一种充电桩控制器的制作方法

本发明涉及充电桩技术领域，特别是涉及一种充电桩控制器。

背景技术：

电动汽车作为一种能实现“零排放”的环保、清洁、节能型产品，是未来汽车产业的发展方向，为实现该行业由萌芽期向成长期的转换过程，相应与之配套的电动汽车充电设施占汽车整车的比例也越来越高，且存在着功能越来越复杂、功率越来越大、emc要求越来越高的发展趋势；上述技术的发展，使得对电动汽车充电控制器的集成度、可靠性及节能增效等方面的要求也越来越高。

目前现有技术的充电桩主要分为两种类型：

一种是简易型充电桩，只具备简单的充电功能，不具备丰富的显示功能，不具备必要的软硬件保护功能，不具备三相输出功能，也不具备公共运营功能。

另一种是以arm9为核心的高配置充电桩，包含控制板主体、设置在控制板主体上的cpu微控制器、以及与cpu微控制器电性连接的掉电检测电路、控制导引电路、辅助电源、rs485电表通信接口、输入输出接口等，其它防雷器、断路器、接触器、电表等则需单独与控制器进行电气连接，这种结构的充电桩，其电气接线复杂，非常容易造成强弱电电缆相互缠绕，其器件占用空间大、集成电源模块和驱动电路热损耗也比较大，使得设备不但效率低、体积大、重量大，而且emc相互干扰严重，降低了整个产品运行的可靠性及稳定性。虽然此种充电桩的控制器较为先进，但是其控制器成本较高，且控制器的软件编程复杂，整体结构松散，灵活性比较低，在大规模使用充电桩时，成本控制是个弊病。

此外，现有充电桩控制器大多采用外购的板载电源模块，往往会造成发热严重、板子电路布局不灵活、emc效果差等问题，很难达到更高标准的要求。想要通过emc测试，很多厂家都是通过加大电源模块的前端滤波电容及相关的电感或者单独外加滤波器来解决问题的，此种解决方式，不但成本高，而且待机功耗也大，从而在正常使用中给消费者带来一定的负面影响。

综上，随着新能源事业的高速发展，对交流桩控制器提出了越来越高的要求，现有技术的充电桩虽然具备了基本的交流充电功能，但充电桩系统迫切需要一种集成度更高、可靠性更好的控制器。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，并提供一种充电桩控制器，该充电桩控制器的成本较低，集成度高，体积小，具有较高的灵活度及可靠性，其功能丰富，且结构简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种充电桩控制器，包括输入输出模块、辅助电源模块、控制器模块和接口模块；所述输入输出模块用于为自身及辅助电源模块的供电；所述辅助电源模块连接所述输入输出模块和控制器模块，用于为所述控制器模块和接口模块供电；所述控制器模块连接所述输入输出模块、辅助电源模块和接口模块，用于接收所述输入输出模块和接口模块传输的数据，并对所述数据进行处理，从而实现对所述输入输出模块和接口模块的控制；

所述输入输出模块包括输入端口、防雷电路、充电参数计量单元、主继电器控制电路、粘连检测电路、以及输出端口；所述防雷电路与所述输入端口连接，所述粘连检测电路与所述输出端口连接；

所述辅助电源模块的输入端与所述防雷电路连接，所述辅助电源模块的输出端分别与所述控制器模块和接口模块连接。

对上述技术方案的进一步改进是：

所述辅助电源模块和防雷电路之间还连接有滤波电路。

所述辅助电源模块包括电源控制芯片和变压器，所述变压器包括骨架和磁芯，所述变压器的绕法为：先在骨架的最底层绕满一层屏蔽层，再绕初级，最后绕其余的次级。

所述充电参数计量单元包括计量芯片、三相电压采样电路和三相电流采样电路。

所述输入输出模块还包括漏电检测电路、接地检测电路、控制导引电路和rj45调试维护电路。

所述漏电检测电路包括互感器和锁存电路。

所述接口模块包括通讯模块、rs485电表通信电路时钟模块、喂狗电路、数据存储单元、以及指示灯电路。

所述rs485电表通信电路包括收发驱动芯片、上拉电阻、下拉电阻、热敏电阻和tvs管。

所述主继电器控制电路和粘连检测电路集成设置，所述主继电器控制电路包括继电器和三极管控制电路，所述三极管控制电路用于使继电器的保持电压低于启动电压。

所述充电桩控制器还包括两路温度检测电路，分别是cpu温度检测电路和主继电器温度检测电路；所述cpu温度检测电路用于检测所述控制器模块的温度；所述主继电器温度检测电路用于检测所述主继电器控制电路中主继电器的温度。

根据本发明的技术方案可知，本发明的充电桩控制器，包括输入输出模块、辅助电源模块、控制器模块和接口模块，在满足充电桩充电功能的同时，更具备了其他一些实用功能。其输入输出模块集成了充电参数计量单元，节省了外置交流电表的配置，既节约了成本的投入，又缩小了整个控制器的体积，集成度得到有效提高。采用主继电器控制电路，代替传统的交流接触器及复杂的电气接线，其电气结构相对简单，且与使用外置三相电表和三相交流接触器传统方案相比，硬件成本至少能节省一半。其功能非常丰富，集成了防雷电路、粘连检测电路、及接口模块等，提高了控制器的安全可靠性，同时也为控制器与其它设备交互提供了方便。

附图说明

图1为本发明实施例充电桩控制器的总体框架原理示意图。

图2为本发明实施例防雷电路的结构示意图。

图3为本发明实施例漏电检测电路的结构示意图。

图4为本发明实施例的漏电检测电路的控制原理示意图。

图5为本发明实施例的接地检测电路的结构示意图。

图6为本发明实施例的接地检测电路的实测数据图。

图7为本发明实施例的充电参数计量单元的计量芯片的结构示意图。

图8为本发明实施例的充电参数计量单元的三相电压采样电路的结构示意图。

图9为本发明实施例的充电参数计量单元的三相电流采样电路的结构示意图。

图10为本发明实施例的主继电器控制电路和粘连检测电路集成结构示意图。

图11为本发明实施例的控制导引电路的结构示意图。

图12为本发明实施例的rj45调试维护电路的结构示意图。

图13为本发明实施例的本地升级usb接口的结构示意图。

图14为本发明实施例的辅助电源模块的结构示意图。

图15为本发明实施例的滤波电路的结构示意图。

图16为本发明实施例的辅助电源模块的变压器的结构示意图。

图17为本发明实施例的蓝牙模块的结构示意图。

图18为本发明实施例的4g模块的结构示意图。

图19为本发明实施例的rs485电表通信电路的结构示意图。

图20为本发明实施例的温度检测电路的结构示意图。

图21为本发明实施例的时钟模块的结构示意图。

图22为本发明实施例的喂狗电路的结构示意图。

图23为本发明实施例的指示灯电路的结构示意图。

图24为本发明实施例的数据存储单元的结构示意图。

图25为本发明实施例的控制器模块的结构示意图。

图26为本发明实施例的电源转换及掉电检测电路的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1至图26所示，为本发明实施例充电桩控制器的示意图。

实施例1：如图1所示，本实施例的充电桩控制器，包括输入输出模块、辅助电源模块、控制器模块和接口模块；所述输入输出模块用于为自身及辅助电源模块的供电；所述辅助电源模块ac-dc连接所述输入输出模块和控制器模块mcu，用于为所述控制器模块和接口模块供电；所述控制器模块连接所述输入输出模块、辅助电源模块和接口模块，用于接收所述输入输出模块和接口模块传输的数据，并对所述数据进行处理，从而实现对所述输入输出模块和接口模块的控制。

所述输入输出模块包括输入端口、防雷电路、漏电检测电路、接地检测电路、充电参数计量单元、主继电器控制电路、粘连检测电路、控制导引电路、rj45调试维护电路、以及输出端口；所述防雷电路与所述输入端口连接，所述粘连检测电路与所述输出端口连接。

如图2所示，所述防雷电路包括陶瓷气体放电管和压敏电阻等，所述陶瓷气体放电管的一端接地。此电路除可实现防雷功能外，还可防止因电压浪涌而导致的后端器件损坏，并可以改善emc性能。

如图3所示，所述漏电检测电路包括芯片u24、锁存电路和互感器，集成了漏电检测功能，实现了a型漏电保护，所述芯片u24型号为fm2147，所述互感器为电流漏电流一体式互感器。当检测到漏电流信号时，fm2147输出一个持续约30ms的脉冲信号，脉冲信号经过锁存电路进入锁存状态。为了给处理器足够的处理时间，此处加入了一个锁存电路，该电路一方面可以将漏电状态锁定留给处理器足够的时间检测、处理漏电，另一方面可以避免当漏电发生在输出端，漏电触发断开主继电器，而使漏电信号消失的情况，如漏电信号消失则容易让处理器芯片漏误判，复充又漏电，导致进入死循环状态。同时该集成设计与传统设计相比省去了外置a型漏电保护器件，既节省了成本，又缩小了体积，具有较高的集成度。漏电检测电路的控制原理如图4所示，首先，对漏电流采样，经过分压、滤波后，到达漏电检测ic，触发锁存电路进入锁存状态，经控制器模块mcu处理检测后，对锁存电路进行复位，锁存电路或芯片控制继电器断开。

如图5所示，接地检测电路包括多个分压电阻、二极管和电容，具有接地检测和l、n反接检测功能，l线与地线间用大于10mω的电阻分压，然后经二极管整流，得到一个稳定的直流电压，通过检测这个直流电压的电压值来判断地线是否接入、l/n是否反接；分压电阻串联两颗电容，主要是为了加大绝缘阻抗，以满足国标里＞10mω绝缘阻抗的需求。

如图6所示，为该接地检测电路的实测数据，从数据中可以看出，输入电压与分压线性相关，所以判断时需结合实际的输入电压进行判断。该接地检测电路还可以判断零线与火线是否反接，当反接时，相当于零线对地线分压，此时分压值为0v。

如图7-9所示，所述充电参数计量单元，包括计量芯片、三相电压采样电路和三相电流采样电路。三相交流电计量功能集成于单板上，其计量芯片u20型号为rn8302b，涉及三相电压采样和三相电流采样。其三相电压采样通过电压互感器zmpt107-1进行采样，三相电流采样通过二级电流互感器ct-082k-2.0(40a/(20ma))转换信号进行采样。电压信号差分输入计量芯片u20，u20计算出充电电压，配合采集到的电流值进行功率计算，实现计量计费功能。计量芯片u20，在5000：1的动态范围内，其非线性误差<0.1％，满足0.5s和0.2s+级有功电能表的精度要求，共有7路adc通道，采样电压范围±800mv，采样后数据由spi接口传输到控制器模块。该设计与传统设计相比省去了外置三相交流电表，节省成本，缩小体积，集成度高。

如图10所示，所述主继电器控制电路和粘连检测电路集成设置，所述主继电器控制电路包括继电器和三极管控制电路，所述三极管控制电路用于使继电器的保持电压低于启动电压。为满足产品接线简单和体积小巧的要求，本实施例中使用自带粘连检测功能的ahes4191型继电器，粘连检测功能由继电器的机械联动实现，只需从弱电侧检测联动开触点的开合，即可判断主触点是否粘连。为了降低继电器的发热，在电路中加入了三极管控制电路，使继电器的保持电压低于启动电压，降低继电器励磁线圈的发热，从而降低继电器的发热。同时，为在漏电的情况下，继电器能够快速的断开，在控制端接入漏电触发继电器断开的信号。该设计与传统设计相比省去了外置三相交流接触器及复杂的电气接线，节省成本，缩小体积，集成度高，结构简单。

如图11所示，所述控制导引电路，其cp信号为能够产生0％-100％占空比的pwm信号，为交流桩与汽车之间的握手信号，设计cp的信号是pwm经推挽电路放大后得到，为检测cp电压的幅值又不影响cp，采用运放搭建的电压跟随电路对cp的电压进行检测。为灵活应对市场的需求，此处，还加入了cp拉至0v的电路。

如图12和图13所示，所述rj45调试维护电路包括本地升级usb接口，为更方便的进行产品调试、维护、升级，设计时由主板引出了usb0、uart0、uart6用于调试和维护，usb0采用标准的usb插座usb-af-180，uart0和uart6经rj45接口引出，同时使用esd管esdu5v0h4防止静电伤害。

如图14所示，所述辅助电源模块ac-dc的输入端与所述防雷电路连接，所述辅助电源模块的输出端分别与所述控制器模块和接口模块连接。所述辅助电源模块和防雷电路之间还连接有滤波电路。

如图15所示，所述滤波电路包括陶瓷气体放电管、二极管、励磁线圈和电阻等。此电路可以抑制电流浪涌及滤波，从而保护后方的辅助电源模块。

如图16所示，所述辅助电源模块包括电源控制芯片和变压器等，其电源控制芯片ua1采用tny278p型芯片，该芯片具备最低的系统成本及更出色的灵活性。其次级u1采用tl431反馈环路，经过光耦op1对tny278p(ua1)进行调节，设计电路输出12v/1a。同时变压器tm1使用efd20骨架和pc40磁芯，设计最底层n1先均匀密绕，绕满一层屏蔽层；然后均匀密绕，绕初级n2；最后绕其余的次级n3、n4和n5，其中n3和n4采用同层并绕，n5采用居中疏绕。该绕法使辅助电源模块在工作时，减少了变压器匝间对地分布电容，emc效果好；其中，设计tny278p的ds预留ca2，d1预留rc，可以为emc的整改提供条件。经实际验证该辅助电源模块能抗雷击浪涌四级(差模±2kv，共模±4kv)，emc传导和辐射余量都很大，将近10db余量。同时该集成设计与传统设计相比省去了外置辅助电源模块和防雷器，布局灵活，节省成本，缩小体积，集成度高。

所述接口模块包括通讯模块、rs485电表通信电路、温度检测电路、时钟模块、喂狗电路、急停功能电路、数据存储单元、以及指示灯电路。

如图17和图18所示，所述通讯模块包括蓝牙模块(图17)、wifi模块和4g模块(图18)。可自由选配蓝牙或是4g为上行通道，蓝牙模块采用昇润的hy-40r204c，hy-40r204c是一款基于ble4.2协议的模块，具有稳定、兼容性好、小尺寸等特点，方便了现场维护升级；4g模块使用有方n720，n720是一款基于高通平台的4g全网通工业级模块，支持国内移动/电信/联通三大运营商的2g/3g/4g网络制式，集成度高。

如图19所示，所述rs485电表通信电路包括收发驱动芯片、上拉电阻、下拉电阻、tvs管和热敏电阻等，其收发驱动芯片采用可自发自收的sn65hvd82，其最大数据传输速率为250kbps；其满足差模、共模电压的输入范围为-7v—12v。为了提高差模信号的稳定性，在485a上增加上拉电阻，在485b上增加下拉电阻，该设计在发送1数据时通过上拉电压和下拉接地形成正确的电平。在485a和485b上串接贴片热敏电阻，防止高幅值脉冲。在a、b线上分别加tvs管，做钳压保护。sn65hvd82收发控制引脚是通过pnp三极管控制，当未发送数据时控制器模块发送端高电平导致ic芯片处于数据接收模式，该芯片在发送高电平接收脚接收的高电平幅值会降低0.4mv左右。该集成可方便用户选择外接电表计量方式，灵活应对市场需求。

如图20所示，所述温度检测电路有两路，分别是mcu温度检测电路和主继电器温度检测电路；所述mcu温度检测电路用于检测所述控制器模块的温度；所述主继电器温度检测电路用于检测所述主继电器控制电路中主继电器的温度。温度采样采用贴片的ntc热敏电阻，分别在控制器模块端与功率继电器端放置ntc热敏电阻，根据热敏电阻阻值随温度的近似线性变化，来检测温度。

如图21所示，所述时钟模块，为保证时钟的稳定可靠，其控制器u14带有一个外部实时钟，型号为rx-8025t，u14通过i²c与处理器通信，时钟走时误差不大于0.5s/天，在恶劣环境下具有温度补偿机制以保证时钟的准确性且具备和主站对时的功能，对时误差不超过±3s。为确保在外部时钟在掉电时也能保持时间正常，在时钟模块中加入了一次性锂电池er14250/t(bt1)和供电电压切换电路，使时钟模块具有掉电时钟保持功能。

如图22所示，所述喂狗电路，可以防止程序跑飞，提高产品的可靠性，采用内、外结合方式进行喂狗，其看门狗芯片u18选用sn74hc4060pw，正常工作时，36s内控制器模块需要喂一次狗。当36s内控制器模块没有喂狗，则sn74hc4060pw输出高电平，n1导通，将系统3v3电源控制引脚拉低，系统发生复位。

如图23所示，所述指示灯电路包括指示灯板、串转并芯片、收发器和急停遥信电路。所述指示灯电路使用了1路pwm，采用收发器sn74hct245nsr配合指示灯板上的串转并芯片，控制指示灯板满足呼吸和流水的灯效，另外加入1路遥信用于控制急停按钮，提供急停功能。

如图24所示，所述数据存储单元，使用外扩的一个128mb的nandflashs34ml01g200tfi00，外部flash可存储交易记录、事件、告警信息、充电过程、系统参数等数据。

如图25所示，所述控制器模块，采用了nuc980dk61yc，拥有300mhz内核工作频率，处理数据位宽32bit，软件采用linux操作系统，性能完全满足目前市场充电桩需求。

如图26所示，所述充电桩控制器还可以包括电源转换及掉电检测电路，主电源经lv2842xlvddcr(u2)组成的dc-dc电路降压输出5v，为3.3v电源、4g模块、usb、看门狗芯片、漏电检测芯片、指示灯、rs485、rtc芯片供电。5v电源经ldotps73733(u3)输出3.3v，为1.2v电源、1.8v电源、mcu、计量ic、调试串口、以太网ic、nandflashic、蓝牙模块供电，tps73733为可控ldo，通过控制en脚的电平来控制是否输出，利用此脚，结合电源转换及掉电检测电路、喂狗电路、及控制器模块mcu组成一个闭合的电源控制系统。使用的超级电容主要用于掉电后继续为3.3v电源供电，使控制器模块mcu有足够的时间完成必要数据的存储。电源转换及掉电检测电路采用控制芯片um809(u7)，当发生掉电时，主电源停止工作，12v电源电压最先跌落，紧接着5v电源电压跌落，um809输出低电平，告知控制器模块mcu掉电了。

本实施例的充电桩控制器，除了具备基本的充电功能以外，还有以下几个功能：1、本地参数及日志保存功能。2、具备本地程序升级功能。3、具备远程程序升级功能。4、充电方式灵活配置功能，可以扫码计费，可以即插即充。5、主板集成了接地检测功能，能够实现主板检测接地的可靠性。6、主板集成了辅助电源，增加了主板的集成度，降低了成本，节省了空间。7、主板集成了漏电检测功能，省掉了漏保开关，集成度高。8、主板集成了三相计量板载功能，增加了主板的集成度，降低了成本，节省了空间。9、主板集成了两路温度检测电路。10、主板集成了rtc电路。11、主板集成了防雷保护功能，省掉了防雷器，增加了主板的集成度，降低了成本，节省了空间。12、主板集成了继电器控制及粘连检测功能，省掉了外置三相交流接触器增加了主板的集成度，降低了成本，节省了空间。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

1.成本优势：具有较高的性价比，兼容了单相或三相交流充电使用场合，电气、结构相对简单，其方案成本与使用外置三相电表和三相交流接触器传统方案硬件成本至少能节省一半成本；本发明采用的功率型继电器ahes4191e40设计功率回路可支持三相21kw功率输出，且具备三相板载计量功能。

2.体积优势，本发明集成度高，主板不需要外接三相交流接触器、防雷器、辅助供电电源、三相电表，且功率单元电路、防雷单元电路、电源单元电路、计量单元电路等功能电路均集成在控制器上，可大大缩小充电桩体积，实现了控制器高集成度设计。

3.灵活度高，可靠性高，改善了产品的emc性能，实现低待机功耗(小于5w)，适配多种市场需求的充电产品。

4.电源单元电路设计简单，emc传导、辐射余量大(余量将近10db),同时与热敏电阻、压敏电阻、泄放管等器件设计防护电路实现了雷击浪涌四级防护，达到省器件，省成本，高防护的功效。

5.功能丰富，主板集成了防雷电路、滤波电路、辅助电源电路、漏电检测、接地检测、充电参数计量电路、主继电器控制及黏连检测、rj45调试维护接口、rs485电表通信接口、两路温度检测电路、输入输出接口、控制导引电路、4g通讯模块、蓝牙通讯模块、喂狗电路、急停功能电路、数据存储单元、指示灯、本地升级usb接口、rtc电路。

6.多种升级方式：具备蓝牙近距离通信和2g/3g/4g无线通信功能，配置有4g模块的充电桩(智能版)可以通过远程连接实现mcu固件的远程更新；配置有蓝牙模块的充电桩(基础版)可支持通过蓝牙实现mcu固件的更新；同时还可进行本地usb升级；无论是现场还是外地均可以很方便进行软件升级，方便了后续的升级维护；降低了售后成本。

7.自适应配置功率输出参数,当单相供电时，电流输出配置最大32a(最大输出功率7kw)；当三相供电时，电流输出配置最大32a(最大输出功率21kw)；单相供电时，充电桩默认过压阈值为267vac，欠压阈值为107vac。三相供电时各相相电压过欠压阈值与单相供电时阈值相同。单相供电时，当过压电压在300v以内并保持5s时，立即断开输出电源，动作时间为600ms，当过压电压超过300v，立即断开输出电源，保护动作时间为600ms,当欠压电压低于107vac并保持5s时，立即断开输出电源，动作时间为600ms。当输入电压恢复到正常电压范围(110v-264v)，且持续时间超过1分钟，则解除过压保护状态。三相供电时，按各相电压进行，相电压过欠压保护的判断及恢复规则与单相供电时相同；任一相满足保护条件则保护产生；三相全部满足恢复条件则恢复。

在实际充电过程中，根据后台充电策略该参数可以根据电网的配电能力进行输出功率调节，可实现柔性充电。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。