一種純電動(dòng)汽車充電計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)

曾 潔，劉賓坤，顧常峰

（大連交通大學(xué) 遼寧 大連 116023）

一種純電動(dòng)汽車充電計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)

曾 潔，劉賓坤，顧常峰

（大連交通大學(xué) 遼寧 大連 116023）

基于對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行計(jì)量收費(fèi)的目的，采用了一種以飛思卡爾芯片MC9S080Z60和單相電能計(jì)量芯片ATT7053BU為核心設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車充電計(jì)量裝置，裝置在使用時(shí)首先通過RFID技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定，再通過觸摸屏人機(jī)交互進(jìn)行充電參數(shù)設(shè)置和信息顯示，另外該裝置還具有良好的安全保護(hù)報(bào)警功能[1]。通過對(duì)該裝置的工作原理、軟硬件設(shè)計(jì)及功能進(jìn)行了詳細(xì)論述，經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，其各項(xiàng)功能均可很好地實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)車；充電計(jì)量；MC9S080Z60；ATT7053BU

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，純電動(dòng)汽車的研發(fā)技術(shù)不斷進(jìn)步，加之國(guó)家相關(guān)新能源汽車政策的大力扶持，純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)及生產(chǎn)規(guī)模也迅速擴(kuò)大，而電動(dòng)汽車充電裝置是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中不可忽視的重要組成部分，充電問題一直是推廣電動(dòng)汽車的主要障礙之一[2]。因此，建立電動(dòng)汽車的充電基礎(chǔ)設(shè)施是今后加速電動(dòng)汽車應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵。作為充電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)備——充電計(jì)量裝置具有成本低、安全性高、智能便捷化的諸多優(yōu)點(diǎn)，充電計(jì)量裝置必將成為未來電動(dòng)汽車充電設(shè)備系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)選用汽車級(jí)飛思卡爾8位的微處理器芯片MC9S08DZ60作為MCU，其電能計(jì)量部分選用單相雙線電能計(jì)量芯片ATT7053BU為核心，它利用電流和電壓互感器實(shí)時(shí)采集充電電流和電壓并計(jì)算出電功率，ATT7053BU芯片通過SPI通信接口將數(shù)據(jù)送到MC9S08DZ60中進(jìn)行處理，精準(zhǔn)地計(jì)算出電能及其費(fèi)用。系統(tǒng)RFID射頻部分選用RC522芯片為核心，實(shí)現(xiàn)刷卡識(shí)別身份和計(jì)費(fèi)。其人機(jī)交互選用串口功能的觸摸屏，可讓用戶自主設(shè)置充電模式或?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)顯示及查詢等功能[4]。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括微控制器、電能計(jì)量、人機(jī)交互系統(tǒng)、RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)、系統(tǒng)電源、緊急停止開關(guān)、CAN通信接口、充電接口、充電連接檢測(cè)、繼電器、空氣斷路保護(hù)器、雷電防護(hù)和220 V交流輸入接口模塊。

圖1 充電計(jì)量裝置的總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

微控制器模塊主要負(fù)責(zé)各模塊的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，所有采集的數(shù)據(jù)都匯總到微控制器，微控制器模塊則通過其輸出端口或通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的控制[5]，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。電能計(jì)量模塊主要負(fù)責(zé)充電時(shí)的電流電壓數(shù)據(jù)的采集，從而計(jì)算出各種電功率等信息，并將這些信息傳送給微控制器。人機(jī)交互系統(tǒng)采用觸摸屏方式，可為用戶提供友好的交互界面[6]。RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)主要是用于用戶的信息識(shí)別和認(rèn)證，以及電費(fèi)余額等信息。繼電器模塊主要負(fù)責(zé)充電通斷的控制，通過繼電器控制零火線的接通，從而達(dá)到充電通斷功能。系統(tǒng)電源包括5 V、12 V、24 V，滿足不同模塊的供電需求。緊急停止開關(guān)是在突發(fā)狀況時(shí)，可通過機(jī)械式開關(guān)緊急停止充電操作[7]，保護(hù)用戶以及充電設(shè)備的安全。空氣斷路保護(hù)器和雷電防護(hù)對(duì)整個(gè)裝置起到安全防護(hù)作用[8]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源模塊

24 V的電源采用的是通用性開關(guān)電源，主要為觸摸屏供電；12 V、5 V電源采用LM2567系列開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)，主要為MC9S08DZ60芯片、計(jì)量芯片ATT7053BU、RFID射頻通信模塊以及繼電器提供工作電源。

2.2 微控制器基本電路

鑒于充電計(jì)量裝置功能的需要，因此選用的MCU為飛思卡爾公司的汽車級(jí)芯片MC9S08DZ60。MC9S08DZ60具有非常豐富端口資源，其SPI通信接口可用于電能計(jì)量模塊的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)具有兩個(gè)串口，可分別與觸摸屏模塊和RFID射頻模塊通信，同時(shí)預(yù)留了CAN通信接口，可用于對(duì)汽車總線控制的拓展接口。MC9S08DZ60芯片最小系統(tǒng)電路包括：晶振模塊電路，復(fù)位模塊電路，BDM下載模塊電路，以及電源旁路濾波電容電路等。MC9S08DZ60芯片的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 MC9S08DZ60芯片最小系統(tǒng)圖

2.3 電能計(jì)量模塊電路

電能計(jì)量模塊是整個(gè)充電計(jì)量裝置的核心模塊之一。他的功能是通過ATT7053BU的芯片功能，結(jié)合電流互感器和電壓互感器對(duì)電流電壓實(shí)時(shí)采集，計(jì)算出電能，并經(jīng)SPI通信接口送給MCU電路，從而獲得以電能參數(shù)為核心的數(shù)據(jù)[9]。

如圖3所示，電能計(jì)量電路主要包括以下電路部分：電壓互感器輸入電路、電流互感器輸入電路、ATT7053BU芯片、晶振電路、復(fù)位電路以及與MCU模塊的SPI通信電路。電流互感器信號(hào)經(jīng)過RC濾波電路進(jìn)行濾波后，通過一對(duì)電流輸入通道（V2P、V2N）實(shí)時(shí)地把電流信號(hào)送入ATT7053BU中；電壓互感電路同樣以電壓互感器為核心，將零火線接入后，將火線電壓通過大的限流電阻后經(jīng)過電壓互感器，與電流互感器模塊原理一樣，經(jīng)RC濾波電路后通過電壓通道（V3N，V3P）將實(shí)時(shí)的電壓數(shù)據(jù)送入ATT7053BU中；SPI通信總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（CLK）、從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（DO）、從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（DI）和低電平有效的從機(jī)選擇線（CS），每個(gè)SPI信號(hào)線接有上拉電阻[10]。

圖3 電能計(jì)量模塊電路原理圖

2.4 觸摸屏接口電路

觸摸屏選用了WEINVIEW威綸通科技公司的MT6070iH型號(hào)的觸摸屏，開發(fā)環(huán)境采用了EasyBuilder8000軟件進(jìn)行人機(jī)交互頁(yè)面的開發(fā)，由此平臺(tái)，可滿足充電計(jì)量裝置的顯示電能信息以及人機(jī)交互等功能，在與單片機(jī)MCU通信方式，選擇了與射頻通信相同的RS232串口通信方式，硬件電路選用了RS232串口通信常用的MAX232芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，并且配合威綸通觸摸屏的接口。

2.5 RFID接口電路

RFID射頻模塊電路是以非接觸式讀卡芯片RC522為核心、以ATMEGA8單片機(jī)為微控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的電路[11]。芯片RC522通過連接電容電感設(shè)計(jì)天線電路，并通過SPI通信方式與ATMEGA8單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而ATMEGA8單片機(jī)采用RS232串口通信方式與主控芯片MC9S08DZ60進(jìn)行通信。當(dāng)RFID射頻模塊接受刷卡時(shí)，其天線和IC卡線圈會(huì)產(chǎn)生共振，芯片RC522會(huì)采集到共振信息并處理產(chǎn)生數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過SPI串口傳遞給ATMEGA8單片機(jī)，最后ATMEGA8單片機(jī)通過RS232串口上傳到主控芯片MC9S08DZ60，從而完成射頻模塊與IC卡、主控芯片的通訊[12]。

2.6 充電接口連接檢測(cè)

圖4 典型控制導(dǎo)引電路的原理圖

2.7 安全防護(hù)

安全保護(hù)電路主要依靠繼電器通斷電路和充電引導(dǎo)電路等模塊的配合作用下共同實(shí)現(xiàn)，具有內(nèi)部自動(dòng)安全保護(hù)和人工安全保護(hù)兩種設(shè)計(jì)[14]。自動(dòng)安全保護(hù)主要依靠軟件來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電路出現(xiàn)意外情況時(shí)，比如當(dāng)充電插座檢測(cè)電路電壓出現(xiàn)變化時(shí)，單片機(jī)給出繼電器通斷斷開電路指令，從而達(dá)到自動(dòng)保護(hù)的功能。而人工安全保護(hù)則依靠外部的緊急開關(guān)，比如當(dāng)大電流灌涌或高電壓干擾時(shí)，雷電防護(hù)開關(guān)能夠自動(dòng)進(jìn)行切斷電源，再比如用戶因特殊情況發(fā)生時(shí)，用戶則立即通過斷路保護(hù)器停止充電過程，從而達(dá)到安全保護(hù)的作用[15]。

3 系統(tǒng)工作軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)充電計(jì)量裝置的實(shí)際硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)充電計(jì)量系統(tǒng)的工作過程分為：上電開機(jī)，連接電源，各系統(tǒng)模塊上電；系統(tǒng)初始化，各系統(tǒng)模塊初始化（MCU初始化，計(jì)量模塊初始化，射頻刷卡模塊初始化，觸摸屏初始化等）；系統(tǒng)故障檢測(cè)，檢測(cè)充電計(jì)量裝置各模塊是否處于正常工作狀態(tài)，主要包括電壓，電流，溫度等參數(shù)，保證系統(tǒng)無(wú)故障后，才可進(jìn)行充電等后續(xù)操作，否則發(fā)出報(bào)警并停止一切工作過程，同時(shí)確保無(wú)故障后，在各個(gè)階段也要一直保證故障檢測(cè)狀態(tài)，有故障發(fā)生時(shí)，立即切斷繼電器，并停止其余工作狀態(tài)；待機(jī)狀態(tài)，等待進(jìn)入充電狀態(tài)，此狀態(tài)可進(jìn)行用戶身份認(rèn)證，觸摸屏顯示等操作，MCU和各模塊一直進(jìn)行通信連接，當(dāng)收到用戶給出充電確認(rèn)信號(hào)時(shí)，則進(jìn)入充電狀態(tài)。在待機(jī)過程中也要進(jìn)行故障檢測(cè)的工作；充電狀態(tài)，用戶刷卡并選擇充電后，從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入充電狀態(tài)，由MCU控制繼電器連通，為車載端進(jìn)行充電工作，同時(shí)計(jì)量模塊也進(jìn)入工作狀態(tài)，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳送到MCU并顯示在觸摸屏上，保持各模塊的實(shí)時(shí)通信；當(dāng)結(jié)束充電過程后，則再次返回初始化狀態(tài)，等待下一用戶操作。同樣，在充電過程中，也要保持故障檢測(cè)，若產(chǎn)生故障，首先停止充電過程，切斷繼電器，確保使用的安全性，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

圖5 充電計(jì)量裝置軟件主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車充電計(jì)量裝置目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行計(jì)量收費(fèi)。其安裝方便，操作簡(jiǎn)單，還具有可靠和強(qiáng)大的安全防護(hù)功能，能隨時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)系統(tǒng)模塊的異常并立即做出斷電反應(yīng)，保護(hù)人和電動(dòng)車的安全，此外還有通過空氣開關(guān)可以人為的隨時(shí)斷電，以及雷達(dá)防護(hù)裝置以增加安全系數(shù)。作為純電動(dòng)汽車發(fā)展的中基礎(chǔ)設(shè)備，研發(fā)并推廣成本低，安全高，智能化，便捷化的充電計(jì)量裝置必將成為電動(dòng)汽車充電設(shè)備系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

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Design of a pure electric vehicle charging measurement device

ZENG Jie，LIU Bin-kun，GU Chang-feng
（Dalian Jiaotong University，Dalian 116023，China）

Based on the purpose of metering and charging for electric vehicles charging，the pure electric vehicle charging measurement device uses a kind of Freescale chip MC9S080Z60 and single phase energy measurement chip ATT7053BU as the core design.The device in use by RFID technology is used to recognize identity，then through the touch screen interactive charging parameter setting and display of information.In addition，the device also has a good security alarm function.In the end，the working principle，software and hardware design and function of the device are discussed in detail.The experimental results show that all functions of the device can be well realized.

electric vehicle；charge measurement；MC9S080Z60；ATT7053BU

TN709

：A

：1674－6236（2017）13-0143-04

2016-08-03稿件編號(hào)：201608016

江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目（BE2015132）；中國(guó)鐵路總公司科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015J002-E）

曾 潔（1965—），男，遼寧大連人，碩士，教授。研究方向：新能源汽車技術(shù)、嵌入式開發(fā)及應(yīng)用。