本实用新型涉及直流充电机控制技术领域，具体为一种直流充电机的三级架构控制系统。
背景技术：
随着新能源车的持续发展，不同的应用场合对充电机提出了越来越细致的需求，除了传统的一机一充、一机双充，细分场合还提出了一机四充、一机六充、一机八充或其他一机多充等不同需求。另一方面，充电机本身也比较复杂，既涉及到电气安全、与车辆交互、交直流变换、环境控制，又涉及到人机交互、与监控平台交互等。因此，如何合理的设计充电机的控制系统，使之既满足充电机本身的功能、性能等要求；又能在不同的应用场合快速给出充电解决方案，从而缩短研发周期、降低成本、增强竞争力，成为了摆在充电机制造企业面前的一道难题。
另外，现有充电机的控制系统大多为整体设计，部分元器件出现故障后，需要对控制系统进行整体更换，提高了维护成本。
技术实现要素：
本实用新型旨在提供一种直流充电机的三级架构控制系统，设置有四个模块化设计的充电控制单元、安全管理单元、UI控制单元以及功率分配单元，使得器件互换性较好；并且通过对各模块进行合理组合使用，能够快速给出充电解决方案、缩短研发周期、降低成本。
实现上述目的的技术方案是：一种直流充电机的三级架构控制系统，其特征在于：包括安装在充电机的充电箱内的UI控制单元、与充电机的充电枪数量相对应的多个充电控制单元；
充电控制单元包括集成在第一线路板上的第一主控芯片以及分别与第一主控芯片连接的充电枪信号采集及控制电路、第一继电器控制电路、第一CAN通讯接口电路、第一RS485接口电路、第一温度检测电路、第一开关量采集电路、第一电压采样电路、第一电流采样电路；
所述充电枪信号采集及控制电路用于充电机对应充电枪的信号采集和控制，第一继电器控制电路设置有多个，每个充电机的输出接触器对应连接一个第一继电器控制电路，第一开关量采集电路设置有多个，每个充电机的输出接触器的辅助触点对应连接一个第一开关量采集，第一电压采样电路设置有两个，分别用于充电机的输出接触器的输入、输出端的电压信号采集，第一电流采样电路用于充电机直流输出的电流采集，第一RS485接口电路设置有两个、分别用于连接充电机的绝缘检测模块和直流电表；
UI控制单元包括集成在第二线路板上的第二主控芯片以及分别与第二主控芯片连接的USB接口电路、RJ45接口电路、RS232接口电路、第二开关量采集电路、第二继电器控制电路、第二RS485接口电路、第二CAN通讯接口电路、SD卡接口电路、扬声器驱动电路；
RS232接口电路设置有多个，充电机的触摸屏、读卡器以及GPRS模块分别连接一个RS232接口电路，RJ45接口电路用于连接以太网，扬声器驱动电路用于连接充电机的喇叭；
UI控制单元的第二CAN通讯接口电路、充电控制单元的第一CAN通讯接口电路之间通讯连接。
进一步地，所述直流充电机还包括安全管理单元，安全管理单元包括集成在第三线路板上的第三主控芯片、分别与第三主控芯片连接的第三开关量采集电路、第二温度检测电路、第三继电器控制电路、第三CAN通讯接口电路、第五CAN通讯接口电路、第三RS485接口电路以及与第二温度检测电路连接的热敏电阻；
充电机的充电箱内还安装有烟雾报警装置、照明灯、防雷器，在充电箱的侧壁上还安装有风扇，充电箱的箱门上还安装有急停开关，充电箱还设置有门锁行程开关，第三开关量采集电路、第三继电器控制电路均设置有多个，防雷器、门锁行程开关、烟雾报警装置分别对应连接一个第三开关量采集电路，照明灯、风扇分别对应连接一个第三继电器控制电路，急停开关的常开触点连接一个第三开关量采集电路，急停开关的常闭触点串接在充电机的输入接触器的线圈与一个第三继电器控制电路之间；
安全管理单元的第三CAN通讯接口电路、UI控制单元的第二CAN通讯接口电路、充电控制单元的第一CAN通讯接口电路之间通讯连接，安全管理单元的第五CAN通讯接口电路用于与充电机的AC/DC模块组之间通讯连接。
进一步地，所述第三线路板上还集成有与第三主控芯片连接的三维坐标加速度检测电路。
进一步地，所述第三线路板上还集成有与第三主控芯片连接的电压跟随器电路，充电箱的底部还安装有与电压跟随器电路连接的水位传感器。
进一步地，三级架构控制系统还包括泄放电路，泄放电路的控制端与第一主控芯片连接，泄放电路包括集成在第一线路板上的控制电路以及安装在充电箱内的泄放电阻；
充电箱内还安装有用于泄放电阻温度采集的温度传感器，温度传感器与第一温度检测电路连接。
进一步地，三级架构控制系统还包括功率分配单元，功率分配单元包括集成在第四线路板上的第四主控芯片以及与第四主控芯片连接的第四开关量采集电路、第四继电器控制电路、第四RS485接口电路，第四继电器控制电路设置有多个，分别用于控制充电机的功率分配接触器，第四开关量采集电路有多个，分别用于功率分配接触器的通断信号采集；
功率分配单元的第四RS485接口电路与安全管理单元的第三RS485接口电路之间通讯连接。
进一步地，所述充电枪信号采集及控制电路包括集成在第一线路板上、并与第一主控芯片连接的第二电压采样电路、第四CAN通讯接口电路、第三温度检测电路、第四温度检测电路、电子锁检测电路、电子锁驱动电路，第二电压采样电路、第三温度检测电路、第四温度检测电路、电子锁检测电路、第四CAN通讯接口电路、电子锁驱动电路分别与对应充电枪的接线端子连接，第四CAN通讯接口电路用于与电动车辆电池管理系统通讯连接。
本实用新型的有益效果：
1)本实用新型的充电机将充电控制单元、安全管理单元、UI控制单元以及功率分配单元进行了独立的模块化设计，通用性强，可扩展能力强，针对一机一充、一机双充、一机四充、一机六充、一机八充或其他一机多充等不同机型，不需重新设计，只需合理的组合使用，能够快速给出充电解决方案、缩短研发周期、降低成本。
2）本实用新型的充电机将充电控制单元、安全管理单元、UI控制单元以及功率分配单元进行了独立的模块化设计，可根据故障情况定位到具体的控制单元，便于排查，维护量小，降低了成本。
3）本实用新型的充电机将充电控制单元、安全管理单元、UI控制单元以及功率分配单元进行了独立的模块化设计，可以对故障单元直接更换、方便快捷。
附图说明
图1为三级架构控制系统的原理图；
图2为直流充电机的原理图；
图3为充电控制单元的原理图；
图4为UI控制单元的原理图；
图5为安全管理单元的原理图；
图6为功率分配单元的原理图。
具体实施方式
本实用新型公开了一种直流充电机的三级架构控制系统，用于对直流充电机进行控制。
如图2所述，现有直流充电机包括依次串接的断路器1、输入接触器2，输入接触器2的输出端可以根据需要设置多个相互并联的AC/DC模块组3，每个AC/DC模块组3可包含一个或多个AC/DC模块，本实施设置两个AC/DC模块组3，AC/DC模块组3的输出端分别连接充电枪5，本实施例的充电枪采用永贵电器生产、销售的型号为YGC762-EV-P9P的充电枪。
AC/DC模块组3输出端的正极分别通过正极输出接触器4连接充电枪5的正极，AC/DC模块组3输出端的负极分别通过负极输出接触器10连接充电枪5的负极，断路器1的输出端旁接有防雷器57，正极输出接触器4和负极输出接触器10的输出端分别旁接有绝缘检测模块6，正极输出接触器4和负极输出接触器10的输入端分别旁接有泄放电路8，AC/DC模块组3的负极端分别串接有分流器7，分流器7的两端并联有直流电表9，直流电表9的电压端并联在AC/DC模块组3的输出端。
两个AC/DC模块组3输出端的正极之间连接有功率分配正极接触器58，两个AC/DC直流电源模块组3输出端的负极之间连接有功率分配负极接触器59，通过控制功率分配正极接触器58和功率分配负极接触器59的断开和闭合，可以控制实现充电枪的功率分配。本实施例为两枪充电机，对于多枪充电机原理相同，均通过在AC/DC直流电源模块组3的输出端之间连接功率分配接触器、并通过控制功率分配接触器的通断实现功率分配，为本领域公知技术。
泄放电路8为本领域常用技术，本实施例的泄放电路可以采用（但不限于）专利号为：201720125753.4公开的一种具有控制反馈的高压直流能量泄放控制电路，包括高压直流能量泄放控制电路23和泄放电阻76，具体的工作原理不在赘述。
如图1所示，三级架构控制系统包括充电控制单元70、安全管理单元71、UI控制单元72，配合两个及以上充电枪5的充电机还设置有功率分配单元73。
每把充电枪5对应一个充电控制单元70，如图3所示，充电控制单元70包括集成在第一线路板14上的第一主控芯片11以及分别与第一主控芯片11连接的第一温度检测电路17、充电枪信号采集及控制电路12、多个第一继电器控制电路13、多个第一CAN通讯接口电路15、多个第一RS485接口电路16、多个第一开关量采集电路18、多个第一电压采样电路19、多个第一电流采样电路20，泄放电路8的控制端与第一主控芯片11连接，泄放电路8的泄放电阻76安装在充电箱内，除泄放电阻76外的高压直流能量泄放控制电路23集成在第一线路板14上，充电箱内还安装有用于测量泄放电阻76温度的温度传感器21。
充电枪信号采集及控制电路12包括与第一主控芯片11连接的第二电压采样电路22、第三温度检测电路23、第四温度检测电路24、第四CAN通讯接口电路80，电子锁检测电路25、电子锁驱动电路26，第二电压采样电路22、第三温度检测电路23、第四温度检测电路24、第四CAN通讯接口电路80、电子锁检测电路25、电子锁驱动电路26分别与对应充电枪5的接线端子对应连接，其中第四CAN通讯接口电路80用于与电动车辆的电池管理系统连接。
充电枪5对应的正极输出接触器4、负极输出接触器10的控制端分别连接一个第一继电器控制电路13，充电枪5对应的正极输出接触器4、负极输出接触器10的辅助触点分别对应连接一个开关量采集电路27，直流电表9、绝缘检测模块6的通讯端分别对应连接一个第一RS485接口电路16，每把充电枪5对应的正极输出接触器4和负极输出接触器10的输入、输出端分别连接第一电压采样电路19，每把充电枪5对应的AC/DC直流电源模块组3的输出端均串联一个第一电流采样电路20。
充电控制单元70的第一继电器控制电路13、第一CAN通讯接口电路15、第一RS485接口电路16、第一开关量采集电路18、第一电压采样电路19、第一电流采样电路20的数量可以多于实际使用需求，便于功能扩展。
如图4所示，UI控制单元72包括集成在第二线路板27上的第二主控芯片28以及分别与第二主控芯片28连接的SD卡接口电路37、扬声器驱动电路38、RJ45接口电路30、多个第二继电器控制电路34、多个第二RS485接口电路35、多个RS232接口电路31、多个第二CAN通讯接口电路36、多个USB接口电路29、多个第二开关量采集电路33。
充电机对应设置有触摸屏39、读卡器40、GPRS模块41和喇叭42 ，触摸屏39、读卡器40、GPRS模块41和喇叭42均为充电机常用器件，具体安装位置在此不再细述。GPRS模块41、触摸屏39、读卡器40分别对应连接一个RS232接口电路31， RJ45接口电路30用于连接以太网43，喇叭42与扬声器驱动电路38连接。
UI控制单元72的第二开关量采集电路33、第二继电器控制电路34、第二RS485接口电路35、第二CAN通讯接口电路36的数量可以多于实际使用需求，便于功能扩展。
如图5所示，安全管理单元71包括集成在第三线路板44上的第三主控芯片45、分别与第三主控芯片45连接的多个第三开关量采集电路46、多个第二温度检测电路47、多个第三继电器控制电路48、多个第三CAN通讯接口电路49、第五CAN通讯接口电路81、三维坐标加速度检测电路91、电压跟随器电路90、多个第三RS485接口电路50以及与第二温度检测电路17连接的热敏电阻51。
充电箱的底部还安装有与电压跟随器电路90连接的水位传感器92，充电箱内还安装有烟雾报警装置52、照明灯53、门锁行程开关56，充电箱的侧壁上还安装有风扇54和急停开关55，防雷器57、门锁行程开关56、烟雾报警装置52分别对应连接一个第三开关量采集电路46，照明灯53、风扇54分别对应连接一个第三继电器控制电路48，急停开关55的常开触点连接一个第三开关量采集电路46，急停开关55的常闭触点串接在输入接触器2的线圈与一个第三继电器控制电路48之间。
安全管理单元71的第三开关量采集电路46、第二温度检测电路47、第三继电器控制电路48、第三CAN通讯接口电路49、第三RS485接口电路50的数量可以多于实际使用需求，便于功能扩展。
如图6所示，功率分配单元73包括集成在第四线路板60上的第四主控芯片61以及与第四主控芯片61连接的第四开关量采集电路62、第四继电器控制电路63、第四RS485接口电路64，功率分配正极接触器58、功率分配负极接触器59的控制端分别对应连接一个第四继电器控制电路63，功率分配正极接触器58、功率分配负极接触器59的辅助触点分别对应连接一个第四开关量采集电路62。
充电控制单元的一个第一CAN通讯接口电路15、UI控制单元的一个第二CAN通讯接口电路36、安全管理单元的一个第三CAN通讯接口电路49之间通讯连接。
安全管理单元71通过第五CAN通讯接口电路81与AC/DC模块组3连接；功率分配单元的一个第四RS485接口电路64、安全管理单元的一个第三RS485接口电路50之间通讯连接。
本实用新型的充电流程：
用户把充电枪5插入电动车辆插座后，对应充电控制单元70通过第二电压采样电路22检测电压信号发生变化，并传递给第一主控芯片11，第一主控芯片11通过CAN通讯传递给UI控制单元72的第二主控芯片28，第二主控芯片28一方面通过RS232接口电路31控制触摸屏40文字提示用户刷卡启动充电，另一方面通过扬声器驱动电路38驱动喇叭42，语音提示用户刷卡启动充电。
用户进行刷卡操作，UI控制单元的读卡器39识别到该信号，并通过RS232接口电路31传递给第二主控芯片28，第二主控芯片28一方面通过CAN通讯通知第三主控芯片45闭合输入接触器2给AC/DC模块组3供电；另一方面通过CAN通讯通知第一主控芯片11进行绝缘检测，绝缘检测完毕通过泄放电路8进行残余电压泄放，然后开始启动充电。
当充电机自动充满，UI控制单元72的第二主控芯片28通过扬声器驱动电路38控制喇叭42语音提示用户刷卡结算。
用户刷卡结算后，UI控制单元72的第二主控芯片28一方面通知第一主控芯片11，主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制正极输出接触器4和负极输出继电器10断开，并通过电子锁驱动电路25解开充电枪5的电子锁；另一方面通过扬声器驱动电路38控制喇叭42语音提示用户把充电枪5插回充电机上的插座。
UI控制单元的工作原理：
UI控制单元72是跟人机交互、与监控平台交互相关的部分，在用户使用过程中，充电机会对充电机的状态、下一步的操作等进行语音提示，该功能是第二主控芯片28通过扬声器驱动电路38对喇叭42的控制实现的。
充电机具有与监控平台交互的功能，该功能是第二主控芯片28通过RS232接口电路对GPRS模块的控制或通过RJ45接口电路跟以太网通讯实现的。
充电机具有刷卡（M1/CPU卡）充电功能，能通过刷卡启动充电和停止充电。该功能是第二主控芯片28通过RS232接口电路31对读卡器40的信号识别并通知第一主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制正极输出接触器4、负极输出继电器10相应动作和通知第三主控芯片45通过第三继电器控制电路48控制输入接触器2相应动作实现的。
充电机具有人机交互功能，该功能是第二主控芯片28通过RS232接口电路31对触摸屏39的控制实现的。
安全管理单元的工作原理：
烟雾报警装置52检测到烟雾时发出报警信号，该信号通过第三开关量采集电路46被安全管理单元71的第三主控芯片45接收，第三主控芯片45通过第三继电器控制电路48控制输入接触器2断开；若此时充电机正在充电，第三主控芯片45还会通过CAN通讯给所有充电控制单元70的第一主控芯片11发送停止充电信息，第一主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制所有充电枪5对应的正极输出继电器4、负极输出继电器10断开，并通过CAN通讯通知第二主控芯片28，通过GPRS模块41或以太网43向监控平台告警，可保证充电人员以及周围行人的人身安全，避免发生安全事故。
当发生紧急情况时，按下急停开关55，由于急停开关55的常闭触点与输入接触器2的控制线圈串联，按下后输入接触器2的控制线圈供电断开，从而断开输入接触器2；若此时正在充电，第三主控芯片45还会通过CAN通讯给所有充电控制单元70的第一主控芯片11发送停止充电信息，第一主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制所有充电枪5对应的正极输出继电器4、负极输出继电器10断开，停止充电，并通过CAN通讯通知第二主控芯片28，通过GPRS模块41或以太网43向监控平台告警。
充电箱在开、关门状态下，门锁行程开关56会有断开、闭合的变化，当充电箱的箱门打开时，门锁行程开关56断开，该信号通过第三开关量采集电路46被安全管理单元71的第三主控芯片45接收，第三主控芯片45通过第三继电器控制电路48控制输入接触器2断开；若此时充电机正在充电，第三主控芯片45还会通过CAN通讯给所有充电控制单元70的第一主控芯片11发送停止充电信息，第一主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制所有充电枪5对应的正极输出继电器4、负极输出继电器10断开，并通过CAN通讯通知第二主控芯片28，通过GPRS模块41或以太网43向监控平台告警，可保证充电人员以及周围行人的人身安全，避免发生安全事故。
同时，第三主控芯片45根据该信号通过第三继电器控制电路48控制照明灯53在充电箱的箱门打开时点亮，关闭时熄灭，实现了能源节约。
当充电箱内部温度升高时，热敏电阻51阻值会变化，可被第三主控芯片45通过第二温度检测电路47检测到，达到第一预设温度时，第三主控芯片45通过第三继电器控制电路48控制风扇54投入，降低充电箱内部的温度，若温度持续升高达到第二预设温度时，第三主控芯片45通过第三继电器控制电路控制输入接触器2断开；若此时充电机正在充电，第三主控芯片45还会通过CAN通讯给所有充电控制单元70的第一主控芯片11发送停止充电信息，第一主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制所有充电枪5对应的正极输出继电器4、负极输出继电器10断开，并通过CAN通讯通知第二主控芯片28，通过GPRS模块41或以太网43向监控平台告警，避免发生安全事故。
防雷器57检测到雷击事故时发出报警信号，该信号通过第三开关量采集电路46被安全管理单元71的第三主控芯片45接收，第三主控芯片45通过第三继电器控制电路48控制输入接触器2断开；若此时充电机正在充电，第三主控芯片45还会通过CAN通讯给所有充电控制单元70的第一主控芯片11发送停止充电信息，第一主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制所有充电枪5对应的正极输出继电器4、负极输出继电器10断开，并通过CAN通讯通知第二主控芯片28，通过GPRS模块41或以太网43向监控平台告警，避免发生安全事故。
水位传感器92输出跟水位相对应的的电压信号，通过电压跟随器电路90被安全管理单元71的第三主控芯片45接收，达到预设值时，判定充电机已被水浸入，第三主控芯片45通过第三继电器控制电路48控制输入接触器2断开，避免安全事故。
三维坐标加速度检测电路91通过检测三个维度的加速度，当加速度超过预定值时，第三主控芯片45通过第三继电器控制电路48控制输入接触器2断开，并通过CAN通讯通知第二主控芯片28，通过GPRS模块41或以太网43向监控平台告警，此功能可使充电机在地震、撞击、被盗（移动）时避免触电等安全事故。
功率分配单元73的工作原理：
1）若仅一个充电枪5连有电动车辆且其对应的AC/DC模块组3功率满足电动车辆需求，则第四主控芯片61通过第四继电器控制电路63控制功率分配正极接触器58、功率分配负极接触器59断开并通过第四开关量采集电路62反馈的信号判断功率分配正极接触器58和功率分配负极接触器59是否正确动作；
2）若仅一个充电枪5连有电动车辆但其对应的AC/DC模块组3功率不能满足电动车辆需求，则第四主控芯片61通过第四继电器控制电路63控制功率分配正极接触器58、功率分配负极接触器59闭合并通过第四开关量采集电路62反馈的信号判断功率分配正极接触器58和功率分配负极接触器59是否正确动作；
3）若两个充电枪5都在给电动车辆充电，则第四主控芯片61通过第四继电器控制电路63控制功率分配正极接触器58、功率分配负极接触器59断开并通过第四开关量采集电路62反馈的信号判断功率分配正极接触器58和功率分配负极接触器59是否正确动作。
若功率分配正极接触器58或功率分配负极接触器59未正确动作，则功率分配单元73通过第四RS485接口电路64通知安全管理单元71的第三主控芯片45，第三主控芯片45一方面通过第三继电器控制电路48控制输入接触器2断开，另一方面还会通过CAN通讯给所有充电控制单元70的第一主控芯片11发送停止充电信息，第一主控芯片11通过第一继电器控制电路13控制所有充电枪5对应的正极输出继电器4、负极输出继电器10断开，停止充电。