陸春光，袁 健

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

1 引言

隨著充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及充換電相關(guān)安全性能的日趨完善，電動(dòng)汽車的普及和應(yīng)用前景非常廣闊，直流快速充電機(jī)的需求也將越來越大[1]。充電機(jī)是電動(dòng)汽車用戶與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)交互的橋梁，涉及到電能計(jì)量、計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性等問題，因此需要一種可靠可信的技術(shù)手段來滿足雙方要求，提高充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)的可靠性和公信力。

目前，電動(dòng)汽車直流充電機(jī)計(jì)量方案如圖1所示，采用直流電能表外附分流器的方式進(jìn)行電能計(jì)量，電流經(jīng)過分流器時(shí)進(jìn)行電流采樣，采樣信號(hào)接入直流電能表進(jìn)行計(jì)量，由于分流器與直流表分離，并未采用一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行封裝，導(dǎo)致分流器在使用過程中存在被更換的可能，容易產(chǎn)生糾紛，缺少公信力。

直流充電機(jī)電能計(jì)量單元和計(jì)費(fèi)控制單元采用分離式安裝，各部分之間功能重復(fù)，利用率低，兩個(gè)功能單元在充電機(jī)內(nèi)部占用較大空間，布局連接麻煩，增加了充電機(jī)成本；各單元之間的連接復(fù)雜，同時(shí)也增加了操作安裝的難度。

直流充電機(jī)在城市范圍內(nèi)分布較為分散，而且固定安裝后只能通過實(shí)負(fù)荷測(cè)試的方式對(duì)充電機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定[2]，檢定效率低，操作復(fù)雜，成本較高，給后續(xù)檢定和使用中檢定帶來了相當(dāng)大的困難。直流充電機(jī)的電流采樣電路基于錳銅分流器設(shè)計(jì)，充電時(shí)電流變化較大，最大可以達(dá)到300A，會(huì)造成分流器溫度升高，阻值發(fā)生變化，取樣電流誤差增大，而且一次側(cè)和二次側(cè)之間沒有電隔離[3]，存在安全隱患。

本文針對(duì)直流充電機(jī)電能計(jì)量單元和計(jì)費(fèi)控制單元應(yīng)用的瓶頸，一方面采用零磁通電流互感器替代分流器，完成模擬量采集；另一方面設(shè)計(jì)了一種適用于充電機(jī)行業(yè)的便于安裝及定時(shí)拆回獨(dú)立進(jìn)行檢定的計(jì)量計(jì)費(fèi)一體化裝置，采用電能計(jì)量單元與計(jì)費(fèi)控制單元一體化設(shè)計(jì)，將電能計(jì)量單元與計(jì)費(fèi)控制單元、零磁通電流互感器封裝于同一殼體，可對(duì)模塊及接線端子施加封印，完全替代了原有的電能計(jì)量單元和計(jì)費(fèi)控制單元，避免了目前直流充電機(jī)電能計(jì)量方式下更換分流器、篡改接線等行為，減少貿(mào)易糾紛，節(jié)約成本，節(jié)省空間，有效保證直流充電機(jī)電能計(jì)量、計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性及安裝檢定的要求，提高充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)的可靠性和公信力，具有較高的推廣價(jià)值。

圖1 當(dāng)前直流充電樁計(jì)量方案

2 充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置功能

充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置基于嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行研制開發(fā)，采用高精度計(jì)量芯片完成模擬數(shù)字量轉(zhuǎn)換，數(shù)字量經(jīng)微處理器的處理轉(zhuǎn)化成可操作數(shù)據(jù)，具有快速響應(yīng)、一致性好、精度高、低功耗、傳輸距離長、長期穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，無須校準(zhǔn)，不受電源噪音及電壓波動(dòng)等干擾影響。

充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置通過電能計(jì)量單元和計(jì)費(fèi)控制單元搭接硬件資源，實(shí)現(xiàn)計(jì)量計(jì)費(fèi)、人機(jī)交互、控制充電機(jī)啟停、與車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信等功能，如圖2所示。電能計(jì)量單元完成電能計(jì)量的功能，計(jì)費(fèi)控制單元完成計(jì)費(fèi)控制的功能，兩個(gè)單元不分主次，功能獨(dú)立，相互監(jiān)測(cè)，而又互不影響。兩個(gè)單元之間通過RS485進(jìn)行通信，完成相關(guān)信息交互。

圖2 工作原理示意圖

模擬量的采集功能，是通過裝置內(nèi)嵌的電阻分壓器和零磁通電流互感器完成對(duì)電壓和電流輸入信號(hào)采集，并上送給電能計(jì)量單元。電能計(jì)量單元的顯示功能是通過液晶顯示屏與電能計(jì)量CPU連接，用于顯示當(dāng)前測(cè)量的電流、電壓和累計(jì)電能信息。檢定和檢測(cè)功能是通過指定的脈沖接口給檢測(cè)設(shè)備提供脈沖信號(hào)，完成計(jì)量功能的檢測(cè)和校準(zhǔn)。人機(jī)交互功能，是通過讀卡器、加密芯片和充電卡與計(jì)費(fèi)控制單元進(jìn)行交互流程認(rèn)證，完成充電計(jì)費(fèi)。充電控制實(shí)現(xiàn)控制充電機(jī)啟停的功能，而對(duì)外通信功能，實(shí)現(xiàn)了充電機(jī)與車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置采用直流電源供電方式，供電范圍為19.2V-28.8V，經(jīng)穩(wěn)壓、濾波后分別給計(jì)量單元和計(jì)費(fèi)控制單元供電，兩路電源之間相互隔離、互不干擾。采樣電路與電源電路分離設(shè)計(jì)，有效避免干擾，提高計(jì)量精度。電源模塊架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電源模塊架構(gòu)圖

電源模塊從直流充電機(jī)內(nèi)部取電，經(jīng)穩(wěn)壓電路、濾波電路等轉(zhuǎn)換成12V直流電壓和5V直流電壓，5V電壓為單獨(dú)的485電路工作電壓，與12V電壓相互隔離，互不干擾；12V電壓分別給計(jì)費(fèi)控制單元和電能計(jì)量單元供電，兩個(gè)單元的電源通過隔離芯片隔離，經(jīng)DC-DC芯片轉(zhuǎn)換為需要的電壓。計(jì)費(fèi)控制單元的工作電源為12V 2.5A，電能計(jì)量單元的工作電源為3.3V 1A。

3.2 電能計(jì)量單元

電能計(jì)量單元負(fù)責(zé)直流充電機(jī)輸出能量的計(jì)量，并將采集到的電壓、電流和電能量信息通過RS485發(fā)送給計(jì)費(fèi)控制單元，如圖4所示。

圖4 電能計(jì)量單元架構(gòu)圖

現(xiàn)有直流充電機(jī)采樣電路采用的分流器為純電阻元件，一次側(cè)和二次側(cè)之間沒有電隔離，散熱能力和抗干擾能力有限，在密閉空間內(nèi)通以大電流將會(huì)導(dǎo)致分流器表面達(dá)到上百度的高溫，不利于充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置內(nèi)部其他元器件的正常工作。本文采用零磁通電流互感器替代分流器進(jìn)行電流采樣，將電流取樣信號(hào)提供給計(jì)量單元，通過電阻分壓器進(jìn)行電壓采樣，利用專用計(jì)量芯片對(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)進(jìn)行模擬或數(shù)字乘法，將得到的電壓和電流等數(shù)據(jù)通過SPI上傳給CPU進(jìn)行電能累計(jì)。時(shí)鐘電路為電能計(jì)量單元提供時(shí)鐘功能，采用具有溫度補(bǔ)償功能的內(nèi)置硬件時(shí)鐘電路，具有日歷、計(jì)時(shí)功能。時(shí)鐘電路設(shè)有時(shí)鐘電池，當(dāng)發(fā)生充電機(jī)意外斷電故障時(shí)，時(shí)鐘電池可繼續(xù)供電，完成當(dāng)前數(shù)據(jù)的保存功能。EEPROM用于存儲(chǔ)電能計(jì)量單元電能計(jì)量相關(guān)信息，可以存儲(chǔ)不同用戶不同時(shí)段的用電信息，當(dāng)充電機(jī)斷電時(shí)，電能計(jì)量CPU把斷電前的相關(guān)信息存于EEPROM中保護(hù)起來，達(dá)到斷電不丟失電能信息的目的。

3.3 計(jì)費(fèi)控制單元

計(jì)費(fèi)控制單元負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互，完成充電模式選擇、充電設(shè)備控制、充電費(fèi)用計(jì)算，如圖5所示。

圖5 計(jì)費(fèi)控制單元架構(gòu)圖

計(jì)費(fèi)控制單元使用TI AM3354處理器，運(yùn)行主頻800MHz，運(yùn)行溫度為-40℃～+85℃，確保產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。配置有6路數(shù)字信號(hào)輸入接口，內(nèi)部采用光耦進(jìn)行隔離，通過CPU的IO檢測(cè)管腳，檢測(cè)外接高低電平狀態(tài)。同時(shí)提供了6路5A 250VAC/30VDC經(jīng)繼電器隔離的數(shù)字輸出接口，用戶使用時(shí)只需要發(fā)送相應(yīng)的命令，由計(jì)費(fèi)控制CPU通過控制IO引腳進(jìn)行常閉和常開之間的切換。RS232串口用于與外置讀卡器進(jìn)行通信，并為外置讀卡器提供5V工作電源。CAN接口由CPU串口通過轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，用于與電動(dòng)汽車的BMS通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電池的電量測(cè)量，支持CAN總線與充電控制器進(jìn)行通信。

考慮到與車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信以及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的需要，計(jì)費(fèi)控制單元配置有2路自適應(yīng)10M/100M的百兆以太網(wǎng)接口，由核心板CPU控制PHY芯片實(shí)現(xiàn)，對(duì)外連接器物理形式為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線插座。雙百兆以太網(wǎng)接口，3G/4G模塊雙SIM卡座，GPRS模塊，可以滿足不同環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。內(nèi)置的藍(lán)牙模塊，方便用戶非接觸式通信。

ESAM是整個(gè)計(jì)費(fèi)控制單元的安全核心，負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)控制單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、預(yù)存電費(fèi)和信息返寫操作時(shí)的安全認(rèn)證，對(duì)數(shù)據(jù)加密解密處理，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾?。所有與外部用戶進(jìn)行交互的數(shù)據(jù)均通過ESAM進(jìn)行加密，選用支持ISO7816接口的ESAM芯片，采用ESAM和PSAM兩種封裝形式，可選擇切換使用其中任一封裝形式的ESAM芯片進(jìn)行工作，完全符合計(jì)費(fèi)控制單元加密要求，并最大化節(jié)省串口資源。

4 軟件設(shè)計(jì)

充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置的軟件部分依托硬件結(jié)構(gòu)，分為板件層、中間層和應(yīng)用層，板件層主要是進(jìn)行底層元器件的驅(qū)動(dòng)與元器件的交互；中間層主要是進(jìn)行板件層同應(yīng)用層的交互，統(tǒng)一程序接口給應(yīng)用層；應(yīng)用層主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的調(diào)用，數(shù)據(jù)的計(jì)算與液晶的顯示。

根據(jù)軟件分層，軟件系統(tǒng)框架如圖6所示。數(shù)據(jù)采集模塊程序完成對(duì)信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)計(jì)算模塊依托CPU主程序，完成對(duì)功率、功率因數(shù)等信息的計(jì)量與處理，CPU主程序完成顯示、通信及信息的存儲(chǔ)。

圖6 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了方便與外部控制器通信，CS5463型計(jì)量芯片集成有一個(gè)簡(jiǎn)單的三線串行接口SPI，該接口主要通過三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括同步時(shí)鐘和兩條數(shù)據(jù)線。串行接口集成了帶有發(fā)送、接收緩沖的狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)在系統(tǒng)時(shí)鐘引腳SCLK的上升沿解析8位命令字，根據(jù)對(duì)命令的解碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備，內(nèi)部寄存器都是24位。

圖7和圖8分別指示出串行接口緩沖區(qū)的寫、讀時(shí)序。數(shù)據(jù)的讀和寫通過向SDI引腳寫入相應(yīng)的8位命令字（高位在前）來啟動(dòng)。當(dāng)命令包含寫操作時(shí)、串口將在下面24個(gè)SCLK周期記錄SDI引腳的數(shù)據(jù)（從高位開始）。寄存器寫指令必須跟24位數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器，然后等待下一個(gè)命令。啟動(dòng)命令后，串行接口將在后續(xù)8個(gè)、16個(gè)或24個(gè)SCLK周期啟動(dòng)SDO引腳上的寄存器進(jìn)行內(nèi)容轉(zhuǎn)移（從高位開始），寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上，讀寄存器時(shí)，微控制器可以同時(shí)發(fā)送新指令，并立即執(zhí)行新指令，同時(shí)終止讀操作。

圖7 SPI寫時(shí)序圖

圖8 SPI讀時(shí)序圖

5 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證已研制充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置的功能及其可靠性，針對(duì)裝置進(jìn)行了誤差測(cè)試。在保持參比電壓穩(wěn)定的情況下，針對(duì)不同輸入電流工況下的模塊進(jìn)行誤差測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。在保持參比電流穩(wěn)定的情況下，針對(duì)不同輸入電壓工況下的模塊進(jìn)行誤差測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。從表1和表2可以看出，誤差都在允許范圍內(nèi)。

表1 參比電壓下的基本誤差

表2 參比電流下的基本誤差

6 結(jié)束語

本文針對(duì)電動(dòng)汽車直流充電機(jī)計(jì)量和計(jì)費(fèi)控制應(yīng)用遇到的瓶頸，研制了一種新型計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置。該裝置集成了目前充電機(jī)計(jì)量計(jì)費(fèi)方案中涉及結(jié)算的分流器、直流電能表和計(jì)費(fèi)控制單元，成為可以模塊化設(shè)計(jì)和制造的一體化裝置，具備充電電能計(jì)量、計(jì)費(fèi)及相關(guān)控制功能。作為充電機(jī)計(jì)量、計(jì)費(fèi)的一體化裝置，與充電機(jī)整流、充電控制、保護(hù)等功能相對(duì)獨(dú)立。計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置接口部位的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，容易實(shí)現(xiàn)各裝置之間的互換，從而滿足更大數(shù)量的不同產(chǎn)品的需要。此外，可對(duì)計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置及接線端子進(jìn)行封印，避免封印整個(gè)充電機(jī)，為充電機(jī)的檢修提供便利，同時(shí)也便于檢定人員拆回獨(dú)立進(jìn)行檢定，避免攜帶大型儀器設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定，明顯提高檢定工作的效率。

隨著電動(dòng)汽車的進(jìn)一步推廣，作為主要充電設(shè)施的直流充電機(jī)得到進(jìn)一步普及，考慮到一體性、獨(dú)立性、互換性和便利性的需要，計(jì)量計(jì)費(fèi)一體裝置將成為直流充電機(jī)的優(yōu)選配置，裝置的研制將對(duì)直流充電機(jī)乃至電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來一定積極影響。