多路電能計量和充電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

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(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

在過去的幾十年里，全球電動汽車已經(jīng)有了重要的發(fā)展。以電力取代化石燃料，電動汽車一直是環(huán)境污染和能源短缺的解決方案，已引起世界各地越來越多人的關(guān)注[1]。

電動車是一種由一個或多個電動機驅(qū)動的汽車，其使用存儲在可充電電池或其他能量存儲裝置中的電能。由于技術(shù)的限制，較短的續(xù)航里程使得電動車對充電設(shè)備的需求較為迫切。因此，需要加強充電設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施以改善其網(wǎng)絡(luò)，以便為電動車用戶提供方便和有效的充電服務(wù)[2]。

電動汽車充電設(shè)備主要有3種類型：充電站、發(fā)電站和充電樁[3]。與前2種設(shè)備相比，充電樁可以靈活分布，具有體積小、安裝方便和性價比高，并且可以直接接入220 V低壓電網(wǎng)的優(yōu)點[4]，可以方便地放置在街道、居民區(qū)、工作區(qū)等停車場。

但是目前使用的電動汽車充電樁存在功能上的局限，只能實現(xiàn)單端口或雙端口充電功能，無法進行多端口獨立充電和計量[5-6]。并且由于充電樁統(tǒng)一的外形設(shè)計，其內(nèi)部空間有限，導(dǎo)致內(nèi)部功能模塊的設(shè)計較為分散，給設(shè)備故障的檢測和維護帶來不便[7]。

在此，使用多通道電能計量芯片對原有的充電樁進行重新設(shè)計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多端口獨立充電和計量。此外，通過將充電樁內(nèi)部各種零部件重新設(shè)計，拆除原有部分模塊，增加必要的元器件，以減小整個充電監(jiān)控系統(tǒng)的體積，使內(nèi)部的功能模塊能夠匹配原有的外形設(shè)計，同時也能方便進行日常維護。

1 系統(tǒng)功能與設(shè)計思路

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的主要模塊位于虛線框內(nèi)，包括主控制模塊、電能計量和系統(tǒng)監(jiān)控模塊。電能計量和系統(tǒng)監(jiān)控模塊用于計量充電功率，并對過電流、過電壓和過零進行有效檢測。通信模塊主要負責(zé)人機交互和通信，并將用于輸出測試后的結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

電能計量是電動汽車充電樁的基本功能，主要用于測量電動汽車的充電能耗。電動車輛所有者一次消耗的電量是通過將電能消耗與相應(yīng)的時間速率相結(jié)合來計算的[8-9]。因此，能量測量的準確性直接影響用戶的充電成本，也間接影響了電動汽車充電樁的經(jīng)營信譽[10]。

本研究采用多通道電能計量芯片來代替智能電能表。每個充電端口對應(yīng)一個獨立的充電通道。這樣，電動汽車充電樁只需要一個芯片而不需要多個智能電能表，大大降低了充電樁設(shè)計的成本[11]。

多通道計量芯片也可用于監(jiān)視過電壓或過電流事件。芯片配置完成后，可以自動監(jiān)測過流或過壓事件，從而降低主控芯片的CPU資源消耗，使主控CPU可以實現(xiàn)更多的功能。

該方案還將利用多通道電能計量芯片的過零信號，來調(diào)整電動車進入充電電網(wǎng)的時間。因此，在一定程度上可以抑制電動汽車進入電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波，這是傳統(tǒng)電動汽車充電樁難以實現(xiàn)的[12-14]。

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選擇STM32F107作為主處理器，ADE7816作為電能計量芯片。ADE7816支持測量1個電壓通道和多達6個電流通道，因此該程序可以同時支持最多可以連接6個充電端口。 STM32F107通過其SPI2與ADE7816進行通信。 使用2個外部中斷來實現(xiàn)過流或過壓報警和電壓過零檢測。過零檢測功能可以在一定程度上實現(xiàn)諧波抑制[15-16]。

2.1 主控制模塊的硬件設(shè)計

在主控模塊中，系統(tǒng)使用STM32F107作為處理器。它是基于Cortex-M3內(nèi)核的ST微處理器，具有2個I2C，3個SPI，2個I2S，2個CAN，5個UART，1個全速USB_OTG，1個MAC以太網(wǎng)，20個外部中斷，12個DMA，1個RTC計數(shù)電路，2個DAC和2個ADC。

2.2 電能計量和系統(tǒng)監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計

系統(tǒng)使用ADE7816作為多通道功率計芯片。ADE7816是一款單芯片功率計前端，可同時測量多達6路電流和1路電壓。ADE7816的內(nèi)部寄存器可以通過SPI或I2C接口訪問。

ADE7816可以通過專用的高速數(shù)據(jù)采集端口(HSDC)提供實時的電壓和電流瞬時值。ADE7816還提供2個用于向用戶報告緊急情況的中斷引腳，如過流、過壓和過零點。

在本文設(shè)計中，ADE7816主要用于測量能量、電壓和6路電流。通過SPI接口訪問芯片內(nèi)部寄存器。 首先，設(shè)置ADE7816過電流過電壓，然后通過定時器檢查標志寄存器，以確定是否發(fā)生過電流或過電壓事件。同樣，使電壓過零點中斷能夠找到系統(tǒng)輸入的電壓過零點，從而在零電壓時打開繼電器，這可以在一定程度上減少諧波的產(chǎn)生并有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定。

ADE7816通過VP和VN的電壓輸入引腳提供電壓測量。 同樣，當(dāng)前輸入引腳分別為IAP和IAN，IBP和IBN，ICP和ICN，IDP和IN，IEP和IN，IFP和IN。在7個模擬輸入之前還需要1個電壓或電流傳感器。

電壓傳感器原理和電流傳感器原理如圖3所示。電壓和電流傳感器將電網(wǎng)中的實際電壓(220 V)轉(zhuǎn)換為可由ADE7816測量的范圍，作為ADE7816的電壓和電流輸入，這將便于內(nèi)部DSP計算，以計算系統(tǒng)的能源價值。

圖3 電壓和電流傳感器電路原理

在圖3中，電阻R4，R5和R17需要按如下方式計算。

a.R4的計算。電阻R4用于限制輸入到電壓傳感器的電流。由于電壓傳感器的額定輸入電流為2 mA，系統(tǒng)輸入電壓為220 V，因此可以得到R4的電阻：

R4=220/2=110 kΩ

b.R5的計算。電阻R5用于限制輸入到ADE7816的輸入電壓。由于ADE7816的電壓引腳輸入電壓瞬時值在-500～+ 500 mV之間，因此電壓傳感器的比率為1∶1?？梢愿鶕?jù)R4的值進一步計算R5的電阻：

c.R17的計算。電阻R17用于限制ADE7816電流輸入引腳的電壓。電動汽車充電樁輸出電流有32 A和16 A 2種規(guī)格，由于系統(tǒng)所需充電方式為“一拖六”，系統(tǒng)使用32 A的總電流過大，因此16 A將設(shè)置為每個充電通道的額定電流。根據(jù)電流互感器比例(2 000∶1)，可以計算出電流互感器的輸出電流：

I=16/2 000=8 mA

由于ADE7816當(dāng)前引腳電壓輸入的瞬時值的范圍為-500～+ 500 mV，因此可以下式計算出R17的電阻：

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)程序使用C語言編寫。在編程時采用模塊化的思想，將主控制模塊分為電能計量模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和通信模塊。其中，電能計量模塊包括電流采集模塊、電壓采集模塊和電力采集模塊。狀態(tài)監(jiān)測模塊包括過流檢測模塊、過壓檢測模塊和電壓過零檢測模塊。該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件的組成

3.2 電流和過電壓檢測編程

當(dāng)發(fā)生過壓事件時，ADE7816將通過外部中斷主動提示STM32F107，所以程序?qū)⒈恢糜赟TM32F107的外部中斷服務(wù)功能中。

如果查詢結(jié)果是過壓事件，則需要斷開繼電器的所有通道。如果查詢結(jié)果是過流事件，則需要繼續(xù)查詢ADE7816以獲取過流事件的通道編號，并斷開相應(yīng)通道的繼電器。該部分的程序流程如圖5所示。

圖5 過電流和過電壓檢測編程流程

3.3 過零檢測編程

過零檢測主要用于控制電動汽車在電網(wǎng)電壓零點的出入，盡可能減少電網(wǎng)諧波干擾。類似于過壓事件，當(dāng)發(fā)生過零事件時，ADE7816將通過另一個外部中斷主動提示STM32F107，并進入STM32F107的外部中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，首先翻轉(zhuǎn)STM32F107的輸出引腳，創(chuàng)建頻率為50 Hz的方波信號，以擴展使用需要交叉信號的外圍設(shè)備。然后根據(jù)充電狀態(tài)確定繼電器的閉合或斷開。充電狀態(tài)分為4種類型，即待機狀態(tài)、準備狀態(tài)、充電狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)。如果當(dāng)前狀態(tài)為就緒狀態(tài)，則需要關(guān)閉繼電器并將狀態(tài)改變?yōu)槌潆姞顟B(tài); 如果當(dāng)前狀態(tài)是結(jié)束狀態(tài)，則需要斷開繼電器并將狀態(tài)轉(zhuǎn)換為待機狀態(tài)[17]。該部分的程序流程如圖6所示。

圖6 過零檢測編程流程

4 測試結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)采集與過電流和過電壓檢測

盡管系統(tǒng)沒有顯示模塊，但STM32F107的USART1將直接用于數(shù)據(jù)傳輸，即通過USB至UART轉(zhuǎn)換器將測量的能量數(shù)據(jù)發(fā)送至PC。然后數(shù)據(jù)將打印在名為串口調(diào)試助手的軟件上。在串口調(diào)試助手中，顯示6個通道電壓值、電流值和電量值，并觀察上述采集的數(shù)據(jù)是否正確。通過人工操作模擬過電壓和過電流事件，并將結(jié)果以同樣的方式打印到串行調(diào)試助手，以觀察系統(tǒng)過電流過電壓事件檢測結(jié)果。通過實驗程序表明，該系統(tǒng)能夠準確地采集上述數(shù)據(jù)，并能及時發(fā)現(xiàn)過電壓和過電流事件。

4.2 零交叉信號跟蹤功能測試

對電壓零交叉信號的跟蹤功能可以實現(xiàn)一定程度的諧波抑制功能。當(dāng)電壓接近零點時，控制電動汽車對電網(wǎng)的接入，就會降低電網(wǎng)諧波對接入產(chǎn)生的干擾。在這個測試中，輸入電壓和電壓零交叉信號引腳分別連接到示波器的2個通道。所得示波器波形如圖7所示。

圖7 過零信號跟蹤功能測試

圖7中,正弦波表示輸入電壓信號，幅值為200 mV，方波為電壓零交叉信號，幅值為2 V。由圖7可知，輸入電壓的過零點上升邊緣與電壓零交叉信號過零和下降邊緣基本重合，因此具有一定的電壓零交叉跟蹤功能。

5 結(jié)束語

將多通道電能計量充電監(jiān)控系統(tǒng)按照模塊化的思想劃分為不同的功能模塊，詳細介紹各個模塊，包括工程設(shè)計、硬件和軟件。最后，通過原型調(diào)試和功能測試的原理，驗證了能量測量和系統(tǒng)監(jiān)測的功能，測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致。基于本文所提的專業(yè)化充電計量和監(jiān)控設(shè)計，能夠有效簡化充電樁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為充電設(shè)備尤其是多用戶充電設(shè)備的智能化、輕量化發(fā)展提供技術(shù)途徑，對推廣充電樁的安裝和使用具有積極意義。

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