CN205263950U - 用于电动车蓄电池计费充电的充电桩控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电动车蓄电池计费充电的充电桩控制系统，包括计费模块、单片机、充电控制单元以及电能计量单元，计费模块、电能计量单元以及充电控制单元分别与单片机连接，所述电能计量芯片选用CS5464电能计量芯片，电压采样电路选用LCTV31CE型电压互感器进行采集，而电流采样电路则选用HA2009霍尔电流互感器。由此可知，本实用新型不仅能够解决电动车户外电能补给问题，而且提高了电能计量精度，改进了结算方式；并带有蓄电池电量检测电路，在电量充满时自动断电。

Description

用于电动车蓄电池计费充电的充电桩控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种充电桩控制系统，用于电动车蓄电池计费充电。

背景技术

随着国家加快建设节约型社会的步伐，电动车成为人们生活中首选的代步工具。但电动车续航时间短、充电不便等缺点阻碍其大范围使用。

目前，市场上的电动车充电桩多以电子式电能计量、投币交易结算方式，且用户仅仅能看到充电时间等较少数据，存在很大的局限性，这样就给用户使用带来很大的不便。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种充电桩控制系统，其不仅能够解决电动车户外电能补给问题，而且提高了电能计量精度，改进了结算方式；并带有蓄电池电量检测电路，在电量充满时自动断电；充电数据、账户余额等计费结算信息将实时显示在LCD12864与上位机通讯界面，方便用户使用与后台人员管理，具有较高的理论意义和应用价值。

为实现上述的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案：

一种用于电动车蓄电池计费充电的充电桩控制系统包括计费模块、单片机、充电控制单元以及电能计量单元，计费模块、电能计量单元以及充电控制单元分别与单片机连接，用户通过计费模块向单片机输入充电金额，单片机将该充电金额转换为对应的电动车蓄电池待充电的电能后，启动充电控制单元对电动车蓄电池进行充电，直至电能计量单元计量出的充电电能与前述的待充电电能一致或者电动车蓄电池电量充满，单片机制停充电控制单元，结束充电；所述电能计量单元包括电能计量芯片、电压采样电路以及电流采样电路，电压采样电路以及电流采样电路分别与电能计量芯片连接；所述电压采样电路用于采集电动车蓄电池充电时的电压信号，所述电流采样电路用于采集电动车蓄电池充电时的电流信号，所述电能计量芯片先通过电压采样电路所采集的电压信号、电流采样电路所采集的电流信号计算出电动车蓄电池的瞬时充电功率，然后再对时间积分即可获得电动车蓄电池充电的电能；所述电能计量芯片选用CS5464电能计量芯片，电压采样电路选用LCTV31CE型电压互感器进行采集，而电流采样电路则选用HA2009霍尔电流互感器。

所述单片机选用STC12C5A60S2单片机；计费模块选用MF-RC522射频卡读写模块。

所述充电控制单元配备充电管理芯片UC3906，以确保蓄电池处于最佳充电状态。

充电控制单元采用多级串联控制结构，选用固体继电器(SSR)EKP/N4B3991控制交流接触器。

所述交流接触器选择CJX2-1810。

所述充电控制单元包括电量监测电路，该电量监测电路用于监控电动车蓄电池的电量。

根据上述的技术方案，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型不仅能够解决电动车户外电能补给问题，而且提高了电能计量精度，改进了结算方式；并带有蓄电池电量检测电路，在电量充满时自动断电；充电数据、账户余额等计费结算信息将实时显示在LCD12864与上位机通讯界面，方便用户使用与后台人员管理，具有较高的理论意义和应用价值。

附图说明：

图1是系统总体设计框图。

图2是CS5464电压电流采集和与单片机连接图；

图3是UC3906充电状态示意图；

图4是电池充电及电量检测电路；

图5是充电控制及指示灯电路；

图6是系统主程序流程图；

图7是误差分析折线图。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本实用新型所述的系统选用STC12C5A60S2单片机作处理器。电能计量部分选用计量芯片CS5464,利用霍尔传感器和精密电阻电路采样电压、电流信号。信号经信号滤波和调理电路后，以差模电压形式把信号送到CS5464芯片内。单片机接收CS5464的电能输出信号并进行内部运算处理。计费系统选用MF-RC522射频卡模块加Mifare1卡刷卡计费。选用UC3906芯片作为蓄电池充电芯片，利用单片机A/D采集功能实时监测蓄电池的电量。系统总体设计框图如图1所示。

电压采样选用LCTV31CE型电压互感器，将一次侧接在220V电压上，并串联一个110kΩ的电阻，确保电压互感器输入比为2mA/2mA。选用CS5464差分电压输入范围为500mVp-p的电压通道,则负载电阻Rpv1为：

$R_{pv1}=\frac{1}{2}*\frac{1}{2}*\frac{500}{\sqrt{2}}\≈88\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(1\right)$

电流采样选择HA2009霍尔电流互感器,选用CS5464差分电压输入范围为500mVp-p的电流通道。电流互感器满量程工作时，其输出最大电流为50mA。此时负载电阻Rpv2大小为：

$R_{pv2}=\frac{1}{2}*\frac{1}{50}*\frac{500}{\sqrt{2}}\≈4\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(2\right)$

CS5464电压通道内部滤波器的截止频率是1400Hz,那么Rpv、Cpv的截止频率应最少是内部截止频率的10倍,即截止频率≥14KHz。RC与截止频率满足:

已知Rpv1＝88Ω，fc1＝14KHz，Rpv2＝7Ω，fc2＝14KHz。则有：

$C_{PV1}=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_{PV1}{f}_1}=\frac{1}{2*3.14*88*14000}=0.129\left(uf\right)---\left(4\right)$

$C_{PV2}=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_{PV2}{f}_2}=\frac{1}{2*3.14*4*14000}=1.7\left(uf\right)---\left(5\right)$

所以电容Cpv1、Cpv2取0.1uf，满足截止频率大于14KHz的要求。电压电流采样及信号调理电路如图2所示。

CS5464是CirrusLogic公司推出的一款带有CMOS功率测量、串行接口的高精度电能计量芯片。能计量功率和电压电流等参数。STC12C5A60S2的P1口接收CS5464的电能输出信号，CS5464在收到一个电能脉冲时产生中断，累加器对应增加一个脉冲，此时瞬时电压、电流相乘便得到瞬时功率。芯片内部微处理器通过功率对时间积分得到实际的电能。单片机P1.0～P1.3口分别与CS5464的SCLK、SDO、CS、SDI相连，进行数据交换。CS5464与单片机连接电路如图2所示。

充电桩的计费系统选用MF-RC522射频卡读写模块,实现用户身份识别、费用扣取，信息存储的功能。芯片内部包含ISO14443A帧处理、CRC校验和快速CRYPTO1加密算法。MF-RC522射频卡读写模块是经天线向Mifare1卡发出无线载波信号,信号在Mifare1卡的天线上耦合接收,经波形变换与滤波处理,再用电压模块对信号做稳压等调节处理得到相关数据,实现对Mifare1卡扇区内原有的数据的读写，并以SPI总线方式传输到单片机。

蓄电池充电选用充电管理芯片UC3906。UC3906芯片内的基准电压变化特性和蓄电池电压的温度变化规律相同，使得蓄电池在较宽的温度范围内都处于最佳充电状态。UC3906内部的电压和电流比较器检测蓄电池当前的充电状态。其充电状态示意图如图3所示。

蓄电池的电量检测是利用单片机自带的10位A/D转换功能，通过电阻分压的方式将蓄电池的电压信号通过运算放大器LM358构成的电压跟随器隔离、RC低通滤波电路的滤波后，送入单片机P1口进行A/D转换。电流采样是通过采集电阻RS两端电压，根据RS阻值算出充电电流，实时对蓄电池充电状态进行监控。当检测出电池已充满时，将向充电控制单元发送停止充电命令，停止充电。蓄电池的电压采样电路如图4所示。

本充电桩充电控制单元采用多级串联控制结构，选用固体继电器(SSR)EKP/N4B3991控制交流接触器。交流接触器选择CJX2-1810，为了避免充电回路对控制器的电磁干扰，采用固态继电器对充电回路进行控制。由于STC12C5A60S2单片机的拉电流能力有限，通过三极端控制固态继电器的通断，从而控制充电回路的工作状态。在控制回路中，采用红、黄、绿三种指示灯清楚的指示充电回路当前的工作状态，如图5所示。

系统主流程图如图6所示。系统上电初始化后，判断是否刷卡，若是则启动RC522，对Mifare1卡读写。用户可根据实际情况设定充电金额或充电电量。充电时启动CS5464芯片，数据处理后数据实时显示。通过串口芯片MAX232，将测得的数据通过串口上传到上位机界面。当系统在完成设定充电金额或电量充电后，进入结算界面。同时单片机检测充电电压或电流异常时启动蜂鸣器报警。当金额小于零或电量充满时，结束本次充电，并将此次服务数据存储，以备查询统计。

充电桩系统测试中选用捷伦34410A型高精度数字万用表进行精度验证。测试条件：选取一只额定电压为220V,额定电流0.5A，额定功率110W的负载。负载每充电10S，充电桩采集一次，万用表测一次，将测得的电压、电流、功率与充电桩的计量系统测得的数据记录下来。

依据实验测得的数据，绘制出充电桩的电压、电流、功率误差折线图，便于误差统计分析。通过误差折线图图7能看出，充电桩与万用表电压读数误差在±10mV以内，电流误差分布在±5mA以内，功率误差不超过±1W。说明该充电桩系统能精确完成电压、电流、功率的计量。

本文针对目前市场上的电动车充电桩计量精度不高，结算不便的情况，设计了一种基于高精度计量芯片CS5464、高性能读卡芯片MF-RC522的新型刷卡计费充电桩系统，在电量计量精度及稳定性方面都有很大的提高。并在充电桩上利用UC3906设计了蓄电池充电保护与电量监测系统,实现蓄电池精确智能充电。本充电桩具有高精度、方便快捷等优点，具有广阔的应用前景。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种用于电动车蓄电池计费充电的充电桩控制系统，其特征在于，包括计费模块、单片机、充电控制单元以及电能计量单元，计费模块、电能计量单元以及充电控制单元分别与单片机连接，用户通过计费模块向单片机输入充电金额，单片机将该充电金额转换为对应的电动车蓄电池待充电的电能后，启动充电控制单元对电动车蓄电池进行充电，直至电能计量单元计量出的充电电能与前述的待充电电能一致或者电动车蓄电池电量充满，单片机制停充电控制单元，结束充电；所述电能计量单元包括电能计量芯片、电压采样电路以及电流采样电路，电压采样电路以及电流采样电路分别与电能计量芯片连接；所述电压采样电路用于采集电动车蓄电池充电时的电压信号，所述电流采样电路用于采集电动车蓄电池充电时的电流信号，所述电能计量芯片先通过电压采样电路所采集的电压信号、电流采样电路所采集的电流信号计算出电动车蓄电池的瞬时充电功率，然后再对时间积分即可获得电动车蓄电池充电的电能；所述电能计量芯片选用CS5464电能计量芯片，电压采样电路选用LCTV31CE型电压互感器进行采集，而电流采样电路则选用HA2009霍尔电流互感器。

2.根据权利要求1所述的充电桩控制系统，其特征在于，所述单片机选用STC12C5A60S2单片机；计费模块选用MF-RC522射频卡读写模块。

3.根据权利要求2所述的充电桩控制系统，其特征在于，所述充电控制单元配备充电管理芯片UC3906，以确保蓄电池处于最佳充电状态。

4.根据权利要求3所述的充电桩控制系统，其特征在于，充电控制单元采用多级串联控制结构，选用固体继电器(SSR)EKP/N4B3991控制交流接触器。

5.根据权利要求4所述的充电桩控制系统，其特征在于，所述交流接触器选择CJX2-1810。

6.根据权利要求3所述的充电桩控制系统，其特征在于，所述充电控制单元包括电量监测电路，该电量监测电路用于监控电动车蓄电池的电量。