一种模块化电动车交流充电桩控制板的制作方法

本实用新型属于充电桩技术领域，更为具体地讲，涉及一种模块化电动车交充电桩控制板。

背景技术：

目前随着电动车(电动汽车)的普及，不同功能、满足人们不同充电需求的电动车充电桩也进入了人们的视野。与此同时，充电桩控制板的研发也面临一系列问题。

现有的交流充电桩控制板存在着器件耦合度大，设计不合理，扩展困难的缺陷，这也导致了控制板的成本不易于控制，不利于电动车充电领域的发展。如何在控制成本的前提下实现对交流充电桩控制板的模块化设计，提高其可扩展性与可维护性，成为电动车交流充电桩发展过程中需持续解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种模块化电动车交流充电桩控制板，提高其可扩展性与可维护性，以控制交流充电桩控制板生产成本。

为实现上述实用新型目的，本实用新型模块化电动车交流充电桩控制板，其特征在于，包括核板和扩展板；

所述核板又进一步包括：

一核板电源模块，用于为核板其他模块以及扩展板提供电源；

一核板MCU模块，用于控制核板数字量输入输出模块、核板串口通信模块、核板控制导引模块以及扩展板温度采集模块、扩展板模拟采集模块进行工作；

一核板数字量输入输出模块，用于当发生严重故障时，急停开关按下，数字量输入接口连接的常开触点闭合，输入高电平作为紧停信号时，接收紧停开关发送过来的紧停信号，并输出紧停控制信号给核板MCU模块，以停止交流充电桩的充电；同时，当开始充电时，核心MCU模块输出高电平，将其上的一个三极管基极电平拉高，三极管集电极和发射极导通到地，使集电极连接的继电器导通，从而启动交流充电桩的充电；

一核板串口通信模块，用于核板MCU模块与充电桩内模块器件进行数据通信，包括四个RS232通信串口、一个RS485通信串口以及一个CAN通信口，其中，四个RS232通信串口中一个用于GPRS、一个用于HMI、两个用于调试， RS485用于电表通信，每个通信串口以及CAN通信口都配用相应的驱动芯片，完成与充电桩内模块器件的数据通信；

一核板控制导引模块，用于判断充电过程中充电枪与充电的电动车是否连接完好，判断结果输入到核板MCU模块；

所述扩展板又进一步包括：

一扩展板接口模块，用于连接核板与扩展板，由输出接口模块P1以及输入接口模块P2组成，输出接口模块P1上不仅有扩展板的输出接口，控制芯片的输出量通过输出接口模块P1管脚最终达到扩展板的端子上，做到控制量输出，还有3-8转换器与4-16转换器的使能与控制管脚，控制对扩展板上的哪些IO口进行读写；扩展板端子上的输入量通过输入接口模块P2上的端口传给核板上的核板MCU模块中的控制芯片；

一扩展板数字量输入模块，由光耦合隔离器以及缓存器组成，外界接收的信号经光耦合器耦合到缓存器中，扩展板上的IO是采用轮询的方式采集，当缓存器被核板上的核板MCU模块中的控制芯片读取时，一次接收输入量的过程就结束了；

一扩展板数字量输出模块，由缓存器以及继电器组成，核板MCU模块中的控制芯片输出的控制电平先送入缓存器中缓存，之后继电器从相连的缓存器中将控制电平取出，实现控制多个交流充电桩的充电。

本实用新型的目的是这样实现的。

本实用新型模块化电动车交流充电桩控制板，采用模块化的设计模式的同时，将充电桩核心功能的一些必要模块，即核板数字量输入输出模块、核板串口通信模块以及核板控制导引模块与核板MCU模块集成到一个板即核板上，将交流充电桩的附加功能一些模板，即扩展板温度采集模块、扩展板模拟量采集模块集成到扩展板上，这样，核板集成了充电桩的所有核心功能模块，而扩展板作为核板功能的补充，集成了交流充电桩所需的一些附加功能模块，通过核板与扩展板的共同作用来控制整个交流充电桩，这样提高了充电桩控制板可扩展性与可维护性，以控制交流充电桩控制板生产成本。

附图说明

图1是本实用新型模块化电动车交流充电桩控制板一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示核板电源模块的一种具体实施方式原理示意图；

图3是图1所示核板数字量输入输出模块的一种具体实施方式原理示意图；

图4是图1所示扩展板接口模块一种具体实施方式原理示意图；

图5是图1所示扩展板数字量输入模块一种具体实施方式原理示意图；

图6是图1所示扩展板数字量输出模块一种具体实施方式原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本实用新型。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本实用新型的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本实用新型模块化电动车交流充电桩控制板(简称控制板)采用模块化的设计模式，由于采用了核板+扩展板的组合方式，可以实现对多个交流充电桩的控制与管理。

本实用新型模块化电动车交流充电桩控制板的核心功能是控制交流充电桩为电动车充电，因此一些充电所需的核心功能必不可少。核心功能包括：电量、电压、电流的采集，与用户之间进行人机交互，与远端服务器进行数据传输，判断充电枪与充电电动车的连接。为了支撑交流充电桩的这些功能，核心控制板(核板)需要一些必要模块来对应这些功能，包括：数字量输入输出模块，串口通信模块，控制导引模块等。这些模块满足了控制板控制充电的基本要求，但是核板上的空间有限，若要实现对多个交流充电桩控制的扩展，必需拥有更多的空间来承载其所需的元器件，本实用新型中所描述的扩展板即是承载这些扩展元器件的实体。

本实用新型的核板采用模块化的设计思路，合理布局，集成了充电桩所需的所有核心模块，可以驱动一路控制充电，当扩展板与核板连接时，在核心模块与扩展元器件的作用下，最多可以驱动九十六路充电。

图1是本实用新型模块化电动车交流充电桩控制板一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本实用新型模块化电动车交流充电桩控制板包括核板1和扩展板2。

1、核板

在本实施例中，如图1所示，核板又进一步包括核板电源模块101、核板MCU模块102、核板数字量输入输出模块103、核板串口通信模块104、核板控制导引模块105，下面对每个核板的构成模块进行一个详细的描述。

1.1、核板电源模块

核板电源模块101用于为核板1的其他模块以及扩展板2提供电源。在本实施例中，如图2所示，核板电源模块101由外界提供的24V电压供电，J17 端口作为电源接收端口。由于各元器件能够承受的电压不全相同，在本实施例中，共有24V、5V、3.3V三种等级。如图2(a)所示，首先将通过J17端口输入的24V电压，经过正向二极管D13输入到稳压集成电路U10(型号为B82720) 进行稳压，输出稳定的24V电压即24V IN。在输出的电压之间加入一个24V的稳压二极管D11(型号为TVS-SMCJ)，其工作原理为现有技术，在此不再赘述。如图2(b)所示，24V电压即24V IN经过交流-交流转换器U11(型号为 LM25968X-5.0)转换为5V的电压VCC；然后，如图2(c)所示，5V电压再经过一个交流-交流转换器U12(型号为tlv1117-3.3)转换为3.3V的电压。需要说明的是，图2是一个示意图，且稳压集成电路U10、交流-交流转换器U11、交流-交流转换器U12的外围电路并未画出。

这样，通过相应的转压芯片与相关电路将24V电压转化为5V电压，再将 5V转化成3.3V电压，如此即可满足各元器件的电压等级，又做到为整个模块化电动车交流充电桩控制板供电。

1.2、核板MCU模块

核板MCU模块102用于控制核板数字量输入输出模块103、核板串口通信模块104、核板控制导引模块104以及扩展板接口模块201、扩展板数字量输入模块202、扩展板数字量输出模块203。

核板MCU模块102为整个控制板的逻辑控制核心模块，其控制芯片为英飞凌的XMC4400-F100K512AB，是整个电路板的逻辑控制核心，该模块还提供了下载程序的接口与整个集成电路的复位按钮，控制芯片为3.3V供电，控制芯片外连接有若干电容，起到滤波、去耦、消除高频噪声的作用，该模块还提供了一块256K的SPI外设EEPROM，可在掉电情况下存储一些交流充电桩体上的重要信息。核板MCU模块102通过其外围电路与其他模块相连，以此达到控制整个组合电路板的目的。

1.3、核板数字量输入输出模块

在本实施例中，核板数字量输入输出模块的输入电路主要由三极管构成，输出电路主要由继电器与三极管构成。下面通过对此模块与充电桩功能的具体对应进行说明。

(1)、接收急停开关发送过来的急停信号(数字量输入)

正常状态下，急停开关为弹起状态，此时数字量输入接口为低电平。当发生严重故障时，急停开关按下，此时数字量输入接口连接的常开触点闭合，输入高电平，输入高电平作为紧停信号时，接收紧停开关发送过来的紧停信号，并发送给核板MCU模块，以停止交流充电桩的充电。在本实施例中，如图3(a) 所示，当急停开关为弹起状态，紧停信号DI1未有电平输入，由于电阻R7(2k 电阻)接地GND，数字量输入接口为低电平，即三极管Q1的基极为低电平，此外三极管Q1集电极与发射极不导通，此时，紧停控制信号DI_1与3.3V电源相连为高电平；当发生严重故障时，急停开关按下，数字量输入接口连接的常开触点闭合，输入高电平的紧停信号DI1，通过分压电阻R6(10k电阻)、R7(2k 电阻)分压，使三极管Q1基极获得适当电压，此时三极管Q1集电极与发射极导通，由于发射极接地，所以紧停控制信号DI_1由高电平变为低电平，DI_1 与核板MCU模块的控制芯片引脚连接，此时控制芯片对应引脚即输入低电平，此时，核板MCU模块输出停止信号停止交流充电桩的充电。

(2)、控制充电枪进行充电(数字量输出)：

当开始充电时，核心MCU模块输出高电平，将其上的一个三极管基极电平拉高，三极管集电极和发射极导通到地，使集电极连接的继电器导通，从而启动交流充电桩的充电。在本实施例中，如图3(b)所示，以DO_1为例，DO_1 与核板MCU模块102的控制芯片管脚DO_1直接相连。当未充电时，控制芯片 DO_1输出为低电平。若开始充电，由控制芯片DO_1输出高电平。此时三极管 Q2基极电平拉高，集电极与发射极导通。由于发射极接地，集电极变为低电平。继电器内线圈右侧接有5V电压，线圈通电，使得继电器内常开触点闭合24V 与DO1导通，启动交流充电桩的充电。

1.4、核板串口通信模块

核板串口通信模块104用于核板MCU模块102与充电桩内模块器件进行数据通信，包括四个RS232通信串口、一个RS485通信串口以及一个CAN通信口，其中四个RS232通信串口中一个用于GPRS(General Packet Radio Service 的缩写，即通用分组无线服务的简称)，一个用于HMI(Human Machine Interface 的缩写，即人机交互的简称)，两个用于调试，RS485用于电表通信，每个通信串口以及CAN通信口都配用相应的驱动芯片，完成与充电桩内模块器件的数据通信。

1.5、核板控制导引模块

核板控制导引模块105用于判断充电过程中充电枪与充电的电动车是否连接完好，判断结果输入到核板MCU模块102。

在本实施例中，控制导引端子连接充电枪，控制导引端子的PMW_OUT端口会向充电枪发出一个PMW方波，充电枪在接收到此PMW波之后会向返回一个CGV电压，控制导引端子的CGV端口接收。该CGV电压被输入到三个电压比较器之中，与24V电压经过电阻分压之后得到的3V，5V，10V电压相比较，比较之后在CGV_011、CGV_022、CGV_033中分别得到相应的高低电平，这些电平被送入控制芯片中处理后，可以得到充电枪返回的CGV电压的范围，由此可以判断充电枪是否已与电动汽车连接正常。

2、扩展板

扩展板是为交流充电本身的特性而设计的功能模块，包括扩展板接口模块 201、扩展板数字量输入模块202以及扩展板数字量输出模块203。

2.1、扩展板接口模块

扩展板接口模块201是核板与扩展板的连接部分，如图4所示，包括输出接口模块P1与输入接口模块P2。

输出接口模块P1上不仅有扩展板2的输出接口，核板1上的控制芯片的输出量通过这些管脚最终达到扩展板的输出端子上，做到控制量输出；此外，还有3-8转换器与4-16转换器的使能与控制管脚，可以做到控制对扩展板上的哪些IO口进行读写。3-8转换器采用SN74HC138D芯片，4-16转换器采用 74HC4514D芯片。输入接口模块P2是扩展板的输入接口，扩展板输入端子上的输入量最终都会通过输入接口模块P2上的这些端口传给核板1里的控制芯片。

2.2、扩展板数字量输入模块

如图5所示，扩展板数字量输入模块202由光耦合隔离器以及缓存器组成，外界接收的数字信号经光耦合器耦合到缓存器中，扩展板上的IO是采用轮询的方式采集，当缓存器被核板上的核板MCU模块中的控制芯片读取时，一次接收输入量的过程就结束了。

光耦隔离器起到防止其他信号干扰的作用。该光耦隔离器输出量本可以直接送入核板1的控制芯片，但是由于扩展板2上的IO是采用轮询的方式采集，如果直接连接到控制芯片的管脚上，存在控制芯片未来得及接收就被覆盖或者接收不到的情况，所以本实用新型将此光耦隔离器的输入量传入缓存器中，防止出现上述情况，送入缓存器的输入量则等待控制芯片控制3-8转换器对其进行轮询，当它被控制芯片读取，一次接收输入量的过程就结束了，由此可推及到扩展板上所有的IO输入。光耦隔离器与缓存器的使用使得从扩展板上接收到的外界的输入量传送到控制芯片时更加地真实可靠，使其不出现遗漏。

2.3、扩展板数字量输出模块

如图6所示，扩展板数字量输出模块203由缓存器以及继电器组成，核板 MCU模块中的控制芯片输出的控制电平先送入缓存器中缓存，之后继电器从相连的缓存器中将控制电平取出，实现控制多个交流充电桩的充电。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。