CN205657457U - 一种新型电动汽车交流充电桩控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型电动汽车交流充电桩控制装置，包括主控制电路，以及分别与主控制电路连接的充电电缆连接确认电路、控制导引电路、控制导引状态采集电路、串口屏接口电路、电能读取电路、LED指示电路、报警电路、充电桩交流充电主回路通断控制电路；所述电能读取电路还与设置在充电桩交流充电主回路上的智能电量计量装置连接，所述充电电缆连接确认电路、控制导引电路、控制导引状态采集电路还分别与连接在充电桩交流充电主回路上的充电桩端充电插座连接，所述充电桩端充电插座与电动汽车端充电插头连接。本实用新型具有通用性，可以很方便地集成到其它的电动汽车充电设备之中，提高了该装置硬件资源的灵活性，便于系统维护和系统升级。

Description

一种新型电动汽车交流充电桩控制装置

技术领域

本实用新型属于新能源汽车技术领域，尤其涉及一种新型电动汽车交流充电桩控制装置。

背景技术

面对石油能源危机和大气污染问题的严峻挑战，电动汽车在节能减排以及减少对化石能源的依赖方面具备传统汽车不可比拟的优势。积极发展电动汽车产业，推动及加快交通能源结构升级，符合我国能源可持续发展战略。因此，电动汽车充电技术及其相关设施建设受到了各国政府、汽车制造商、科研院所以及电力企业的广泛关注。在中国政府的大力推动下，电动汽车已从导入期进入到全面的提速期，预计到2020年，中国境内电动汽车保有量将超过500万辆。到2030年，中国电动汽车保有量将达到6 000万辆，总耗电量为1 350亿kWh，占2030年全国预计用电量1.3％左右。随着电动汽车数量的迅速增加，其产业也将成为能源互联网最大的商业模式。

充电桩作为电动汽车产业链上的重要组成部分，近几年来，成为国内外学者研究的热点，并取得了一些较有价值的成果。在国外，通用雪佛兰和特斯拉分别为自己研发的电动汽车建立了充电基础设施，美国在进行推广试点的州采取“居家充电”和“公共充电”双保险的策略，日本目前广泛采用的是直流快速充电方式。在国内，一些学者对电动汽车交流充电接口电路等效模型进行分析，完成了充电接口连接状态确认及控制导引等功能测试；并以可编程逻辑控制器或嵌入式微处理器为控制核心设计了电动汽车交流充电桩。上述研究对于电动汽车充电设备及其基础设施建设提供了良好的指导意义，然而，在研发过程中执行标准不统一，将很大程度地制约电动汽车产业的发展。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种新型电动汽车交流充电桩控制装置，能为任何兼容国家充电标准的电动汽车充电。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种新型电动汽车交流充电桩控制装置，包括主控制电路，以及分别与主控制电路连接的充电电缆连接确认电路、控制导引电路、控制导引状态采集电路、串口屏接口电路、电能读取电路、LED指示电路、报警电路、充电桩交流充电主回路通断控制电路；所述电能读取电路还与设置在充电桩交流充电主回路上的智能电量计量装置连接，所述充电电缆连接确认电路、控制导引电路、控制导引状态采集电路还分别与连接在充电桩交流充电主回路上的充电桩端充电插座连接，所述充电桩端充电插座与电动汽车端充电插头连接。

所述充电桩端充电插座包括至少五个接触点，所述五个接触点分别为：火线接触点、零线接触点、接地保护接触点、连接确认接触点、控制导引接触点；所述五个接触点与电动汽车端充电插头对应接触点连接。

所述充电电缆连接确认电路包括依次串联的电源、第一电阻、第二电阻、二极管、第三电阻、充电连接确认端口，在第二电阻的两端并联光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接主控制电路；所述充电连接确认端口与充电桩端充电插座的连接确认接触点连接。

所述控制导引电路包括高速光电耦合器，以及由一个N沟道场效应管和一个P沟道场效应管组成的推挽功率放大电路；高速光电耦合器接收主控制电路发出的PWM波，通过高速光电耦合器隔离后，再经推挽功率放大电路放大后，从控制导引端口输出双极性PWM波形；所述控制导引端口与充电桩端充电插座的控制导引接触点连接。

所述控制导引状态采集电路包括电压跟随器以及采用差分信号输出的线性隔离放大电路；充电桩端充电插座的控制导引接触点的电信号依次经过电压跟随器、线性隔离放大电路得到差分输出的电压信号，所述差分输出的电压信号分别送入主控制电路。

所述串口屏接口电路采用RS232接口电路与工业串口LCD显示模块连接。

所述电能读取电路采用RS485接口电路。

所述充电桩交流充电主回路通断控制电路包括由主控制电路控制的继电器、设置在充电桩交流充电主回路上的交流接触器，继电器的常开触点串联在交流接触器线圈的供电主回路上。

所述充电桩交流充电主回路通断控制电路还包括急停按钮电路，急停按钮电路包括急停按钮以及依次串联的VCC电源、第四电阻、第五电阻、电压箝位电路；第五电阻与电压箝位电路构成的串联电路与所述急停按钮的常开触点并联；所述急停按钮的常闭触点设置在交流接触器线圈的供电主回路上；电压箝位电路的输出端与主控制电路连接。

所述新型电动汽车交流充电桩控制装置还包括为所述充电桩控制装置提供电源的系统辅助电源电路。

本实用新型遵守《电动汽车传导充电用连接装置 第1部分 通用要求》GB/T20234.1-2011及《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分 交流充电接口》GB/T20234.2-2011的要求，能为兼容该充电标准的电动汽车充电；采用模块化设计方案，使装置中各个电路模块功能相互独立，可以很方便地集成到其它的电动汽车充电设备之中，提高了该装置硬件资源的灵活性，便于系统维护和系统升级。

附图说明

图1 为本实用新型的电路原理框图。

图2 为本实用新型的基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控制电路原理图。

图3 为本实用新型的充电电缆连接确认电路原理图。

图4 为本实用新型的控制导引电路原理图。

图5 为本实用新型的控制导引电路输出电压与PWM波的电平状态关系图。

图6 为本实用新型的控制导引状态采集电路原理图。

图7 为本实用新型的基于RS232的串口屏接口电路原理图。

图8 为本实用新型的基于RS485总线的电能读取电路原理图。

图9 为本实用新型的RGB三色LED指示电路原理图。

图10 为本实用新型的蜂鸣器提示报警电路原理图。

图11 为本实用新型的充电桩交流充电主回路通断控制电路原理图。

图12 为本实用新型的系统辅助电源电路原理图。

图13 为本实用新型系统辅助电源检测电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型提供一种新型电动汽车交流充电桩控制装置，采用FreescaleMC9S12XEQ512为主控制器，借助其片内集成的脉宽调制器( pulse width modulation,PWM )模块、模数转换器( analog to digital converter, ADC )模块简化了电路设计的复杂度，提升了电动汽车用户充电的便利性。该装置主要有基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控制电路、充电电缆连接确认电路、控制导引电路、控制导引状态采集电路、基于RS232的串口屏接口电路、基于RS485总线的电能读取电路、LED指示电路、充电桩交流充电主回路通断控制电路等电路组成。本实用新型实现了电动汽车交流充电过程控制导引、充电电缆连接确认、识别充电接口传输最大电流、充电连接状态实时采集、故障报警及应急状况处理等功能。充电过程的实时监测及信号的安全隔离设计有效提高了系统的安全性，增强了系统的稳定性。

本实用新型采用如下方案实现：

1、模块化设计方案

该控制装置采用模块化设计方案，主要由三大部分构成：交流输入控制部分，实现交流供电控制、电能的计量、安全防护等功能。交流输出控制部分，完成充电电缆连接确认、控制导引、与车载充电机通信等。中央控制部分，实现系统检测、人机交互、计量收费、业务数据管理、数据通信以及故障诊断等功能。其中，交流输入控制部分和交流输出控制部分构成充电桩交流充电主回路。本实用新型原理框图如图1所示。

作为该装置的控制核心，采用飞思卡尔(Freescale)公司生产的16位微处理器MC9S12XEQ512，该款处理器是飞思卡尔公司推出全新MC9S12系列低功耗微处理器中的一款产品。片内集成有模数转换器( analog to digital converter, ADC )、脉宽调制器(pulse width modulation, PWM )及通用同步/异步收发器( universal synchronousasynchronous receiver and transmitter, USART )接口等外设资源，借助这些资源极大地简化了电路设计的复杂度。

在系统组成框图中，RS485接口电路实现智能电量计量模块与处理器MC9S12XEQ512之间通信接口转换，完成对充电电压、电流的读取；充电桩交流充电主回路通断控制电路实现交流接触器主触点的接通和断开，实现交流充电电能的控制；充电电缆连接确认( connection confirmation, CC )电路和控制导引( control pilot, CP )电路用于实现交流充电桩充电电缆连接和充电过程控制导引功能；充电插座①至⑦标号，代表插座的七个接触点，其中，L为火线接触点、N为零线接触点、PE( protecting earthing )为接地保护接触点、CC为连接确认接触点、CP为控制导引接触点、NC1接触点和NC2接触点留作扩展用。

以上所有各个电路模块功能相互独立，可以很方便的集成到其它的电动汽车充电设备之中，提高了该装置硬件资源的灵活性，便于系统维护和系统升级。

2、装置各个功能模块技术方案

（1）基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控制电路

所述基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控制电路主要由MC9S12XEQ512单片机电路、复位电路、晶振电路、程序下载接口电路组成。晶振为16MHz，该主控制电路的I/O分配及与其它模块的接口情况如图2所示。

（2）充电电缆连接确认电路

充电电缆连接确认电路如图3所示，包括依次串联的+5V电源、第一电阻RC4、第二电阻RC5、二极管DC1、第三电阻RC7、充电连接确认端口CC0，在第二电阻RC5的两端并联光电耦合器PC817的输入端，光电耦合器PC817的输出端连接主控制电路；充电连接确认端口CC0与充电桩端充电插座的连接确认接触点CC连接。当充电桩端充电插座与电动汽车端标准充电插头完成连接时，充电连接确认端口CC0与设备地短接，+5V电源、第一电阻RC4、第二电阻RC5、二极管DC1、第三电阻RC7以及充电连接确认端口CC0、设备地构成回路，光电耦合器PC817工作，充电电缆连接确认电路输出端（即光电耦合器PC817的输出端）MCU_CC1处为低电平，充电电缆连接确认电路输出端MCU_CC1与图2中单片机的56引脚相连接。当充电桩端充电插座与电动汽车端充电插头没有连接好时，充电电缆连接确认电路输出端MCU_CC1为高电平。因此，单片机只需要检测充电电缆连接确认电路输出端MCU_CC1处的电平状态就可判断供电插头与供电插座是否连接完好。充电连接确认端口检测线通过接线端JPC1连接到充电桩端充电插座的连接确认接触点CC。

（3）控制导引电路

控制导引电路包括高速光电耦合器6N135，以及由一个N沟道场效应管QC1和一个P沟道场效应管QC2组成的推挽功率放大电路；高速光电耦合器接收主控制电路发出的PWM波，通过高速光电耦合器隔离后，再经推挽功率放大电路放大后，从控制导引端口CP0输出双极性PWM波形；所述控制导引端口CP0与充电桩端充电插座的控制导引接触点CP连接。控制导引电路要求具有输出稳定+12V和双极性的PWM (Pulse Width Modulation, PWM)信号的功能，工作在PWM状态时，要求峰值和谷值电压分别为+12V和-12V。接口电路如图4所示，借助单片机MC9S12XEQ512集成的PWM引脚（第3引脚），通过高速光电耦合器6N135隔离后，经过推挽功率放大电路放大，从CP0端口输出，电阻RC3选择标称值1KΩ。控制导引电路在单片机PWM引脚发出的PWM波逻辑电平状态的控制下轮番输出+12V和-12V，在PWM占空比为50%的情况下，忽略N沟道场效应管QC1和P沟道场效应管QC2的管压降，输出电压关系与PWM波的电平状态如图5所示。控制导引端口检测线通过图3接线端JPC1连接到充电桩端充电插座。

（4）控制导引状态采集电路

控制导引状态采集电路主要完成控制导引状态、PWM波形电压及占空比等参数的采集。实现充电桩和充电设备之间实现状态、供电功率等信息采集。控制导引状态采集电路主要包括：由L44芯片构成的电压钳位电路、由集成运放LM2904构成的电压跟随器电路、由线性放大光电耦合器A7840构成的线性隔离放大电路等，电压跟随器电路和线性隔离放大电路构成信号调理电路。电路原理如图6所示。

在图6中，线性放大光电耦合器A7840内部集成输入放大电路、光电耦合电路，输入阻抗高、线性度好，具有1000倍左右的电压放大倍数，能不失真传输毫伏（mV）级电压、电流信号，采用差分信号输出方式。此外，电阻RC9和RC10组成线性电压衰减电路，使采集信号电压衰减到320mV以下，实现线性放大光电耦合器A7840输入阻抗匹配及VIN+端口对输入电压大小的要求。差分输出的电压信号分别送入MC9S12XEQ512单片机的模数转换器(Analog toDigital Converter, ADC)引脚ADC1和ADC2，这两个引脚对应连接控制导引状态采集电路输出端CPADC1和CPADC2，由该单片机内部集成的ADC模块对输入信号实时采集、处理，以便确定电动汽车交流充电过程中所处的各个状态。

（5）基于RS232的串口屏接口电路

该装置采用工业串口LCD显示模块作为人机交互界面，完成触屏键盘输入、弹出式的菜单、增量调节等触摸屏交互方式和图标、艺术字和曲线的显示。串口屏接口电路采用RS232接口电路与工业串口LCD显示模块连接。该显示模块通信串口为RS232电平，需要完成电平转换，才能与MC9S12XEQ512单片机串口通信，此电平转换电路由采用MAX232芯片的RS232接口电路完成，电路如图7所示。MAX232芯片可完成两路电平转换，分别接到转接端子JPE1和JPE2，借助这两个接线端子由标准连接线与工业串口LCD连接。

（6）基于RS485总线的电能读取电路

本装置通过设置在充电桩交流充电主回路上的智能电量计量装置（智能电表）实现充电电能计量，支持遵循DL/T645-2007通讯规范的电能计量模块。MC9S12XEQ512单片机通过RS485接口电路实现与智能电量计量装置间的信息交互，RS485接口电路如图8所示。采用MAX485芯片完成单片机串口通信到RS485通信协议转换，实现电能消费数据的读取功能。其中，MAX485芯片的RO引脚和DI引脚分别对应接至MC9S12XEQ512单片机串口的RXD3接收引脚和TXD3发送引脚；电阻RE1为差分数据信号引脚A和B之间的匹配电阻。

（7）LED指示电路

所述LED指示电路采用RGB三色LED RGB5050来实现，原理构成由图9所示。由5个RGB5050型LED组成一个长条形，三个NPN三极管QB1、QB2和QB3分别用来驱动LED的R、G和B的三个颜色灯管，且其基极通过电路RB1、RB2和RB3分别受控于MC9S12XEQ512单片机的第9、10和11引脚，即PT0、PT1和PT2，从而显示不同的颜色，用以指示充电桩所处的不同工作状态（如：绿色表示可以使用，黄色表示正在充电，红色表示设备故障等）。该LED指示电路是一个独立的模块，其中接线端口JPB1和三个LED驱动三极管QB1、QB2、QB3与主控制器集成在一个电路板上，从而通过JPB1和JPB2采用标准连接线实现对LED指示电路的控制。

（8）蜂鸣器提示报警电路

所述蜂鸣器提示报警电路采用三极管驱动蜂鸣器的方式实现，组成结构如图10所示。该电路在用户操作充电桩的过程中发出声响提示音及设备故障时发出报警。此模块受控于MC9S12XEQ512单片机的第54引脚（PE2），当信号输入端BUZZ_PE2接收到该引脚发出的高电平信号时，NPN三极管QB4导通，蜂鸣器的负极接地，蜂鸣器开始工作发出警报。

（9）充电桩交流充电主回路通断控制电路

如图11所示，充电桩交流充电主回路通断控制电路包括由主控制电路控制的继电器KA1、设置在充电桩交流充电主回路上的交流接触器，继电器KA1的常开触点KB串联在交流接触器线圈KM1的供电主回路上，即交流接触器线圈KM1通过继电器KA1的常开触点接到220V电压L、N两端。充电桩交流充电主回路通断控制电路受控于MC9S12XEQ512单片机的第8引脚PK0，该引脚与充电桩交流充电主回路通断控制电路的输入端RELAY_PK0连接。只要MC9S12XEQ512单片机的第8引脚（PK0）输出低电平，在电阻RA3、RA4和PNP三极管QA1构成的放大电路的驱动下，继电器KA1的常开触点KB闭合，从而交流接触器线圈KM1带电，导致交流接触器在充电桩交流充电主回路上的主触点闭合，交流输出控制部分（即充电桩端供电插座）输出电能；若MC9S12XEQ512单片机的第8引脚PK0为高电平，则可使正在输出的电路切断。

也可在一些突发状况下，主控制电路没有主动切断电能时，通过急停按钮电路，人为切断电能输出；参见图11，急停按钮电路，主要由急停按钮SW、电容CA21以及依次串联的VCC电源、第四电阻RA5、第五电阻RA6、电压箝位电路组成。电压箝位电路采用L44芯片。第五电阻与电压箝位电路构成的串联电路分别与电容CA21、所述急停按钮的常开触点并联；所述急停按钮的常闭触点设置在交流接触器线圈的供电主回路上；电压箝位电路的输出端（在第五电阻和电压箝位电路之间，即L44芯片的输出端）与单片机的第57引脚PA0连接。

当按下急停按钮SW时，其常开触点闭合，急停按钮电路的输出端向MC9S12XEQ512单片机的第57引脚PA0输出低电平，完成急停按钮按下动作的识别，从而单片机做出相应的处理。

（10）系统辅助电源电路

系统辅助电源如图12所示，该部分为整个充电桩控制装置各个模块的运行提供电源。系统设计时采用模拟电源和数字电源分开设计，以避免数字电路和模拟电路的相互干扰，提供系统稳定性。图12中，标号+24V、+15V、-15V、+12V、+5V为模拟电源，主要为模拟电路供电；VCC（+5V）是数字电源，为数字电路供电，其中，JPA1为辅助电源模块的电能输入接线端口。此外，还设计了系统辅助电源检测电路，参见图13，由电阻RA1、电阻RA2、电容CA19、电容CA20及二极管DA3构成，输出端MCU_PAD07与MC9S12XEQ512单片机的第81引脚PAD07相连接，该引脚为单片机MC9S12XEQ512的ADC输入引脚，通过采集该引脚的电压可以确定被检测电源电压的稳定情况，图13中JPA2为被检测电源电压输入接线端口。当电压出现较低或较高的波动时，系统发出警报，并终止充电过程，确保了系统的稳定运行。

本实用新型从新能源电动汽车充电设备执行标准的统一性问题，按照国标GBT20234第一部分和第二部分规定的电动汽车传导充电连接装置和交流充电接口的相关要求，设计了基于Freescale MC9S12XEQ512为主控制器的电动汽车交流充电接口电路及控制系统，具有以下特点：

1、装置遵守《GBT 20234.1-2011电动汽车传导充电用连接装置》和《GBT 20234.2-2011电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口》的要求，能为兼容该充电标准的电动汽车充电。

2、以Freescale MC9S12XEQ512为主控制器，采用功能模块化的设计方案，每一个模块电路相互独立，利于系统安装和调试，便于系统维护和系统升级。

3、采用光电耦合器对数字部分和模拟部分进行隔离，有效减少了相互间的干扰，提高了系统稳定性，为充电时设备的安全、可靠地运行提供了保障。

4、实现了电动汽车交流充电时，对供电端插头连接确认及控制导引功能，并完成了充电状态参数的实时采集，完成对电动汽车充电过程的实时监控。

本实用新型设计基于Freescale MC9S12XEQ512为主控制器的电动汽车交流充电接口电路及控制装置，对该装置涉及的各个功能电路进行详细的分析和设计，实现了新能源电动汽车交流充电时，充电接口连接确认、充电过程控制导引、充电过程功率及电能参数传递等功能。光电隔离技术及器件的使用，实现了信号安全隔离，提高了系统运行的可靠性。设计内容对于电动汽车充电设备研发及基础设施建设具有一定的参考价值。

Claims (10)

1.一种新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：包括主控制电路，以及分别与主控制电路连接的充电电缆连接确认电路、控制导引电路、控制导引状态采集电路、串口屏接口电路、电能读取电路、LED指示电路、报警电路、充电桩交流充电主回路通断控制电路；所述电能读取电路还与设置在充电桩交流充电主回路上的智能电量计量装置连接，所述充电电缆连接确认电路、控制导引电路、控制导引状态采集电路还分别与连接在充电桩交流充电主回路上的充电桩端充电插座连接，所述充电桩端充电插座与电动汽车端充电插头连接。

2.根据权利要求1所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述充电桩端充电插座包括至少五个接触点，所述五个接触点分别为：火线接触点、零线接触点、接地保护接触点、连接确认接触点、控制导引接触点；所述五个接触点与电动汽车端充电插头对应接触点连接。

3.根据权利要求2所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述充电电缆连接确认电路包括依次串联的电源、第一电阻、第二电阻、二极管、第三电阻、充电连接确认端口，在第二电阻的两端并联光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接主控制电路；所述充电连接确认端口与充电桩端充电插座的连接确认接触点连接。

4.根据权利要求2所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述控制导引电路包括高速光电耦合器，以及由一个N沟道场效应管和一个P沟道场效应管组成的推挽功率放大电路；高速光电耦合器接收主控制电路发出的PWM波，通过高速光电耦合器隔离后，再经推挽功率放大电路放大后，从控制导引端口输出双极性PWM波形；所述控制导引端口与充电桩端充电插座的控制导引接触点连接。

5.根据权利要求2所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述控制导引状态采集电路包括电压跟随器以及采用差分信号输出的线性隔离放大电路；充电桩端充电插座的控制导引接触点的电信号依次经过电压跟随器、线性隔离放大电路得到差分输出的电压信号，所述差分输出的电压信号分别送入主控制电路。

6.根据权利要求1所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述串口屏接口电路采用RS232接口电路与工业串口LCD显示模块连接。

7.根据权利要求1所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述电能读取电路采用RS485接口电路。

8.根据权利要求1所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述充电桩交流充电主回路通断控制电路包括由主控制电路控制的继电器、设置在充电桩交流充电主回路上的交流接触器，继电器的常开触点串联在交流接触器线圈的供电主回路上。

9.根据权利要求8所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：所述充电桩交流充电主回路通断控制电路还包括急停按钮电路，急停按钮电路包括急停按钮以及依次串联的VCC电源、第四电阻、第五电阻、电压箝位电路；第五电阻与电压箝位电路构成的串联电路与所述急停按钮的常开触点并联；所述急停按钮的常闭触点设置在交流接触器线圈的供电主回路上；电压箝位电路的输出端与主控制电路连接。

10.根据权利要求1所述的新型电动汽车交流充电桩控制装置，其特征在于：还包括为所述充电桩控制装置提供电源的系统辅助电源电路。