陆春光，袁 健

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

1 引言

随着充换电服务网络及充换电相关安全性能的日趋完善，电动汽车的普及和应用前景非常广阔，直流快速充电机的需求也将越来越大[1]。充电机是电动汽车用户与电网之间实现交互的桥梁，涉及到电能计量、计费的准确性等问题，因此需要一种可靠可信的技术手段来满足双方要求，提高充电机计量计费的可靠性和公信力。

目前，电动汽车直流充电机计量方案如图1所示，采用直流电能表外附分流器的方式进行电能计量，电流经过分流器时进行电流采样，采样信号接入直流电能表进行计量，由于分流器与直流表分离，并未采用一体化设计进行封装，导致分流器在使用过程中存在被更换的可能，容易产生纠纷，缺少公信力。

直流充电机电能计量单元和计费控制单元采用分离式安装，各部分之间功能重复，利用率低，两个功能单元在充电机内部占用较大空间，布局连接麻烦，增加了充电机成本；各单元之间的连接复杂，同时也增加了操作安装的难度。

直流充电机在城市范围内分布较为分散，而且固定安装后只能通过实负荷测试的方式对充电机进行现场检定[2]，检定效率低，操作复杂，成本较高，给后续检定和使用中检定带来了相当大的困难。直流充电机的电流采样电路基于锰铜分流器设计，充电时电流变化较大，最大可以达到300A，会造成分流器温度升高，阻值发生变化，取样电流误差增大，而且一次侧和二次侧之间没有电隔离[3]，存在安全隐患。

本文针对直流充电机电能计量单元和计费控制单元应用的瓶颈，一方面采用零磁通电流互感器替代分流器，完成模拟量采集；另一方面设计了一种适用于充电机行业的便于安装及定时拆回独立进行检定的计量计费一体化装置，采用电能计量单元与计费控制单元一体化设计，将电能计量单元与计费控制单元、零磁通电流互感器封装于同一壳体，可对模块及接线端子施加封印，完全替代了原有的电能计量单元和计费控制单元，避免了目前直流充电机电能计量方式下更换分流器、篡改接线等行为，减少贸易纠纷，节约成本，节省空间，有效保证直流充电机电能计量、计费的准确性及安装检定的要求，提高充电机计量计费的可靠性和公信力，具有较高的推广价值。

图1 当前直流充电桩计量方案

2 充电机计量计费一体装置功能

充电机计量计费一体装置基于嵌入式系统基础上进行研制开发，采用高精度计量芯片完成模拟数字量转换，数字量经微处理器的处理转化成可操作数据，具有快速响应、一致性好、精度高、低功耗、传输距离长、长期稳定可靠等特点，无须校准，不受电源噪音及电压波动等干扰影响。

充电机计量计费一体装置通过电能计量单元和计费控制单元搭接硬件资源，实现计量计费、人机交互、控制充电机启停、与车联网平台通信等功能，如图2所示。电能计量单元完成电能计量的功能，计费控制单元完成计费控制的功能，两个单元不分主次，功能独立，相互监测，而又互不影响。两个单元之间通过RS485进行通信，完成相关信息交互。

图2 工作原理示意图

模拟量的采集功能，是通过装置内嵌的电阻分压器和零磁通电流互感器完成对电压和电流输入信号采集，并上送给电能计量单元。电能计量单元的显示功能是通过液晶显示屏与电能计量CPU连接，用于显示当前测量的电流、电压和累计电能信息。检定和检测功能是通过指定的脉冲接口给检测设备提供脉冲信号，完成计量功能的检测和校准。人机交互功能，是通过读卡器、加密芯片和充电卡与计费控制单元进行交互流程认证，完成充电计费。充电控制实现控制充电机启停的功能，而对外通信功能，实现了充电机与车联网平台的数据交互。

3 硬件设计

3.1 电源模块

充电机计量计费一体装置采用直流电源供电方式，供电范围为19.2V-28.8V，经稳压、滤波后分别给计量单元和计费控制单元供电，两路电源之间相互隔离、互不干扰。采样电路与电源电路分离设计，有效避免干扰，提高计量精度。电源模块架构图如图3所示。

图3 电源模块架构图

电源模块从直流充电机内部取电，经稳压电路、滤波电路等转换成12V直流电压和5V直流电压，5V电压为单独的485电路工作电压，与12V电压相互隔离，互不干扰；12V电压分别给计费控制单元和电能计量单元供电，两个单元的电源通过隔离芯片隔离，经DC-DC芯片转换为需要的电压。计费控制单元的工作电源为12V 2.5A，电能计量单元的工作电源为3.3V 1A。

3.2 电能计量单元

电能计量单元负责直流充电机输出能量的计量，并将采集到的电压、电流和电能量信息通过RS485发送给计费控制单元，如图4所示。

图4 电能计量单元架构图

现有直流充电机采样电路采用的分流器为纯电阻元件，一次侧和二次侧之间没有电隔离，散热能力和抗干扰能力有限，在密闭空间内通以大电流将会导致分流器表面达到上百度的高温，不利于充电机计量计费一体装置内部其他元器件的正常工作。本文采用零磁通电流互感器替代分流器进行电流采样，将电流取样信号提供给计量单元，通过电阻分压器进行电压采样，利用专用计量芯片对电压信号、电流信号进行模拟或数字乘法，将得到的电压和电流等数据通过SPI上传给CPU进行电能累计。时钟电路为电能计量单元提供时钟功能，采用具有温度补偿功能的内置硬件时钟电路，具有日历、计时功能。时钟电路设有时钟电池，当发生充电机意外断电故障时，时钟电池可继续供电，完成当前数据的保存功能。EEPROM用于存储电能计量单元电能计量相关信息，可以存储不同用户不同时段的用电信息，当充电机断电时，电能计量CPU把断电前的相关信息存于EEPROM中保护起来，达到断电不丢失电能信息的目的。

3.3 计费控制单元

计费控制单元负责与用户进行交互，完成充电模式选择、充电设备控制、充电费用计算，如图5所示。

图5 计费控制单元架构图

计费控制单元使用TI AM3354处理器，运行主频800MHz，运行温度为-40℃～+85℃，确保产品在恶劣环境下运行稳定、可靠。配置有6路数字信号输入接口，内部采用光耦进行隔离，通过CPU的IO检测管脚，检测外接高低电平状态。同时提供了6路5A 250VAC/30VDC经继电器隔离的数字输出接口，用户使用时只需要发送相应的命令，由计费控制CPU通过控制IO引脚进行常闭和常开之间的切换。RS232串口用于与外置读卡器进行通信，并为外置读卡器提供5V工作电源。CAN接口由CPU串口通过转换芯片进行实现，用于与电动汽车的BMS通信，实现对电动汽车电池的电量测量，支持CAN总线与充电控制器进行通信。

考虑到与车联网平台通信以及现场维护的需要，计费控制单元配置有2路自适应10M/100M的百兆以太网接口，由核心板CPU控制PHY芯片实现，对外连接器物理形式为标准网线插座。双百兆以太网接口，3G/4G模块双SIM卡座，GPRS模块，可以满足不同环境下的网络传输需求。内置的蓝牙模块，方便用户非接触式通信。

ESAM是整个计费控制单元的安全核心，负责计费控制单元进行参数设置、预存电费和信息返写操作时的安全认证，对数据加密解密处理，以确保数据传输的安全性和完整性。所有与外部用户进行交互的数据均通过ESAM进行加密，选用支持ISO7816接口的ESAM芯片，采用ESAM和PSAM两种封装形式，可选择切换使用其中任一封装形式的ESAM芯片进行工作，完全符合计费控制单元加密要求，并最大化节省串口资源。

4 软件设计

充电机计量计费一体装置的软件部分依托硬件结构，分为板件层、中间层和应用层，板件层主要是进行底层元器件的驱动与元器件的交互；中间层主要是进行板件层同应用层的交互，统一程序接口给应用层；应用层主要是进行数据库的调用，数据的计算与液晶的显示。

根据软件分层，软件系统框架如图6所示。数据采集模块程序完成对信号的采集，数据计算模块依托CPU主程序，完成对功率、功率因数等信息的计量与处理，CPU主程序完成显示、通信及信息的存储。

图6 软件系统架构图

为了方便与外部控制器通信，CS5463型计量芯片集成有一个简单的三线串行接口SPI，该接口主要通过三根线进行数据传输，包括同步时钟和两条数据线。串行接口集成了带有发送、接收缓冲的状态机，状态机在系统时钟引脚SCLK的上升沿解析8位命令字，根据对命令的解码执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备，内部寄存器都是24位。

图7和图8分别指示出串行接口缓冲区的写、读时序。数据的读和写通过向SDI引脚写入相应的8位命令字（高位在前）来启动。当命令包含写操作时、串口将在下面24个SCLK周期记录SDI引脚的数据（从高位开始）。寄存器写指令必须跟24位数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器，然后等待下一个命令。启动命令后，串行接口将在后续8个、16个或24个SCLK周期启动SDO引脚上的寄存器进行内容转移（从高位开始），寄存器读指令可以终止在8位的边界上，读寄存器时，微控制器可以同时发送新指令，并立即执行新指令，同时终止读操作。

图7 SPI写时序图

图8 SPI读时序图

5 测试结果

为验证已研制充电机计量计费一体装置的功能及其可靠性，针对装置进行了误差测试。在保持参比电压稳定的情况下，针对不同输入电流工况下的模块进行误差测试，测试数据见表1。在保持参比电流稳定的情况下，针对不同输入电压工况下的模块进行误差测试，测试数据见表2。从表1和表2可以看出，误差都在允许范围内。

表1 参比电压下的基本误差

表2 参比电流下的基本误差

6 结束语

本文针对电动汽车直流充电机计量和计费控制应用遇到的瓶颈，研制了一种新型计量计费一体装置。该装置集成了目前充电机计量计费方案中涉及结算的分流器、直流电能表和计费控制单元，成为可以模块化设计和制造的一体化装置，具备充电电能计量、计费及相关控制功能。作为充电机计量、计费的一体化装置，与充电机整流、充电控制、保护等功能相对独立。计量计费一体装置接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现各装置之间的互换，从而满足更大数量的不同产品的需要。此外，可对计量计费一体装置及接线端子进行封印，避免封印整个充电机，为充电机的检修提供便利，同时也便于检定人员拆回独立进行检定，避免携带大型仪器设备进行现场检定，明显提高检定工作的效率。

随着电动汽车的进一步推广，作为主要充电设施的直流充电机得到进一步普及，考虑到一体性、独立性、互换性和便利性的需要，计量计费一体装置将成为直流充电机的优选配置，装置的研制将对直流充电机乃至电动汽车的发展带来一定积极影响。