CN110774912A - 一种交流充电桩系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流充电桩系统，该充电桩包括连接在市电电源线上的保护器和总开关，与总开关分支电源线连接的电源开关，与电源开关电连接并通过电源开关供电的主控模块，与总开关分支电源依次连接且同时与主控模块连接的继电器与电度表，与电度表通过电源线连接的外部接口，以及为主控模块、继电器、电度表进行供电的供电模块，所述主控模块包括控制器，与控制器电连接的读卡器，与控制器电连接并用于对充电桩充电和放电状态进行指示的指示灯，以及与控制器电连接并用于对充电时间或金额进行设置的触摸式显示屏。通过上述方案，本发明达到了准确且高效输出的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种交流充电桩系统
技术领域
本发明属于充电桩技术领域，具体地讲，是涉及一种交流充电桩系统。
背景技术
由于不可再生能源的不断衰竭、环境污染和全球变暖等问题的恶化，新能源电动汽车成为了人们的焦点，我国开始实施交通能源方式的转型，大力发展电动汽车行业，电动汽车逐渐变为主流交通方式。
电动汽车在持续迅猛发展的同时，带动着充电桩的发展，但是随之也出现了很多问题，如充电桩与电动汽车比例不匹配、车型的兼容性低、利用率低、充电时间长等。现在最为主流的充电桩有交流充电桩和直流充电两大类，其中直流充电桩由于其充电效率高和速度更快的优点更受民众和各公司的青睐。交流充电桩充电时间大概是直流的4倍，但是它的成本廉价很多，一台交流电桩仅需5千-2万元，而直流充电桩成本需要10-15万元。如何使交流充电桩在市场中占据优势，这还需要交流充电桩研发者不断地研究。
我国虽然是一个能源大国，但是人均资源少，近年来我国石油进口率不断上升，能源安全受到威胁。电动汽车的发展能有效缓解能源问题和环境污染问题，而电动汽车充电桩的研发能够推动电动汽车快速发展。然而我国充电设施相比于国外在充电技术标准制定和关键技术的研发方面存在着一些差距。因此如何改善我国国内对充电技术分析和研究，达到安全可靠、功能完善、操作简单明了、成本低廉的充电桩是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供一种交流充电桩系统，能够达到安全可靠、功能完善、操作简单明了、成本低廉。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种交流充电桩系统，包括连接在市电电源线上的保护器和总开关，与总开关分支电源线连接的电源开关，与电源开关电连接并通过电源开关供电的主控模块，与总开关分支电源依次连接且同时与主控模块连接的继电器与电度表，与电度表通过电源线连接的外部接口，以及为主控模块、继电器、电度表进行供电的供电模块，所述主控模块包括控制器，与控制器电连接的读卡器，与控制器电连接并用于对充电桩充电和放电状态进行指示的指示灯，以及与控制器电连接并用于对充电时间或金额进行设置的触摸式显示屏；其中，继电器与电度表与控制器连接。
进一步地，所述供电模块包括+3.3V电源模块、+5V电源模块以及+12V电源模块，所述+12V电源模块包括与一端与总开关电连接的连接器P1，一端与连接器P1第2引脚连接的保险丝F1，并联后一端与保险丝F1另一端连接、另一端与连接器P1第1引脚连接的电容C3和电阻R1，输入端分别与保险丝F1另一端和连接器P1第1引脚连接的变压器T1，交流端与变压器T1输出端连接的桥式整流电路，正极端与桥式整流电路的正输出端连接、负极接地的滤波电容 C1，正极端与桥式整流电路的负输出端连接、负极接地的滤波电容C2，其中，桥式整流电路的正输出端接12V。
进一步地，所述变压器T1的变比为220:12。
进一步地，所述电度表中包括计量芯片，所述计量芯片中包含有对电压信号和电流信号进行模数转换的电压信号调理模块和电流信号调理模块。
进一步地，所述电压信号调理模块包括带有火线、地线、零线且与继电器电连接的供电接口J2，输入端分别与J2火线、地线连接、输出端与外部接口连接的用电接口J1，一端与用电接口J1零线连接、另一端接地的电阻R10，一端与用电接口J1零线连接、另一端接计量芯片VIP端的电阻R7，一端与计量芯片 VIP端连接、另一端接地的电容C9，一端接地、另一端接计量芯片VIN端的电容C13，以及一端与计量芯片VIN端连接、另一端接地的电阻R11，其中，供电接口J2与继电器的零线接地，并且供电接口J2与用电接口J1的火线与继电器的火线连接。
具体地，所述流信号调理模块包括与供电接口J1火线端依次串联的电阻 R13、R14、R15、R16，并联后一端接地、一端接计量芯片V2P端的电阻R17 和电容C14，其中，电阻R16一端接电阻R15、另一端接计量芯片V2P端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用标准充电接口为具有车载充电机电动汽车提供交流电源的专用供电装置，其具有电度计量、实时通信、电路安全防护功能，并提供显示屏用于人机交互操作。本设计研究的是基于STM32系统芯、充电方式为交流充电的单车单桩的充电桩。
(2)本发明电度表中使用HLW8012电度计量芯片，内部安有3.579MHz 的晶振和2.43V的基准电压，传输过来的信号进行频率转化，再使用两个定时器分别测量通道对脉冲的周期，便可以处理电路采集的信号计算出输出的有功功率，准确性更高。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明控制器最小系统的电路原理图。
图3为本发明触摸式显示屏的电路原理图。
图4为本发明电压信号调理模块电路原理图。
图5为本发明电流信号调理模块电路原理图。
图6为本发明12V电压转换电路原理图。
图7为本发明3.3V电压转换电路原理图。
图8为本发明5V电压转换电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图8所示，一种交流充电桩系统，包括连接在市电电源线上的保护器和总开关，与总开关分支电源线连接的电源开关，与电源开关电连接并通过电源开关供电的主控模块，与总开关分支电源依次连接且同时与主控模块连接的继电器与电度表，与电度表通过电源线连接的外部接口，以及为主控模块、继电器、电度表进行供电的供电模块，所述主控模块包括控制器(STM32系列单片机)，与控制器电连接的读卡器，与控制器电连接并用于对充电桩充电和放电状态进行指示的指示灯，以及与控制器电连接并用于对充电时间或金额进行设置的触摸式显示屏；其中，继电器与电度表与控制器连接。
STM32F10RBT6作为本设计的芯片。它是一种基于核心处理器
Figure RE-GDA0002293996240000042
CortexTM-M3，操作简单，处理速度快、性能优益的32位闪存存储器。本发明在控制器最小电路系统中额外加了一个8M的晶振，增加了按键复位功能，这样使得电路的频率更加稳定。启动方式是通过设置BOOT参数来控制STM32 处于不同启动模式。具体不同启动模式所对应的BOOT不同参数如表1所示。
表1 BOOT不同配置对应启动模式表
Figure RE-GDA0002293996240000041
在上表中内置SRAM启动多常用于出厂调试，另外为了方便操作人员进行程序下载，最终改进了控制器最小系统如图2所示。
本发明中的触摸式显示屏电路设计改良将OLED和LCD部分接口连接在一起，这样可以通过一个17×2排针插座和多个电容对3.3V电压进行滤波即可同时为OLED屏幕和LCD提供启动电源。这样的改良使得OLED可以与MCU系统也相连接，并能够对OLED进行操作，还节约了制作成本。
交流充电桩中有许多不同的电路，它们所需的启动电压是各不同的，这里分别需要+3.3V、+5V和+12V三种不同幅值大小的电压。其中+3.3V电压为集成芯片、复位检测、存储器、MCU系统等电路供电，+5V的电压为电度计量芯片HLW8012和CAN总线接口供电，+12V的电压为液晶显示电路和继电器供电。这些电压通过市电进行电源转换得到。
为了减去电源设计的成本，此设计直接由市电连接，再经过变比为220：12 的变压器进行降压得到+12V的电压。由于市电是交流电并具有谐波，电路采用了滤波电路和桥式整流电路将输入电压转换为平稳的12V电压。如图6所示， F1为保险丝，其熔断电流为额定电流的1.5倍，能够抑制电网的冲击，具备过压保护作用。C3为安规电容器，其目的是为了在电路断电后不会导致电击，保障操作人员的人身安全，还起到一定的滤波作用，电容C22和C23作为普通电容起滤除纹波的作用。
其中，+3.3V电源模块、+5V电源模块为现有常规电路，+3.3V电压、+5V 的电压由上面所得+12V的电压经过开关转换芯片TPS5430转换产生，TPS5430 芯片集成了一个电压误差放大器，有着精确的电压调节能力，内部还安装有慢启动电路，起到浪涌保护以防烧坏芯片，其他的安全保护功能有过流保护和热关机。电压输入从TPS5430芯片的管脚VIN进入，TPS5430芯片的PH脚和BOOT 脚通过一个陶瓷电容C8连接在一起，陶瓷电容C8大小为10nf，为TPS5430芯片提供一个门电压。为了防止输出电压反作用于输入端，电路安装了肖特基二极管，分别为D3和D2，另外肖特基二极管对于此电路的输出起续流的作用。 OUT端的输出电压，首先经过管脚VSNS外两个电阻分压后反馈给管脚VSS，在通过TPS5430芯片进行内部补偿，最后流向LC滤波电路得到稳定平滑的输出电压。对于+3.3V电压，由于它主要为芯片供电，所以+3.3V电压的稳定性要求比+5V电压要高。因此在输出端设计了更多的电容对电压进行滤波。
+5V电压计算如下：
Vout＝1.221+1.221×R5/R4 (1)
+3.3V电压计算如下：
Vout＝1.221+1.221×R2/R1 (2)。
本发明电度表中的计量芯片运行需进行A/D转换，包括电压电流信号调理电路进行电压和电流信号的模数转换。根据电度计量芯片HLW8012对于电流和电压的要求分别设计了电压信号调理电路和电流信号调理电路，对于电压调理电路，管脚AC220V-L输入电压，经过精密电阻R13、R14、R15与R16分压，然后经过滤波电路进行滤波，最后从V2P输出稳定电压信号给电度计量芯片。因为电度计量芯片对电压信号要求比较高，所以电路中的所有电阻都为精密电阻，这些精密电阻的阻值误差范围为±1％。电网的交流电的电压存在着±10％的波动，因此VP2引脚输出的电压大小计算公式为：
V＝220×(1±10％)×R17/(R13+R14+R15+R16+R17) (3)
上式计算得到电压的信号范围在0.1052V～0.1287V之间，处于电度计量芯片的所需要的电压范围之内。对于电流信号调理电路，其输入方式为差分输入，输入信号为两个输入信号的差值，然后经过放大处理得到想要的输出电流信号。采用这样的输入方式是为了减弱输入端的信号干扰对信号采集的影响，使得输出信号更加精确，更好的满足计量芯片的需求。电路中的电阻R10为精密电阻，能够将电流值由电变小。再配置两个电阻R7和R11与R10组合形成一个增益的放大，最后通过两个电容C12和C13进行滤波以后输出到电度计量芯片的两个管脚VIP和VIN。
芯片内部安有3.579MHz的晶振和2.43V的基准电压，传输过来的信号进行频率转化，再使用两个定时器分别测量通道对脉冲的周期，便可以处理电路采集的信号计算出输出的有功功率。
具体有功功率有效值计算如下：
Figure RE-GDA0002293996240000061
充电状态时电流有效值具体计算公式如下：
F1＝(V1×24×fosc)/(VREF×512) (5)
上面两式中，V1代表的是经电流调理电路调理后的电压信号，V2代表的是经电压调理电路调理后的电压信号，fosc表示内置晶振频率，VREF代表的内置的基准电压。有功功率和电流有效值都可以通过芯片的内部计算得到。充电时间则需要定时器运作，当充电开始时，先将时间清零，再对时间进行循环增加并记录到存储器直到停止充电，此时的充电时间为存储器所记录的时间的总和。这样电费能够计算出来并在显示器上显示出来反馈给用户。
具体使用步骤如下：
(1)充电桩与电网连接，系统开机并处于工作状态后，无用户操作时一直处于待机状态。
(2)待机状态下，充电桩的显示界面会一直显示提示用户刷IC卡进行充电的界面。
(3)当用户在读卡器位置处进行刷卡操作后，触摸式显示屏会提示用户输入用户密码，用户密码正确后，会显示当前用户账号余额，并提供充电指示(充电多少时间或充电多少金额)，当用户选择充电后，界面会提示用户将电动汽车充电器与充电桩插口联接好。如果在输入密码界面，密码输入错误，会提示用户重新输入密码，直到密码正确后，才会进行下一步操作。
(4)当用户检查好充电器和插口联接完毕后并执行充电操作后，系统会自行检查一遍设备故障，如无异常开始对用户的电动汽车进行充电；如果发现异常，设备发出警报，停止充电，上传数据给后台。
(5)当电动汽车电充满、卡上余额不足或者用户手动停止充电时，充电桩停止向汽车供电。当用户结算消费时，在显示界面显示当前账户余额、充电量和消费金额，结算完后提示用户断开电桩与充电器的连接。
其中指示灯在充电桩与电动汽车正常对接充电状态下时绿色LED灯点亮，当充电过程中故障(包括用户设定了充值金额但是余额不足的情况)黄色LED 灯点亮，当充电桩未工作时，指示灯不点亮，同时触摸式显示屏的平面关闭，以此降低能耗。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种交流充电桩系统，其特征在于，包括连接在市电电源线上的保护器和总开关，与总开关分支电源线连接的电源开关，与电源开关电连接并通过电源开关供电的主控模块，与总开关分支电源依次连接且同时与主控模块连接的继电器与电度表，与电度表通过电源线连接的外部接口，以及为主控模块、继电器、电度表进行供电的供电模块，所述主控模块包括控制器，与控制器电连接的读卡器，与控制器电连接并用于对充电桩充电和放电状态进行指示的指示灯，以及与控制器电连接并用于对充电时间或金额进行设置的触摸式显示屏；其中，继电器与电度表与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种交流充电桩系统，其特征在于，所述供电模块包括+3.3V电源模块、+5V电源模块以及+12V电源模块，所述+12V电源模块包括与一端与总开关电连接的连接器P1，一端与连接器P1第2引脚连接的保险丝F1，并联后一端与保险丝F1另一端连接、另一端与连接器P1第1引脚连接的电容C3和电阻R1，输入端分别与保险丝F1另一端和连接器P1第1引脚连接的变压器T1，交流端与变压器T1输出端连接的桥式整流电路，正极端与桥式整流电路的正输出端连接、负极接地的滤波电容C1，正极端与桥式整流电路的负输出端连接、负极接地的滤波电容C2，其中，桥式整流电路的正输出端接12V。
3.根据权利要求2所述的一种交流充电桩系统，其特征在于，所述变压器T1的变比为220:12。
4.根据权利要求1所述的一种交流充电桩系统，其特征在于，所述电度表中包括计量芯片，所述计量芯片中包含有对电压信号和电流信号进行模数转换的电压信号调理模块和电流信号调理模块。
5.根据权利要求4所述的一种交流充电桩系统，其特征在于，所述电压信号调理模块包括带有火线、地线、零线且与继电器电连接的供电接口J2，输入端分别与J2火线、地线连接、输出端与外部接口连接的用电接口J1，一端与用电接口J1零线连接、另一端接地的电阻R10，一端与用电接口J1零线连接、另一端接计量芯片VIP端的电阻R7，一端与计量芯片VIP端连接、另一端接地的电容C9，一端接地、另一端接计量芯片VIN端的电容C13，以及一端与计量芯片VIN端连接、另一端接地的电阻R11，其中，供电接口J2与继电器的零线接地，并且供电接口J2与用电接口J1的火线与继电器的火线连接。
6.根据权利要求4所述的一种交流充电桩系统，其特征在于，所述流信号调理模块包括与供电接口J1火线端依次串联的电阻R13、R14、R15、R16，并联后一端接地、一端接计量芯片V2P端的电阻R17和电容C14，其中，电阻R16一端接电阻R15、另一端接计量芯片V2P端。
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