电流、零序电流及电能值，并通过串口输出到CPU电路内部，CPU电路通过GPRS模块将电压、电流、零序电流、电能数据上传至后台，CPU将电能计量芯片输出的电压、电流及零序电流值与设定值实时进行比对，进而保护充电桩，将电能数据上传至后台。

图4为供电电路原理框图。采用AC-DC模块，输出两路电压5V及15V，两路电压隔离设计，两路电压经过稳压线性电源芯片进行电压转换，5V转换为3.3V及4V为CPU和GPRS模块供电，15V转换为12V，为继电器供电以及连接检测电路供电。

图5为继电器电路图。采用带有MOS管的光耦进行控制实现，光耦发光二极管一侧的输入为PWM波形；继电器吸合时，即可将AC220V输送到电动汽车，电动汽车开始充电；继电器断开时，切断电压输出，电动汽车停止充电。继电器控制端即可实现PWM波控制，不但实现了继电器控制，而且还降低了控制继电器的功率。

图6为GPRS模块原理框图。所述GPRS模块由SIM800C、SIM卡、供电电路、天线及串口输出接口实现；所述SIM卡、所述供电电路均与所述SIM800C连接，所述SIM800C一方面通过串口输出接口与CPU电路交互、另一方面通过天线将充电桩运行的实时数据发送到移动网络基站。

所述以太网接口作为备用通信接口，当用网线连接到网络时，充电桩即可与后台建立通信，接收启动停止命令，上传充电桩运行的实时信息。

图7是连接检测电路原理框图。所述连接检测电路由电压隔离光耦、隔离光耦、滤波电路、PWM产生电路、负12V产生电路以及充电枪CP接口和CC接口实现；所述滤波电路连接电压隔离光耦，所述电压隔离光耦连接到CPU的AD通道；所述CPU电路连接隔离光耦，所述隔离光耦连接PWM产生电路，所述PWM产生电路分别连接滤波电路及充电枪CP接口和CC接口，所述负12V产生电路连接PWM产生电路；CPU电路输出PWM波，经过隔离光耦后产生±12V的PWM，经过滤波电路之后，进行电压隔离，然后进入到CPU电路；连接检测电路用于检测充电桩与车是否可靠连接，并且PWM波形的占空比也代表了充电桩的输出功率。

图8和图9分别为开关量输入电路图和开关量输出电路图。均使用光耦进行隔离。急停按钮连接开关量输入接口，运行状态指示灯连接开关量输出接口。

图10是控制系统工作的流程图。包括如下步骤：

(1)充电站首次上电时，会检测是否含有正确ID，如果没有，则等待设置ID，设置ID通过RS485接口。

(2)读取ID正确后，充电桩进入正常工作状态，此时循环执行读取后台命令程序、读电表，即执行与电能计量芯片通信的程序、读开关量输入的急停信号程序、充电枪连接信号检测程序。

(3)当收到后台命令时，CPU会控制继电器吸合，当满足停止条件时，控制继电器切断输出，停止充电。

(4)用户给电动汽车充电时，首先将充电枪插入到电动汽车充电接口，充电桩的连接检测电路会进行连接检测，检测成功后，开关量输出接口会控制绿色LED灯点亮，表示连接可靠。

(5)用户扫二维码后，可以通过手机APP发送命令给后台，后台发送命令给充电桩，充电桩收到命令后吸合继电器，启动充电；

(6)手机APP可以发送停止充电命令给后台，后台发送命令给充电桩，充电桩收到停止命令后切断输出，或者当电动汽车充满电时，充电电流会降到比较小，此时充电桩会自动切断输出，完成充电。

以上所述仅用于描述本发明具体实施例，但本发明的保护范围并不限于此。应当理解，在不违背本发明实质内容和原则的前提下，所作任何修改、等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种互联网智能交流充电桩的控制电路，其特征在于，包括防雷电路、供电电路、电能计量电路、继电器、充电枪、CPU电路、开关量输入、开关量输出、连接检测电路、RS485接口、以太网接口以及GPRS模块；

所述防雷电路、电能计量电路、继电器以及充电枪依次串接，AC220V经过防雷电路连接供电电路，所述防雷电路的监控管脚输出连接CPU电路；所述电能计量电路的一路输出通过串口连接CPU电路；所述开关量输入连接CPU电路，所述CPU电路分别连接RS485接口、以太网接口、GPRS模块、继电器以及开关量输出，所述CPU电路的一路输出通过连接检测电路连接充电枪；

所述防雷电路由压敏电阻实现；所述压敏电阻的2、3管脚分别安装保险丝，压敏电阻的3脚还连接限流电阻、二极管以及光耦，光耦输出50Hz方波，当压敏电阻失效后，光耦输出固定电平，即可判断为压敏电阻失效；

所述电能计量电路由电流互感器、电压互感器、零序电流互感器、电能脉冲输出接口、电能计量芯片以及串口输出实现；所述电流互感器、电压互感器、零序电流互感器均作为输入连接电能计量芯片，所述电能计量芯片的输出分别连接电能脉冲输出接口、串口输出；火线及零线的电压、电流及漏电电流通过电压互感器、电流互感器及零序电流互感器转换为小信号，进入到电能计量芯片，电能计量芯片进行转换及计算得出电压、电流、零序电流及电能值，并通过串口输出到CPU电路内部，CPU电路通过GPRS模块将电压、电流、零序电流、电能数据上传至后台，CPU将电能计量芯片输出的电压、电流及零序电流值与设定值实时进行比对，进而保护充电桩，将电能数据上传至后台；

所述供电电路采用AC-DC模块，AC-DC输出两路电压5V及15V，两路电压之间隔离，两路电压分别经过稳压线性电源芯片进行电压转换，5V转换为3.3V及4V，用于为CPU和GPRS模块供电，15V转换为12V，用于为继电器供电；

所述连接检测电路由电压隔离光耦、隔离光耦、滤波电路、PWM产生电路、负12V产生电路以及充电枪CP接口和CC接口实现；所述CPU电路连接隔离光耦，所述隔离光耦连接PWM产生电路，所述PWM产生电路分别连接滤波电路及充电枪CP接口和CC接口，所述滤波电路连接电压隔离光耦，所述电压隔离光耦连接到CPU的AD通道，所述负12V产生电路连接PWM产生电路；CPU电路输出PWM波，经过隔离光耦后产生±12V的PWM，经过滤波电路之后，进行电压隔离，然后进入到CPU电路；连接检测电路用于检测充电桩与车是否可靠连接，并且PWM波形的占空比也代表了充电桩的输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种互联网智能交流充电桩的控制电路，其特征在于，所述CPU电路采用LPC1778，内部含有512KB的片上闪存程序存储器，96KB的片上SRAM、4KB的片上EEPROM、八通道通用DMA控制器、以太网MAC MII/RMII接口和专用的DMA控制器、五个UART接口、12位的ADC，供电电压3.3V；CPU电路内部自带以太网控制器，外部增加连接以太网收发器DP83848，实现以太网通讯；通过对CPU编程控制充电桩内部其他模块工作。

3.根据权利要求1所述的一种互联网智能交流充电桩的控制电路，其特征在于，所述继电器由带有MOS管的光耦控制实现；光耦发光二极管一侧的输入为PWM波形；继电器吸合时，即可将AC220V输送到电动汽车，电动汽车开始充电；继电器断开时，切断电压输出，电动汽车停止充电。

4.根据权利要求1所述的一种互联网智能交流充电桩的控制电路，其特征在于，所述GPRS模块由SIM800C、SIM卡、供电电路、天线及串口输出接口实现；所述SIM卡、所述供电电路均与所述SIM800C连接，所述SIM800C一方面通过串口输出接口与CPU电路交互、另一方面通过天线将充电桩运行的实时数据发送到移动网络基站；

所述以太网接口作为与后台的备用通信接口，当用网线连接到网络时，充电桩即可与后台建立通信，接收启动停止命令，上传充电桩运行的实时信息。

5.根据权利要求1所述的一种互联网智能交流充电桩的控制电路，其特征在于，所述开关量输入和开关量输出均使用光耦进行隔离；急停按钮连接开关量输入接口，运行状态指示灯连接开关量输出接口；

所述RS485接口用来配置充电桩ID号，采用隔离电源及隔离型RS485驱动芯片。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种互联网智能交流充电桩的控制电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)充电站首次上电时，会检测是否含有正确ID，如果没有，则等待设置ID，设置ID通过RS485接口；

(2)读取ID正确后，充电桩进入正常工作状态，此时循环执行读取后台命令程序、读电表，即执行与电能计量芯片通信的程序、读开关量输入的急停信号程序、充电枪连接信号检测程序；

(3)当收到后台命令时，CPU会控制继电器吸合，当满足停止条件时，控制继电器切断输出，停止充电；

(4)用户给电动汽车充电时，首先将充电枪插入到电动汽车充电接口，充电桩的连接检测电路会进行连接检测，检测成功后，开关量输出接口会控制绿色LED灯点亮，表示连接可靠；

(5)用户扫二维码后，可以通过手机APP发送命令给后台，后台发送命令给充电桩，充电桩收到命令后吸合继电器，启动充电；

(6)手机APP可以发送停止充电命令给后台，后台发送命令给充电桩，充电桩收到停止命令后切断输出，或者当电动汽车充满电时，充电电流会降到比较小，此时充电桩会自动切断输出，完成充电。