王茜 姚锋娟 齐婵 吴冬 刘非非（天津平高智能电气有限公司，天津 300304）

控制装置是交流充电桩的核心组成，可实现精确计量、窃电检测、安全保护、自动打印票据等功能。交流充电桩的控制装置由三部分组成，即硬件、软件和数据库。目前市场上的交流充电桩，充电效率较快，但是智能化程度有待提高。为了进一步优化用户的使用体验，设计一款精确计费、智能充电、安全可靠的交流充电桩控制装置，对充电桩建设和电动汽车发展有一定的推动作用。

1 交流充电桩控制装置的硬件设计

1.1 主板设计

主板芯片选择71M6534H 专用电能计量芯片，基本配置如下：（1）采用16 位MPU，提供专用的ICE 仿真器接口，可支持MPC 程序的在线仿真调试；（2）提供32 位数字信号处理器，可实现对电能的精确、快速计算；（3）提供4KB 的外部数据存储器以及512KB 的Flash 存储器；（4）提供22 位的A/D 转换器，转换时间为3 个CK32 周期。除此之外，还有SPI 和I2C 两路异步串行通信接口，以及10 个外部中断源。

1.2 充电插头设计

充电插头有7 个端子，在连接电动汽车的充电插座后，可自动识别电池类型，并智能选择与之匹配的充电模式，向电动汽车提供16A 和32A 两种交流电流。各个端子的电气参数如表1 所示。

表1 充电插头端子电气参数

充电插头内部设有导引电路。在充电插头与电动汽车插座连接后，启动导引电路对连接状态和额定电流参数进行判断。导引电路中设有4 个电压感应芯片，可通过检测有无电压来判断充电插头与电动汽车的充电插座是否正常连通。在确认正常连通后开始充电。在充电期间，引导电路实时监测感应芯片的脉冲占空比和电压状态。设定最低脉冲占空比为40%，最低电压为6V。若检测到实际值低于40%或6V，则自动停止充电，起到保护电气设备的作用。

1.3 I/O 硬件接口设计

71M6534H 芯片自带2 个异步串行通信接口，其中UART0负责串口通信，UCRT1 则负责红外远程抄表。但是交流充电桩的外围设备与主板之间进行通信，需要更多的串口。为了满足通信需要，必须要在现有串口的基础上进行扩展。本文选择SP3739 串口扩展芯片，实现1:5 串口电路扩展。扩展方式如图1所示。

图1 I/O 接口扩展电路示意图

SP3739 芯片可将71M6534H 芯片的一个I/O 接口，扩展为7 个可独立使用的串口，并且支持串口基本参数（如波特率、数据帧长度等）的独立设置。SP3739 芯片输出的TTL 电平，电压范围在0-5V；71M6534H 芯片的引脚电压范围在0-3.3V。为满足71M6534H 芯片电流驱动电路的运行要求，引入了74HC235 驱动芯片，通过隔离、放大输出电压的方式，满足电流驱动要求。

2 交流充电桩控制装置的软件设计

2.1 下位机软件设计

2.1.1 电能计量设计

硬件连接完成后，上位机检测到开始正常充电，发送电能计量指令至下位机，再通过下位机负责进行电能计量。该模块的运行流程为：

（1）独立的数值计算引擎（CE）接收下位机操作指令后启动运行，并完成初始化，各项参数归零复位。

（2）微处理器开始轮询所有事件，包括LCD 驱动器、温度传感器、RAM 以及RTC 等。若发现电能计量模块中某个元件未复位，则强制复位。直到完成一遍主循环，并确定全部处于待机状态后，CE 计量引擎发出XFER_BUSY 中断，其作用是检测CE 数据更新标志是否被置位。

（3）若成功置位，则清除标志位后，开始计算电量。在整个充电期间，CE 计量引擎按照预设程序，每隔一定频率发送一次XFER_BUSY 中断，电能计量模块进行一次判定。直到检测到CE 数据更新标志不再复位后，说明电动汽车的电池已经被充满电，此时结束电量计算，退出程序。单项交流电路有功功率计算公式为：

对功率时间积分后得出消耗的电能，计算公式如下：

下图2 为单相电路有功电能的接线，要求电能表的电流线圈与电源线一致，或者电流互感器的一次绕组也必须与电源线一致，其中的电压线圈必须接在电源的相线与零点中间，而且标记有“*”的一侧是电源端，需要与电源线相连。

图2 单相电路接线图

（4）同时将最终的电量计算结果反馈至上位机，再通过上位机将电量数据通过液晶显示屏展示给用户。电能计量模块的运行流程如图3 所示。

图3 电能计量运行设计图

2.1.2 故障报警设计

（1）按照故障危害程度，需要设计两种类型，第一层设置是紧急故障，包括主控开关、急停开关失效、过流保护器拒动等；第二次设置是普通故障，包括有显示器乱码、POS 机异常、柜门无法自动闭合等。

（2）当出现紧急故障，须在故障发生后有MCU 同步响应，进行报警或者断电保护。在设计故障检测程序时，需应用定时器，并设定中断周期为1s。这样MCU 每1s 完成一次检测，保证发生紧急故障后立即处理。对于普通故障，则设定中断周期为5s，降低MCU 运行负荷。

（3）系统初始化后，定时器中断处于打开状态，此时定时器投入运行。如上位机发送RTC 中断指令后，下位机做出响应并执行RTC 中断程序，此时开始进行紧急故障检测，检测到有故障时，需根据故障识别结果，将对应的故障标志位置位。在主循环程序中，同步开展普通故障检测，步骤同上。

（4）无论是紧急故障还是普通故障，都需要对故障标志的真伪性进行判断。若判断为“假”，则返回主程序，继续进行故障检测；若判断为“真”，则进行报警。直到管理员处理故障之后，系统再次判定确认故障已经消除，则警报自动解除。故障报警模块的运行流程如图4 所示。

图4 故障检测与报警设计图

2.2 上位机软件设计

上位机软件即后台管理系统，其核心是3 个并行循环程序，即数据发送与接收程序、主循环程序和异常处理程序。数据收发的设计可直接调用动态链接库中存储的收发函数，对主循环程序进行设计后可支持管理员通过人机交互界面进行操作指令设置，一般操作指令有通信的波特率、设备的基本参数等。管理员登录后台管理系统后，在主界面上选择“参数配置”或者“数据库操作”选项。在选择参数配置时，管理员主要设置启动设备、计时设备、动作保护装置等设备的基本参数；在数据库操作选项中，管理员的操作权限有查询历史记录、添加或删除历史记录。后台管理系统的界面如图5 所示。

图5 后台管理系统的界面

2.3 基于LabVIEW 的数据库访问技术

LabVIEW 是一种常见的编程语言，能够保证文本语言效率高、图形化表达更加直观。由于LabVIEW 程序不能直接连接和访问数据库，因此要想将充电桩上的海量信息传输至后台管理系统，必须要借助于其他工具，在设计环节如下：

（1）利用LabVIEW 平台自带的ActiveX 功能，通过调用Microsoft ADO 插件的方式，为LabVIEW 访问数据库提供间接通道，并利用Microsoft ADO 插件重新进行底层编程。

（2）接着需要安装LabSQL 工具包，将底层复杂的ADO 程序和SQL 语言，统一封装后存储在虚拟器中。用户每次访问数据库时，运行虚拟器后实现LabSQL 的自动加载，即可正常访问数据库。

3 交流充电桩控制装置智能充电的实现

完成软、硬件设计后，可利用交流充电桩控制系统实现智能充电，整个过程共分为4 个阶段：

3.1 充电握手阶段。充电插头和电动汽车充电插座完成物理连接，并顺利通电后，进入充电握手阶段。后台系统实时收集前端参数，判断电池是否充满或存在电压异常。如果有上述情况，则发送错误报文。

3.2 若判定条件不满足，则进入充电参数配置阶段。包括估算电池剩余容量、设置最高充电电流或电压、最高允许充电温度等。

3.3 参数设置完毕，进入充电阶段。充电过程中实时判断电池是否充满。若判断结果为“是”，则发送错误报文。

3.4 若判定条件不满足，则进入充电结束阶段，自动完成断电。智能充电流程如图6 所示。

图6 交流充电桩智能充电设计

4 结论

本文设计的基于71M6534H 芯片的交流充电桩控制系统，可对充电状态进行实时监测，对所充电能进行精确计量，当电池充满后自动断电并将账单信息通过显示屏呈示给用户，具有智能化、安全性、便捷性等优势，应用前景广阔。