邢 蘇,周國平,何碧漪,仲 驥

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037)

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一種新型高精度充電樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

邢 蘇,周國平,何碧漪,仲 驥

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037)

設(shè)計(jì)了一種用于電動車等移動設(shè)備的高精度充電控制系統(tǒng)，以STC12C5A60S2單片機(jī)作處理器，采用CS5464電能計(jì)量芯片，通過MF-RC522讀卡芯片實(shí)現(xiàn)智能刷卡結(jié)算;對于蓄電池充電保護(hù)與判斷何時為電量充滿狀態(tài)提出了新的方案，并設(shè)計(jì)了人性化的人機(jī)交互界面;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該充電樁系統(tǒng)能精確完成電量的計(jì)量計(jì)費(fèi)，在戶外電能補(bǔ)給方面，具有較高的應(yīng)用價值。

高精度；單片機(jī);CS5464; 電能計(jì)量

0 引言

隨著國家加快建設(shè)節(jié)約型社會的步伐，電動車成為人們生活中首選的代步工具。但電動車?yán)m(xù)航時間短、充電不便等缺點(diǎn)阻礙其大范圍使用。而目前市場上的電動車充電樁多以電子式電能計(jì)量、投幣交易結(jié)算方式，且用戶僅僅能看到充電時間等較少數(shù)據(jù)，存在很大的局限性，這樣就給用戶使用帶來很大的不便。本文所設(shè)計(jì)的充電樁系統(tǒng)不僅能夠解決電動車戶外電能補(bǔ)給問題，而且提高了電能計(jì)量精度，改進(jìn)了結(jié)算方式；并帶有蓄電池電量檢測電路，在電量充滿時自動斷電；充電數(shù)據(jù)、賬戶余額等計(jì)費(fèi)結(jié)算信息將實(shí)時顯示在LCD12864與上位機(jī)通訊界面，方便用戶使用與后臺人員管理，具有較高的理論意義和應(yīng)用價值。

1 充電樁設(shè)計(jì)思路與工作原理

系統(tǒng)選用STC12C5A60S2單片機(jī)作處理器。電能計(jì)量部分選用計(jì)量芯片CS5464,利用霍爾傳感器和精密電阻電路采樣電壓、電流信號。信號經(jīng)信號濾波和調(diào)理電路后，以差模電壓形式把信號送到CS5464芯片內(nèi)。單片機(jī)接收CS5464的電能輸出信號并進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算處理。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)選用MF-RC522射頻卡模塊加Mifare1卡刷卡計(jì)費(fèi)。選用UC3906芯片作為蓄電池充電芯片，利用單片機(jī)A/D采集功能實(shí)時監(jiān)測蓄電池的電量。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓電流采樣電路

電壓采樣選用LCTV31CE型電壓互感器，將一次側(cè)接在220V電壓上，并串聯(lián)一個110k Ω的電阻，確保電壓互感器輸入比為2 mA/2 mA。選用CS5464差分電壓輸入范圍為500 mVp-p的電壓通道,則負(fù)載電阻Rpv1為：

(1)

電流采樣選擇HA2009霍爾電流互感器,選用CS5464差分電壓輸入范圍為500 mVp-p的電流通道。電流互感器滿量程工作時，其輸出最大電流為50 mA。此時負(fù)載電阻Rpv2大小為：

(2)

CS5464電壓通道內(nèi)部濾波器的截止頻率是1 400 Hz,那么Rpv、Cpv的截止頻率應(yīng)最少是內(nèi)部截止頻率的10倍,即截止頻率≥14 kHz[1]。RC與截止頻率滿足:

(3)

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

(4)

(5)

所以電容Cpv1、Cpv2取0.1 μf，滿足截止頻率大于14 kHz的要求。電壓電流采樣及信號調(diào)理電路如圖2所示。

2.2 CS5464與單片機(jī)電路

CS5464 是Cirrus Logic公司推出的一款帶有CMOS功率測量、串行接口的高精度電能計(jì)量芯片。能計(jì)量功率和電壓電流等參數(shù)。STC12C5A60S2的P1口接收CS5464的電能輸出信號，CS5464在收到一個電能脈沖時產(chǎn)生中斷，累加器對應(yīng)增加一個脈沖，此時瞬時電壓、電流相乘便得到瞬時功率。芯片內(nèi)部微處理器通過功率對時間積分得到實(shí)際的電能。單片機(jī)P1.0～P1.3口分別與CS5464的SCLK、SDO、CS、SDI相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2]。CS5464與單片機(jī)連接電路如圖2所示。

圖2 CS5464電壓電流采集和與單片機(jī)連接圖

2.3 MF-RC522射頻卡模塊

充電樁的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)選用MF-RC522射頻卡讀寫模塊,實(shí)現(xiàn)用戶身份識別、費(fèi)用扣取，信息存儲的功能。芯片內(nèi)部包含ISO14443A幀處理、CRC校驗(yàn)和快速CRYPTO1加密算法[3]。MF-RC522射頻卡讀寫模塊是經(jīng)天線向Mifare1卡發(fā)出無線載波信號,信號在Mifare1卡的天線上耦合接收,經(jīng)波形變換與濾波處理,再用電壓模塊對信號做穩(wěn)壓等調(diào)節(jié)處理得到相關(guān)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對Mifare1卡扇區(qū)內(nèi)原有的數(shù)據(jù)的讀寫，并以SPI總線方式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)[4]。

2.4 蓄電池充電與電量監(jiān)測電路

蓄電池充電選用充電管理芯片UC3906。UC3906芯片內(nèi)的基準(zhǔn)電壓變化特性和蓄電池電壓的溫度變化規(guī)律相同，使得蓄電池在較寬的溫度范圍內(nèi)都處于最佳充電狀態(tài)。UC3906內(nèi)部的電壓和電流比較器檢測蓄電池當(dāng)前的充電狀態(tài)[5]。其充電狀態(tài)示意圖如圖3所示。

圖3 UC3906 充電狀態(tài)示意圖

蓄電池的電量檢測是利用單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換功能，通過電阻分壓的方式將蓄電池的電壓信號通過運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成的電壓跟隨器隔離、RC低通濾波電路的濾波后，送入單片機(jī)P1口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電流采樣是通過采集電阻RS兩端電壓，根據(jù)RS阻值算出充電電流，實(shí)時對蓄電池充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)檢測出電池已充滿時，將向充電控制單元發(fā)送停止充電命令，停止充電[6]。蓄電池的電壓采樣電路如圖4所示

圖4 電池充電及電量檢測電路

2.5 控制單元設(shè)計(jì)

本充電樁充電控制單元采用多級串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，選用固體繼電器(SSR)EKP/N4B3991控制交流接觸器。交流接觸器選擇CJX2-1810，為了避免充電回路對控制器的電磁干擾，采用固態(tài)繼電器對充電回路進(jìn)行控制。由于STC12C5A60S2單片機(jī)的拉電流能力有限，通過三極端控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制充電回路的工作狀態(tài)。在控制回路中，采用紅、黃、綠3種指示燈清楚的指示充電回路當(dāng)前的工作狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 充電控制及指示燈電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電初始化后，判斷是否刷卡，若是則啟動RC522，對Mifare1卡讀寫。用戶可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定充電金額或充電電量。充電時啟動CS5464 芯片，數(shù)據(jù)處理后數(shù)據(jù)實(shí)時顯示。通過串口芯片MAX232，將測得的數(shù)據(jù)通過串口上傳到上位機(jī)界面。當(dāng)系統(tǒng)在完成設(shè)定充電金額或電量充電后，進(jìn)入結(jié)算界面。同時單片機(jī)檢測充電電壓或電流異常時啟動蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)金額小于零或電量充滿時，結(jié)束本次充電，并將此次服務(wù)數(shù)據(jù)存儲，以備查詢統(tǒng)計(jì)[7]。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 充電樁計(jì)量精度測試

充電樁系統(tǒng)測試中選用捷倫34410A 型高精度數(shù)字萬用表進(jìn)行精度驗(yàn)證。測試條件：選取一只額定電壓為220 V,額定電流0.5 A，額定功率110 W的負(fù)載。負(fù)載每充電10 S，充電樁采集一次，萬用表測一次，將測得的電壓、電流、功率與充電樁的計(jì)量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)記錄下來[8],如表1所示。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，繪制出充電樁的電壓、電流、功率誤差折線圖，便于誤差統(tǒng)計(jì)分析。測試誤差折線圖如圖7所示。

通過誤差折線圖能看出，充電樁與萬用表電壓讀數(shù)誤差在±10 mV以內(nèi)，電流誤差分布在±5 mA以內(nèi)，功率誤差不超過±1 W。說明該充電樁系統(tǒng)能精確完成電壓、電流、功率的計(jì)量。

5 結(jié)束語

本文針對目前市場上的電動車充電樁計(jì)量精度不高，結(jié)算不便的情況，設(shè)計(jì)了一種基于高精度計(jì)量芯片CS5464、高性能讀卡芯片MF-RC522的新型刷卡計(jì)費(fèi)充電樁系統(tǒng)，在電量計(jì)量精度及穩(wěn)定性方面都有很大的提高。并在充電樁上利用UC3906設(shè)計(jì)了蓄電池充電保護(hù)與電量監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)蓄電池精確智能充電。本充電樁具有高精度、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 充電樁性能測試數(shù)據(jù)表

圖7 電壓、電流、功率誤差折線圖

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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。

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(SJZZ15-0113)。

邢 蘇(1991-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事儀器儀表方向的研究。

周國平(1963-)，男，陜西咸陽人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事自動化控制方向的研究。

1671-4598(2016)03-0190-03

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

TM933

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