一种电动汽车充电桩人机交互系统的制作方法

本实用新型涉及电动汽车充电桩领域，尤其是涉及一种电动汽车充电桩人机交互系统。

背景技术：

电动汽车是当前研究的热点，电动汽车充电桩作为直流充电电源，其主要安装在停车场或住宅等区域，是电动汽车日常充电的核心设备。电动汽车充电桩是大力发展新能源汽车的基础设施之一，也是电动汽车市场化的重要前提。当前，我国己经初步开展了电动汽车充电系统的建设工作，在我国的大中型城市相继开始建立电动汽车充电桩，但是由于我国对充电设备的关键技术研究尚且不够深入，相关的标准体系政策建设也有待完善，这在一定程度上限制了电动汽车的推广。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中标准不够统一和完善的缺点，提供了一种电动汽车充电桩人机交互系统。

本实用新型给出了电动汽充电桩的总体构造，提出了充电桩的功能要求和技术指标，针对使用者的需求，制定了技术方案。首先，实现人机交互，开发了电动汽车充电桩在整个工作过程中的所有的用户操作界面。其次，针对锂电池的充电特性，设计了锂电池的三段式充电控制，包括初充电，恒压充电，恒流充电和涓流充电的控制。另外，设计了车载模块，用于将行驶中的车辆信息、电池组信息发送到充电桩，并用于接收充电桩的充电信息。根据电池剩余容量对电动汽车继续行驶的时长及里程进行预测，更好地满足用户对电动汽车实时信息掌握的要求。还采用车辆识别系统对附近的电动汽车数量进行统计，从而有利于管理者进行实时管理。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

一种电动汽车充电桩人机交互系统，包括充电桩，充电桩与市电连接，充电桩包括至少一个充电单元，每个充电单元设有供电动汽车连接的充电接口，还包括后台服务器、车辆识别系统和至少一个车载模块，充电桩通过因特网分别与车载模块和后台服务器连接，后台服务器通过因特网分别与车载模块和车辆识别系统连接。车载模块用于将行驶中的车辆信息、电池组信息发送到充电桩，并接收后台服务器发送的充电桩的充电信息。同时，根据电池剩余容量对电动汽车继续行驶的时长及里程进行预测，更好地满足用户对电动汽车实时信息掌握的要求。车辆识别系统对附近的电动汽车数量进行统计，有利于管理者进行实时管理。

作为优选，充电桩包括人机交互屏、主控板和整流滤波模块，整流滤波模块连接在市电和充电接口之间，主控板分别与人机交互屏和整流滤波模块连接；还包括扬声器和全角度监控充电桩周围的摄像头，主控板分别与摄像头和扬声器连接。摄像头用于实时监控充电桩周围是否存在移动物体，主控板判断移动物体是否具有危险性，扬声器在具有危险性时发出报警提示音。主控板软件可以设置一定的身高阈值，将儿童、小动物等划分为具有危险性的移动物体，可以避免发生触电危险或者对充电桩造成损坏。整流滤波模块用于控制输出电压和输出电流，主控板通过整流滤波模块控制整个充电过程，采取三段式充电，提高充电效率，延长锂电池使用寿命。

作为优选，车载模块包括行驶信息计算单元和定位信息单元，行驶信息计算单元与定位信息单元连接，行驶信息计算单元与因特网连接。车载模块用于将行驶中的车辆信息、电池组信息发送到充电桩，并接收后台服务器发送的充电桩的充电信息。其中，行驶信息计算单元用于获取用户的充电操作指令，在用户发出充电操作指令时，根据导航路径信息、汽车的速度、方向信息、位置信息、电池电量信息计算得到续航范围内的充电桩以及到达各充电桩的预计耗费时间，并将到达各充电桩的预计耗费时间、电池电量信息发送到后台服务器。车载模块接收后台服务器发送的当前充电桩的使用情况，这样用户能够知道各个充电桩的使用情况，有哪些空闲的充电单元可以使用，以及正在使用的充电桩中各个充电单元还需要被占用多长时间，能够方面用户合理规划自己的行程，选择合适的充电地点。车载模块设置在电动汽车中。车载模块与电动汽车上的控制中心连接，接收电动汽车的行使路线、时速等信息，方便后台服务器实时更新数据。

作为优选，行驶信息计算单元为具备计算功能的单片机，定位信息单元为GPS定位器。

作为优选，车辆识别系统包括摄像头、TF存储卡、车辆类型设别设备和射频识别设备；摄像头用于拍摄经过车辆图像，TF存储卡用于存储各类型汽车灰度阈值和基准图像，车辆类型设别设备用于分析图像和识别经过车辆类型，射频识别设备用于从充电桩附近道路的上方接收车辆ETC信号；摄像头与射频识别设备连接，车辆类型设别设备分别与TF存储卡和摄像头连接。射频识别设备检测附近道路是否有汽车通过，TF存储卡和车辆类型识别设备用于识别通过汽车的类型。射频识别设备，设置在充电桩附近道路的正上方，用于检测过往目标中具有射频识别卡的汽车，在检测到具有射频识别卡的汽车时发出汽车通过信号，射频识别卡为汽车所携带的、集成ETC通行功能的卡。TF存储卡，预先存储了电动汽车灰度上限阈值、电动汽车灰度下限阈值和各类电动汽车基准模版。电动汽车灰度上限阈值和下限阈值用于将图像中的电动汽车与背景分离，各类电动汽车基准模版为对各类基准电动汽车预先进行拍摄所得到的各个图像。

作为优选，摄像头为CMOS摄像头。

作为优选，车辆类型识别设备中所有子设备皆为内置有软件的可编程芯片，边缘增强子设备内置有CMOS图像传感器接口。

作为优选，主控板包括控制模块、人机交互屏通信模块、电流电压采样模块、DA转换模块、充电控制模块和故障控制模块。

作为优选，充电接口设有输出电压保护电路和输出反接保护电路，输出电压保护电路包括双门限比较器，双门限比较器与主控板连接；输出反接保护电路包括光耦，充电接口上设有用于分别与电动汽车电池正负极连接的接口，光耦连接两个接口之间，光耦与主控板连接。上门限阈值为2.25V，下门限阈值为1V，分别对应充电桩输出电压的200V和450V，比较器的阈值可以通过电阻来调整，当发生过压或者欠压故障的时候，主控板检测到该信号后，将故障类型传递给人机交互屏显示，并断开输出输入交流接触器，保护充电桩的工作。当电池反接时，光耦中的光电二极管导通，因此单片机通过检测光耦的状态就可以判断电池是否反接，决定是否进行充电，结构简单，而且检测精确。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：实现人机交互使用更加人性化，操作方便。能够根据电池特性进行充电，提高效率缩短时间。实时整合使用者行驶数据、充电桩使用数据和充电桩周围汽车密度数据，向使用者给出最佳充电方案，提高充电效率，节省使用者时间。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1的充电桩结构示意框图。

图3是本实用新型实施例1的主控板结构示意框图。

图4是本实用新型实施例1的车载模块结构示意框图。

图5是本实用新型实施例1的充电桩电压电流采集电路图。

图6是本实用新型实施例1的充电桩通信电路图。

图7是本实用新型实施例1的充电桩握手电路图。

图8是本实用新型实施例1的充电桩输出电压保护电路图。

图9是本实用新型实施例1的充电桩输出反接保护电路图。

图10为充电桩人机交互屏界面跳转示意图。

图11为充电桩人机交互屏界面登录过程流程图。

图12为充电桩为电动汽车电池充电时的特性曲线图。

图13是充电桩预测行驶时长及里程的流程图。

图14是本实用新型实施例1车辆识别系统结构示意框图。

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中，1—充电桩、2—车载模块、3—后台服务器、4—车辆识别系统、11—充电单元。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，一种电动汽车充电桩人机交互系统，包括充电桩1，充电桩1与市电连接，充电桩1包括至少一个充电单元11，每个充电单元11设有供电动汽车连接的充电接口，还包括后台服务器3、车辆识别系统4和至少一个车载模块2，充电桩1通过因特网分别与车载模块2和后台服务器3连接，后台服务器3通过因特网分别与车载模块2和车辆识别系统4连接。

如图2所示，充电桩1包括人机交互屏、主控板和整流滤波模块，整流滤波模块连接在市电和充电接口之间，主控板分别与人机交互屏和整流滤波模块连接；还包括扬声器和全角度监控充电桩1周围的摄像头，主控板分别与摄像头和扬声器连接。

充电桩接入三相交流电网，交流电经过整流电路变为直流，整流滤波模块还包括EMI滤波电路，EMI滤波电路将直流电转变为锂电池充电电压给锂电池充电。人机交互屏显示的人机交互界面和单片机确保整个系统的运行与协调。充电桩主要由整流滤波模块主控板以及人机交互屏组成，整个充电桩输入为三相380V交流电，通过整流滤波模块的AC/DC部分将市电转换成直流，AC/DC部分采用三相六管PFC-IGBT整流方式，采用该方式可以实现输入功率因数可调，并具有良好的动态性能，最终使电网电压电流同频同相，减小了充电桩注入电网的谐波，AC/DC将交流输入转换成700V的直流，允许直流有一定的纹波；DC/DC部分采用LLC谐振软开关电路，该结构可以降低电路损耗提高系统效率，并可以得到可调的输出电压。本实施例中，主控板由单片机ATMega16组成，主控板的接受人机交互屏发过来的指令，并将采集到的充电桩状态信息如充电进度、充电电压电流、以及故障信号传递给人机交互屏，显示在人机交互界面上，人机交互屏可以为触摸屏。主控板的作用还包括和整流滤波模块的AC/DC部分和DC/DC部分分别进行通信，读取其运行状态；人机交互屏显示人机交互界面，接受用户的指令，将用户的指令传递给主控板，主控板控制整个充电桩的工作。

如图3所示，主控板包括控制模块、人机交互屏通信模块、电流电压采样模块、DA转换模块、充电控制模块和故障控制模块。人机交互屏通信模块用于与人机交互屏相互进行数据传输。控制模块作为主控板的核心，控制其它模块工作，即控制整个充电桩的工作。电流电压采样模块和DA转换模块用于采集充电桩的运行状态，控制模块再通过人机交互屏通信模块将系统状态反馈给人机交互屏显示。主控板通过充电控制模块和整流滤波模块进行通信，控制充电过程。故障控制模块用于判断故障类型，进行应急处置。本实施例中主控板由Atmel公司生产的具有Harward总线结构的AVR单片机ATMega16构成。

如图4所示，车载模块2包括行驶信息计算单元和定位信息单元，行驶信息计算单元与定位信息单元连接，行驶信息计算单元与因特网连接。车载模块2设置在电动汽车中。行驶信息计算单元为具备计算功能的单片机，定位信息单元为GPS定位器。

如图5所示，主控板需要采集充桩的输出电流以及输出电压，电流电压采样模块包括充电桩电压电流采集电路，接收采集到的值。本实施例中采用霍尔传感器进行隔离，电压霍尔传感器型号为LV25-P，电流霍尔传感器型号为CSM025LX。霍尔传感器原理基于霍尔效应，能出测量电信号，位置信号，并且不局限于交流直流，原边和副边高度隔离，适合用于高压场合，具有小于0.1％的高精度。同时，霍尔传感器具有极强的抗干扰和远传能力。正常情况下，充电桩的输出电压为稳定的直流，图中，R7，R6为限流功率电阻，大小为50K，功率为3W，该限流电阻为高精度低温漂的电阻，因为电阻上面要消耗较大的功率，必然会使电阻的温度上升，如果电阻的温漂较大的话，电阻的阻值在高温的状态下会出现较大的偏差，必然造成输出电压的偏移，因此这里选择1％/25ppm的电阻。电压霍尔传感器输出的电流经过取样电阻电容以及运算放大器构成的滤波器之后，再经过跟随滤波之后，得到最终输入单片机Mage16L的ADC采样端口UdcSample。滤波器部分采用二阶巴特沃斯滤波器，具有单位增益，截止频率为4.72KHz，可以有效的减小高频的开关噪声。最后输出还接了一个20pF电容和5V的稳压管，保护单片机的ADC引脚。

如图6所示，主控板人机交互屏通信模块包括充电桩通信电路。主控板通过串口给出的数字量经过DA转换后得到模拟量，模拟量再与电路反馈采样值进行PI控制，实现输出电流的恒定控制。选用TI公司的串行10位数模转换器TLC5615，单片机只需要三根线就能通过串行的方式将数据传送给DA转换器，当片选端CS即单片机的输出PB4为低的时候，串行数据MOSI才能够将数据移入TLC5615的16位寄存器，最先移入最高位，最后移入最低位，由于所采用的人机交互屏具有485通信接口，因此主控板采用485通信方式和人机交互屏进行通信。RS-485通信总线是美国电子工业协会制定的一种串行物理接口标准。其采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。数据最高传输速率为10Mbps，适合于环境复杂多变、干扰强度大的长距离通信。本实用新型中设定数据传输速率定为9600bps。每一数据帧包括8位数据位和1位停止位。充电桩主控板中的ATMega16单片机的UART串口的RXD、TXD通过高速光耦连接MAX488芯片的RO、DI引脚，任一时刻，MAX488芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有1个处于工作状态。电路中光耦器件的速率将会影响RS-485电路的通讯速率。本实用新型选用了高速光耦器件6N137芯片，其转换速率高达10Mbit/S，摆率高达10KV/uS，传输延时为纳秒级别，能够很好的满足系统对于传输速率的要求。为了匹配网络的通讯阻抗，减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效抑制噪声干扰，提高RS-485电路工作的可靠性，需要在RS-485网络的2个端点各安装1个终端匹配电阻。终端匹配电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。图中的R4即为终端电阻，位于接收端，将差动电流转换成电压。

如图7所示，充电控制模块与充电桩握手电路连接，主控板要控制整个充电桩的工作，协调整流滤波模块的AC/DC部分和DC/DC部分的共同工作是很重要的，主控板要能够接受AC/DC部分传递过来的信号，并向其发送信号，通知AC/DC部分开始工作。J1为与AC/DC部分通信接口，PB1～PB4为经过隔离的传递到主控板的握手信号。

如图8所示，充电接口设有输出电压保护电路，对充电桩的输出过压和输出欠压都予以保护，输出电压保护电路与主控板故障控制模块连接。输出电压保护电路包括双门限比较器，双门限比较器与主控板连接，双门限的比较器由LM339构成，上门限阈值为2.25V，下门限阈值为1V，分别对应充电桩输出电压的200V和450V，比较器的阈值可以通过电阻来调整，当发生过压或者欠压故障的时候，故障信号UdcErr为低电平，主控板检测到该信号后，将故障类型传递给人机交互屏显示，并断开输出输入交流接触器，保护充电桩的工作。

如图9所示，充电接口设有输出反接保护电路，输出反接保护电路包括光耦，充电接口上设有用于分别与电动汽车电池正负极连接的接口，光耦连接两个接口之间，光耦与主控板连接。图中有光耦TLP521-1、电阻R1、R8，光耦的2脚与锂电池的正极输入端S+连接，光耦的1脚与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与锂电池的负极输入端S-连接，光耦的3脚接地，当电池反接的时，光耦中的光电二极管导通，光耦的4脚PA1被下拉到SGND，表示电池反接，当锂电池接法正确的时候，光耦的4脚被上拉到+5V，因此通过检测光耦4脚的状态就可以判断电池是否反接，决定是否进行充电，结构简单，而且检测精确。

如图10所示，电动汽车充电桩的控制是一个较为复杂的过程，但是对于用户来说，只用简单的操作便能够控制整个充电桩的工作。用户不需要知道充电桩的具体工作过程，因此人机交互屏显示的人机交互界面的设计以简单操作，通俗易懂为设计标准，针对电动汽车充电桩的不同工作状态，我们将充电桩的工作分成如下几个工作界面。用户操作的步骤可以描述为：

开机时，显示界面见图，

下一步，用户输入账号和密码，如果输入了错误的账号和密码界面跳转错误界面，如果连续输入三次错误账号和密码则跳转锁定界面，账号密码输入正确，则跳转通过界面，显示用户账户的信息，并进行电池类型选择。当按确定键后无任何操作，延时一定时间后，回到待机状态。

接下来，选择充电的方式，包括定金额，约定电量、约定时间以及自动充满。模式1：定金额充电，即在人机界面上输入充电金额，充电桩开始充电直到达到金额设定值。模式2：定电量充电，即在人机界面上输入所需电量，充电桩开始充电直到达到电量设定值。模式3：定时间充电，即在人机界面上输入设定时间，充电桩开始充电直到达到时间设定值。模式4：自动充电，直接充电至充满，即在人机界面上选择自动充电，充电桩会开始充电直到用户手动结束充电为止。

按照相应的充电方式设置后分别进入到不同的充电方式对应的界面，点击开始充电之后充电桩开始工作，并显示充电时间，充电进度，充电金额等，当需要人为停止充电或者充电完成时，进入结算界面，用户按照人机交互界面的显示内容进行结算付费。

系统内有存储器，可记录每次充电情况如用户信息、用电量、消费金额及所用时间等。当数据存储满后，最新的信息将替换最早的信息。当在充电过程中如图发生故障，跳转到故障界面，针对不同的故障类型进行显示。

如图11所示，如果用户输入的账号是系统已经存在的账号并且系统检测到该账号错误信息记录中存在三次错误输入时，系统进入账号禁止使用模块。账号禁止使用模块中，通过读取人机交互屏上的时钟寄存器里面的数值，来判断账号是否处于禁止输入时期。如果时钟寄存器中数值大于等于30，系统将对该账号进行解除禁止，该账号可以正常使用。当时钟寄存器中数值小于30时，系统将清除用户输入信息，并弹出窗口，提示用户该账号已被锁定，请在三十分钟后使用。

如图12所示，在本实用新型中，采用三段式充电方法。首先采用先恒流充电，然后进行恒压充电，最后采用浮充进行维护充电。将整个充电过程分为快速充电、补足充电、涓流充电三个阶段。快速充电阶段：图中曲线第二段，用大电流对电池进行充电以迅速恢复电池电能，充电速率可以达1C以上，此时充电电压较低，电流较大，但会限流在一定数值范围之内。补足充电阶段：图中第三段曲线，补充阶段又可以称为慢速充电阶段，因为相对于快速充电阶段其充电电流要小，并且是逐渐下降。锂电池经过大电流快充之后，电池并未完全充分充电，还需加入补足充电过程，补足充电速率一般不超过0.3C，因为电池电压经过快速充电阶段后有一定的升高，所以补足充电阶段的充电电压也也会继续，并且恒定在一定范围之内，充电桩应该做好过压保护。涓流充电阶段：最后一段曲线，在充电过程中，主控板会进行电压、电流、时间、温度等数据的检测，当其检测到温度上升超过极限值或充电电流减小到一定值之后，表示补足充电阶段，同时开始用更小的电流来充电直至满足一定的条件后结束充电。

如图13所示，本实用新型需要对电池组剩余电量进行检测，以让使用者明确电池组的工作状态。由于静置足够长时间的电池开路电压和其荷电状态存在很好的对应关系，选择采用开路电压法来实现电池组SOC的估算。当车载模块得到电动汽车电池组剩余电量后，根据当前车速等数据，计算电动汽车剩余容量所能行驶时长和里程，进行预测，以供用户更好地掌握电动汽车及时信息。

如图14所示，车辆识别系统4包括摄像头、TF存储卡、车辆类型设别设备和射频识别设备；摄像头用于拍摄经过车辆图像，TF存储卡用于存储各类型汽车灰度阈值和基准图像，车辆类型设别设备用于分析图像和识别经过车辆类型，射频识别设备用于从充电桩1附近道路的上方接收车辆ETC信号；摄像头与射频识别设备连接，车辆类型设别设备分别与TF存储卡和摄像头连接。

摄像头为CMOS摄像头。车辆类型识别设备包括用于对图像进行边缘增强处理的边缘增强子设备，用于滤除图像中高斯噪声的Haar小波滤波子设备，用于对图像进行中值滤波处理的中值滤波子设备，用于增强图像中目标车辆和背景之间对比度的尺度变换增强子设备，用于根据车辆灰度阈值从图像中分割出车辆图像的目标分割子设备和用于将车辆图像和基准图像逐一识别的目标识别子设备；边缘增强子设备与CMOS摄像头连接、边缘增强子设备与Haar小波滤波子设备连接，Haar小波滤波子设备与中值滤波子设备连接，中值滤波子设备与尺度变换增强子设备连接，目标分割子设备分别与TF存储卡和尺度变换增强子设备连接，目标识别子设备分别与TF存储卡和目标分割子设备连接。车辆类型识别设备中所有子设备皆为内置有软件的可编程芯片，边缘增强子设备有CMOS图像传感器接口。目标识别子设备设有无线连接模块，无线连接模块通过因特网与后台服务器3连接。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。