一种新型高精度充电桩系统的设计

邢 苏,周国平,何碧漪,仲 骥

(南京林业大学 信息科学技术学院，南京 210037)



一种新型高精度充电桩系统的设计

邢 苏,周国平,何碧漪,仲 骥

(南京林业大学 信息科学技术学院，南京 210037)

设计了一种用于电动车等移动设备的高精度充电控制系统，以STC12C5A60S2单片机作处理器，采用CS5464电能计量芯片，通过MF-RC522读卡芯片实现智能刷卡结算;对于蓄电池充电保护与判断何时为电量充满状态提出了新的方案，并设计了人性化的人机交互界面;实验结果表明：该充电桩系统能精确完成电量的计量计费，在户外电能补给方面，具有较高的应用价值。

高精度；单片机;CS5464; 电能计量

0 引言

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。而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。本文所设计的充电桩系统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。

1 充电桩设计思路与工作原理

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。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 电压电流采样电路

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110k Ω的电阻，确保电压互感器输入比为2 mA/2 mA。选用CS5464差分电压输入范围为500 mVp-p的电压通道,则负载电阻Rpv1为：

(1)

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500 mVp-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50 mA。此时负载电阻Rpv2大小为：

(2)

CS5464电压通道内部滤波器的截止频率是1 400 Hz,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≥14 kHz[1]。RC与截止频率满足:

(3)

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

(4)

(5)

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

2.2 CS5464与单片机电路

CS5464 是Cirrus Logic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[2]。CS5464与单片机连接电路如图2所示。

图2 CS5464电压电流采集和与单片机连接图

2.3 MF-RC522射频卡模块

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[3]。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[4]。

2.4 蓄电池充电与电量监测电路

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[5]。其充电状态示意图如图3所示。

图3 UC3906 充电状态示意图

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[6]。蓄电池的电压采样电路如图4所示

图4 电池充电及电量检测电路

2.5 控制单元设计

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3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。

图5 充电控制及指示灯电路

3 系统软件设计

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[7]。

图6 系统主程序流程图

4 充电桩计量精度测试

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220 V,额定电流0.5 A，额定功率110 W的负载。负载每充电10 S，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[8],如表1所示。

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。测试误差折线图如图7所示。

通过误差折线图能看出，充电桩与万用表电压读数误差在±10 mV以内，电流误差分布在±5 mA以内，功率误差不超过±1 W。说明该充电桩系统能精确完成电压、电流、功率的计量。

5 结束语

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。

表1 充电桩性能测试数据表

图7 电压、电流、功率误差折线图

[1]罗祖斌,朱柏寒,王 平,等.基于CS5464芯片单相电能计量表的设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2013(1):63-65.

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A New Charging Pile Metering and Billing System Design

Xing Su ，Zhou Guoping ，He Biyi, Zhong Ji

(College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037 ,China)

A high precision charging control system for electric vehicles and other mobile devices is designed. STC12C5A60S2 microcontroller to do the processor, the use of CS5464 for power metering chip, through the MF-RC522 card chip to achieve smart card settlement. For the battery charging protection and determine when the battery is full state, design a human computer interface. The experimental results show that the charging pile system can accurately complete the measurement of the electric charge, and it has a high application value in the field of outdoor power supply.

high-accuracy；microcontroller; CS5464；power metering

2015-09-10；

2015-10-20。

江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(SJZZ15-0113)。

邢 苏(1991-)，男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事仪器仪表方向的研究。

周国平(1963-)，男，陕西咸阳人，副教授，硕士研究生导师，主要从事自动化控制方向的研究。

1671-4598(2016)03-0190-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.051

TM933

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