一種應用于直流充電機計量計費一體裝置研制

陸春光，袁 健

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

1 引言

隨著充換電服務網絡及充換電相關安全性能的日趨完善，電動汽車的普及和應用前景非常廣闊，直流快速充電機的需求也將越來越大[1]。充電機是電動汽車用戶與電網之間實現交互的橋梁，涉及到電能計量、計費的準確性等問題，因此需要一種可靠可信的技術手段來滿足雙方要求，提高充電機計量計費的可靠性和公信力。

目前，電動汽車直流充電機計量方案如圖1所示，采用直流電能表外附分流器的方式進行電能計量，電流經過分流器時進行電流采樣，采樣信號接入直流電能表進行計量，由于分流器與直流表分離，并未采用一體化設計進行封裝，導致分流器在使用過程中存在被更換的可能，容易產生糾紛，缺少公信力。

直流充電機電能計量單元和計費控制單元采用分離式安裝，各部分之間功能重復，利用率低，兩個功能單元在充電機內部占用較大空間，布局連接麻煩，增加了充電機成本；各單元之間的連接復雜，同時也增加了操作安裝的難度。

直流充電機在城市范圍內分布較為分散，而且固定安裝后只能通過實負荷測試的方式對充電機進行現場檢定[2]，檢定效率低，操作復雜，成本較高，給后續檢定和使用中檢定帶來了相當大的困難。直流充電機的電流采樣電路基于錳銅分流器設計，充電時電流變化較大，最大可以達到300A，會造成分流器溫度升高，阻值發生變化，取樣電流誤差增大，而且一次側和二次側之間沒有電隔離[3]，存在安全隱患。

本文針對直流充電機電能計量單元和計費控制單元應用的瓶頸，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；另一方面設計了一種適用于充電機行業的便于安裝及定時拆回獨立進行檢定的計量計費一體化裝置，采用電能計量單元與計費控制單元一體化設計，將電能計量單元與計費控制單元、零磁通電流互感器封裝于同一殼體，可對模塊及接線端子施加封印，完全替代了原有的電能計量單元和計費控制單元，避免了目前直流充電機電能計量方式下更換分流器、篡改接線等行為，減少貿易糾紛，節約成本，節省空間，有效保證直流充電機電能計量、計費的準確性及安裝檢定的要求，提高充電機計量計費的可靠性和公信力，具有較高的推廣價值。

圖1 當前直流充電樁計量方案

2 充電機計量計費一體裝置功能

充電機計量計費一體裝置基于嵌入式系統基礎上進行研制開發，采用高精度計量芯片完成模擬數字量轉換，數字量經微處理器的處理轉化成可操作數據，具有快速響應、一致性好、精度高、低功耗、傳輸距離長、長期穩定可靠等特點，無須校準，不受電源噪音及電壓波動等干擾影響。

充電機計量計費一體裝置通過電能計量單元和計費控制單元搭接硬件資源，實現計量計費、人機交互、控制充電機啟停、與車聯網平臺通信等功能，如圖2所示。電能計量單元完成電能計量的功能，計費控制單元完成計費控制的功能，兩個單元不分主次，功能獨立，相互監測，而又互不影響。兩個單元之間通過RS485進行通信，完成相關信息交互。

圖2 工作原理示意圖

模擬量的采集功能，是通過裝置內嵌的電阻分壓器和零磁通電流互感器完成對電壓和電流輸入信號采集，并上送給電能計量單元。電能計量單元的顯示功能是通過液晶顯示屏與電能計量CPU連接，用于顯示當前測量的電流、電壓和累計電能信息。檢定和檢測功能是通過指定的脈沖接口給檢測設備提供脈沖信號，完成計量功能的檢測和校準。人機交互功能，是通過讀卡器、加密芯片和充電卡與計費控制單元進行交互流程認證，完成充電計費。充電控制實現控制充電機啟停的功能，而對外通信功能，實現了充電機與車聯網平臺的數據交互。

3 硬件設計

3.1 電源模塊

充電機計量計費一體裝置采用直流電源供電方式，供電范圍為19.2V-28.8V，經穩壓、濾波后分別給計量單元和計費控制單元供電，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計，有效避免干擾，提高計量精度。電源模塊架構圖如圖3所示。

圖3 電源模塊架構圖

電源模塊從直流充電機內部取電，經穩壓電路、濾波電路等轉換成12V直流電壓和5V直流電壓，5V電壓為單獨的485電路工作電壓，與12V電壓相互隔離，互不干擾；12V電壓分別給計費控制單元和電能計量單元供電，兩個單元的電源通過隔離芯片隔離，經DC-DC芯片轉換為需要的電壓。計費控制單元的工作電源為12V 2.5A，電能計量單元的工作電源為3.3V 1A。

3.2 電能計量單元

電能計量單元負責直流充電機輸出能量的計量，并將采集到的電壓、電流和電能量信息通過RS485發送給計費控制單元，如圖4所示。

圖4 電能計量單元架構圖

現有直流充電機采樣電路采用的分流器為純電阻元件，一次側和二次側之間沒有電隔離，散熱能力和抗干擾能力有限，在密閉空間內通以大電流將會導致分流器表面達到上百度的高溫，不利于充電機計量計費一體裝置內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行電流采樣，將電流取樣信號提供給計量單元，通過電阻分壓器進行電壓采樣，利用專用計量芯片對電壓信號、電流信號進行模擬或數字乘法，將得到的電壓和電流等數據通過SPI上傳給CPU進行電能累計。時鐘電路為電能計量單元提供時鐘功能，采用具有溫度補償功能的內置硬件時鐘電路，具有日歷、計時功能。時鐘電路設有時鐘電池，當發生充電機意外斷電故障時，時鐘電池可繼續供電，完成當前數據的保存功能。EEPROM用于存儲電能計量單元電能計量相關信息，可以存儲不同用戶不同時段的用電信息，當充電機斷電時，電能計量CPU把斷電前的相關信息存于EEPROM中保護起來，達到斷電不丟失電能信息的目的。

3.3 計費控制單元

計費控制單元負責與用戶進行交互，完成充電模式選擇、充電設備控制、充電費用計算，如圖5所示。

圖5 計費控制單元架構圖

計費控制單元使用TI AM3354處理器，運行主頻800MHz，運行溫度為-40℃～+85℃，確保產品在惡劣環境下運行穩定、可靠。配置有6路數字信號輸入接口，內部采用光耦進行隔離，通過CPU的IO檢測管腳，檢測外接高低電平狀態。同時提供了6路5A 250VAC/30VDC經繼電器隔離的數字輸出接口，用戶使用時只需要發送相應的命令，由計費控制CPU通過控制IO引腳進行常閉和常開之間的切換。RS232串口用于與外置讀卡器進行通信，并為外置讀卡器提供5V工作電源。CAN接口由CPU串口通過轉換芯片進行實現，用于與電動汽車的BMS通信，實現對電動汽車電池的電量測量，支持CAN總線與充電控制器進行通信。

考慮到與車聯網平臺通信以及現場維護的需要，計費控制單元配置有2路自適應10M/100M的百兆以太網接口，由核心板CPU控制PHY芯片實現，對外連接器物理形式為標準網線插座。雙百兆以太網接口，3G/4G模塊雙SIM卡座，GPRS模塊，可以滿足不同環境下的網絡傳輸需求。內置的藍牙模塊，方便用戶非接觸式通信。

ESAM是整個計費控制單元的安全核心，負責計費控制單元進行參數設置、預存電費和信息返寫操作時的安全認證，對數據加密解密處理，以確保數據傳輸的安全性和完整性。所有與外部用戶進行交互的數據均通過ESAM進行加密，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芯片進行工作，完全符合計費控制單元加密要求，并最大化節省串口資源。

4 軟件設計

充電機計量計費一體裝置的軟件部分依托硬件結構，分為板件層、中間層和應用層，板件層主要是進行底層元器件的驅動與元器件的交互；中間層主要是進行板件層同應用層的交互，統一程序接口給應用層；應用層主要是進行數據庫的調用，數據的計算與液晶的顯示。

根據軟件分層，軟件系統框架如圖6所示。數據采集模塊程序完成對信號的采集，數據計算模塊依托CPU主程序，完成對功率、功率因數等信息的計量與處理，CPU主程序完成顯示、通信及信息的存儲。

圖6 軟件系統架構圖

為了方便與外部控制器通信，CS5463型計量芯片集成有一個簡單的三線串行接口SPI，該接口主要通過三根線進行數據傳輸，包括同步時鐘和兩條數據線。串行接口集成了帶有發送、接收緩沖的狀態機，狀態機在系統時鐘引腳SCLK的上升沿解析8位命令字，根據對命令的解碼執行相應的操作，或者為被尋址的寄存器的數據傳輸做準備，內部寄存器都是24位。

圖7和圖8分別指示出串行接口緩沖區的寫、讀時序。數據的讀和寫通過向SDI引腳寫入相應的8位命令字（高位在前）來啟動。當命令包含寫操作時、串口將在下面24個SCLK周期記錄SDI引腳的數據（從高位開始）。寄存器寫指令必須跟24位數據，一旦收到數據，狀態機便將數據寫入配置寄存器，然后等待下一個命令。啟動命令后，串行接口將在后續8個、16個或24個SCLK周期啟動SDO引腳上的寄存器進行內容轉移（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，微控制器可以同時發送新指令，并立即執行新指令，同時終止讀操作。

圖7 SPI寫時序圖

圖8 SPI讀時序圖

5 測試結果

為驗證已研制充電機計量計費一體裝置的功能及其可靠性，針對裝置進行了誤差測試。在保持參比電壓穩定的情況下，針對不同輸入電流工況下的模塊進行誤差測試，測試數據見表1。在保持參比電流穩定的情況下，針對不同輸入電壓工況下的模塊進行誤差測試，測試數據見表2。從表1和表2可以看出，誤差都在允許范圍內。

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 結束語

本文針對電動汽車直流充電機計量和計費控制應用遇到的瓶頸，研制了一種新型計量計費一體裝置。該裝置集成了目前充電機計量計費方案中涉及結算的分流器、直流電能表和計費控制單元，成為可以模塊化設計和制造的一體化裝置，具備充電電能計量、計費及相關控制功能。作為充電機計量、計費的一體化裝置，與充電機整流、充電控制、保護等功能相對獨立。計量計費一體裝置接口部位的結構、尺寸和參數標準化，容易實現各裝置之間的互換，從而滿足更大數量的不同產品的需要。此外，可對計量計費一體裝置及接線端子進行封印，避免封印整個充電機，為充電機的檢修提供便利，同時也便于檢定人員拆回獨立進行檢定，避免攜帶大型儀器設備進行現場檢定，明顯提高檢定工作的效率。

隨著電動汽車的進一步推廣，作為主要充電設施的直流充電機得到進一步普及，考慮到一體性、獨立性、互換性和便利性的需要，計量計費一體裝置將成為直流充電機的優選配置，裝置的研制將對直流充電機乃至電動汽車的發展帶來一定積極影響。