汽车充电设备电能计量系统研究

刘翰承

（景德镇市市场监督管理综合检验检测中心，江西 景德镇 333000）

0 引言

随着全球能源资源的枯竭，各国都在大力发展新能源汽车，其中纯电动汽车是当前的主流发展方向[1-2]。但是，当前电动汽车发展过程中最大的障碍是充电设备的性能[3-4]。因此，进一步提高充电设备的综合性能是发展纯电动汽车的重要途径。在充电网络中，电能的计量不仅是进行收费的主要依据，而且还能为充电设备、充电网络、充电行为的分析和优化提供大数据支撑[5-6]。基于此，如何设计一款成本低廉、安全稳定、智能方便的电能计量系统，成为当前电动汽车充电设备领域的重要研究方向。

1 电能计量系统架构分析

1.1 总体架构

电动汽车充电设备电能计量系统以单片机控制器为核心，以电能计量为目标，包括射频识别、充电接口、充电检测、数据总线、交流电源、雷电防护、人机交互等功能模块，各模块之间的逻辑关系如图1所示。

图1 系统总体架构图

1.2 功能架构

从图1的系统架构不难看出，整个系统是以控制器为核心的，其它模块均围绕着控制器来工作，受控制器的统一调度。控制器一方面向各模块发出控制指令，另一方面接收来自各模块的数据和指令反馈。控制器自带了许多类型的硬件接口，可以与不同的功能模块进行电气连接，实现系统的一体化。电能计量模块是系统的关键部分，它可以在充电设备与汽车电池接时后，实时采集电流、电压、频率等数据，精确地计算出特定时间段内的电功率，为控制器提供重要的数据源。射频识别模块的功能是对用户的信息进行认证，对账户内的余额进行管理和消费记录。继电器的功能是在控制器的指令下完成充电电路的通与断操作。人机交互接口允许用户在显示屏上进行操作交互，完成所需的各项功能业务。电源模块是指充电设备本身的电量需求供应单元，可为所有功能模块提供5V、12V、24V等标准电压的直流电。另外，系统还设置了紧急停止按钮和空气断路器，保证突发情况下可以迅速断开充电，保证人员和设备的安全[3]。

1.3 关键器件选型

根据电动汽车充电设备电能计量系统的功能需求，结合系统开发的难度、成本、周期、性能等因素，本文的控制器采用了Freescale公司推出的工业级微控制器MC9S08DZ60，电能计量部分对精度性能有严格要求，采用了高性能的单相双线电能计量芯片ATT7053BU,射频模块采用性价比较高的RC522芯片，人机接口采用当前流行的触摸屏，方便用户直接操作。

2 主要硬件模块设计

2.1 主控制器

考虑到充电计量在数据采集、传输、中断处理、计数等方面均有应用需求，因此选用了MC9S08DZ60控制芯片作为主控单元。该芯片是由美国Freescale公司研发的8位控制器，主频为40MHz，支持32个中断/复位源，提供了多达60KB的闪存，2K的可擦写存储器，具有丰富的硬件接口可以与其它外围设备实现互连，共有53个普通I/O口和24个中断口，可以采用两种模式运行，具有高性能、低功耗的优点，完全可以满足电动汽车充电设备电能计量的系统控制和数据处理要求。在计量电路的设计中，通过晶振、复位、BDM 和旁路电容等电路模块互连实现最小系统，由SPI接口与电能计量模块相连，人机交互和射频识别模块均通过RS-485串行接口与主控单元相连，通过预留CAN数据总线以应对售后可能的总线拓展需求。

2.2 电能计量模块

在电动汽车充电设备电能计量系统中，电能计量模块无疑是整个系统最为核心的功能模块。电能计量模块由计量芯片、电流互感器、电压互感器、晶振电路、复位电路等构成，其中计量芯片采用ATT7053BU负责处理数据和控制采集，而电流互感器和电压互感器分别完成对电路中电流和电压的采集，采集到的电能原始数据之后，要经过初步的滤波和限流处理，再采用RC滤波电路将电流信号转换为电压后，由计量芯片通过SPI通信接口传输至主控制模块，从而实现电能数据的采集和处理。ATT7053BU 芯片内置了一根 SPI总线，电压范围 3.0～3.6V，晶振5.5MHz。SPI总线属于同步串行总线，是主控芯片与外围电路模块进行数据交互的主要通道，为了实现串行传输，SPI采用了4线制通信，包括时钟线（CLK）、输出线（DO）、输入线（DI）和选择线（CS），每个接口均设置了上拉电阻以保证系统输出的稳定性。

根据ATT7053BU的计量结果，采用以下公式即可得到充电功率：

其中，

Px——功率，单位：W

EC——计量芯片原始值

Preg——芯片脉冲常数

HFConst——芯片HFConst寄存器值

2.3 射频识别模块

RFID射频识别单元采用非接触式读卡芯片RC522为主要芯片，与IC卡、电容、电感、天线等辅助电路，构成一个具有感应识别功能的电路模块。射频单元采用SPI总线与单片机相连，由单片机对整个射频识别过程进行控制，而单片机又通过RS-485串行总线与主控单元MC9S08DZ60相连接。当用户的IC卡进入射频检测范围时，射频模块的天线与IC卡内部的线圈之间由于电流频率相同而出现共振现象，共振信号传输到RC522芯片内进行预处理后，由SPI总线传送到单片机内，再通过RS-232串行总线到达主控单元进行分析，解算出相应的ID号，与数据库中的用户信息表进行比对，从而识别出当前用户信息。

2.4 充电连接检测电路

无论是车载电源模块还是充电桩设备，在进行充电连接之前都需要明确自身的连接状态，只有处于空闲状态，才会对充电连接进行响应并充电。为实现该功能，系统使用了一种控制引导电路，如图2所示。

图2 充电连接检测电路原理图

在充电插头和插座中分别内置了相应的开关器件Sa、Sb，如果插头与插座处于连接状态，检测点A就会产生一个触发脉冲信号，使两个开关进入联锁断开状态。在Sa的状态与检测点A的电压关系可以由下面两个式子来描述：

3 系统软件设计

根据系统硬件架构和功能模块，结合人们的日常操作习惯，电动汽车充电设备电能计量系统的软件工作流程可以用图3来描述：

图3 系统软件工作流程图

系统接通电源后自动开机，电源模块为各硬件模块提供相应的工作电压，系统开始执行初始化，包括主控芯片的初始化、计量芯片的初始化、射频单元的初始化等等。完成初始化后系统会先进行一次自检，对自身的电流、电压和温度等参数进行测量，无异常方可执行后续步骤，否则会在面板发出警告，提示用户系统故障。如果系统正常，则提示用户刷卡，当检测到IC卡后，由射频模块对卡的信息进行识别和认证，如果是有效卡则用户可以通过触摸屏进行充电操作。确认充电后，主控模块会向各功能模块发现相应指令，使电路接通开始充电。在充电过程中，计量装置会持续对电能进行计量，并将数据发送给主控制单元。待充电结束后，系统会关闭相应模块的电路使系统重新进入待机状态，计量装置的计量结果将作为收费的依据，计算出的收费金额通过触摸屏显示出来，由用户确认缴费或系统自动扣费。

4 结语

电动汽车是我国实行新能源战略的重要战场，近年纯电动汽车的保有量持续增长，整车性能逐步提升，这意味着在不久的将来，道路两边的充电设备将越来越多，预示着充电计量装置广泛的应用前景。本文开发的电动汽车充电设备电能计量系统具有成本低、精度高、稳定可靠、操作方便等优点，可以大批量用于充电桩等纯电动汽车充电设备的电能计量。