本发明涉及直流充电领域，具体地，涉及一种基于物联网的直流充电桩。
背景技术：
目前，随着我国经济社会发展水平不断提高,汽车保有量持续攀升，为解决国家燃油短缺,减少汽车尾气排放，国家加快新能源汽车的推广应用，各类充电桩也应运而生。
然而现有直流充电桩存在诸多问题。一方面是充电桩行业对于计量、计费、结算等运营管理规范不完善，充电桩种类繁多无法统一管理；另一方面，充电桩充电过程中时常发生充电中断现象，且充电操作流程复杂、充电支付方式不够灵活等问题，使用者深感不便。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于物联网的直流充电桩，以实现充电过程更安全且更可靠的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于物联网的直流充电桩，包括电源单元、主控单元、保护及监测单元、人机交互单元、管理服务器、输出单元、辅助电源单元和计费单元，所述电源单元的输入端与外部电源连接，所述电源单元的一路输出端与输出单元的输入端连接，所述电源单元的另一路输出端与辅助电源单元的输入端连接，所述主控单元与电源单元双向通信连接，所述保护及监测单元、人机交互单元和计费单元与主控单元双向通信连接，所述主控单元与管理服务器双向通信连接，所述辅助电源单元为主控单元、保护及监测单元、人机交互单元和计费单元提供直流电源。
优选的，还包括用户端，所述用户端与管理服务器通信连接，所述电源单元的输入端上设置智能电表，所述智能电表与主控单元之间通过rs232通信电路连接。
优选的，所述人机交互单元与主控单元之间通过rs485通信电路连接，所述人机交互单元采用触摸屏。
优选的，还包括刷卡模块，所述刷卡模块与主控单元之间通过rs485通信电路连接，所述保护及监测单元与主控单元通过rs485通信电路连接。
优选的，所述电源单元与主控单元之间通过can总线连接。
优选的，所述主控单元与管理服务器之间通过网络连接。
优选的，所述主控单元，包括充电控制模块、充电控制输出模块和通信模块；
所述充电控制模块：根据监测检测点的电压状态或者车辆发送的通信报文，来判断目前处于充电的阶段，进而控制充电桩进行安全充电；
所述充电控制输出模块：通过控制电源单元，从而动态调整输出电压和输出电流；
所述通信模块：与充电的车辆通信，从而识别车辆电池信息，并在充电过程中与车辆实时交换充电信息；以及与管理服务器通信，从而将消费信息与充电的状态及时上报至管理服务器。
优选的，所述保护及监测单元的信号经放大电路后传输至主控单元，所述放大电路，包括运放器u41a、运放器u41b、运放器u41c和运放器u41d，所述运放器u41a的同相输入端和运放器u41a的反相输入端之间依次串联电阻r221、电阻r220、电容c124、电阻r222和电阻r223，电阻r219与电容c124并联，电阻r199与电阻r219并联，所述运放器u41a的反相输入端与输出端之间串联电阻r225，电容c126与电阻r225并联，所述运放器u41a的同相输入端与地之间串联电阻r224，电容c125与电阻r224并联，所述运放器u41a的输出端与运放器u41b的反相输入端之间串联电阻r226，所述运放器u41b的同相输入端与地之间串联电阻r227，所述运放器u41b的反相输入端与输出端之间串联二极管d16，所述二极管d16的阳极与运放器u41b的输出端连接，电阻r228与二极管d17组成的串联电路与二极管d16并联，所述二极管d17的阳极与电阻r228的一端连接，所述二极管d17的阴极与二极管d16的阳极连接，所述运放器u41b的输出端与运放器u41c反相输入端之间串联二极管d17和电阻r229，所述运放器u41b的反相输入端与运放器u41c的反相输入端之间依次串联电阻r226和电阻r230，所述运放器u41c的反相输入端与输出端之间串联电阻r231，所述运放器u41c的同相输入端与地之间串联电阻r232，所述运放器u41c的输出端与运放器u41d的同相输入端连接，所述运放器u41d的反相输入端与输出端串联。
优选的，所述电阻r220的电阻值为100kω，所述电阻r221的电阻值为100kω，所述电阻r222的电阻值为100kω，所述电阻r223的电阻值为100kω，所述电阻r224的电阻值为200kω，所述电阻r225的电阻值为200kω，所述电阻r226的电阻值为10kω，所述电阻r227的电阻值为10kω，所述电阻r228的电阻值为20kω，所述电阻r229的电阻值为10kω，所述电阻r230的电阻值为10kω，所述电阻r231的电阻值为10kω，所述电阻r232的电阻值为10kω。
优选的，所述电容c124的电容值为220pf，电容c125的电容值为220pf，电容c126的电容值为220pf。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的技术方案，通过设置主控单元、保护及监测单元和管理服务器等单元电路，对直流充电桩充电过程进行进程监测和智能控制，一旦充电异常，主控单元便控制充电电路进行动态调整，从而达到充电过程更安全且更可靠的目的。
且本技术方案公开的直流充电桩具有配套的管理服务器和灵活的人机交互界面，运营商可根据不同的市场需求修改计量、计费等管理模式，市民可通过手机下载app轻松寻找空闲充电桩，并设置充电参数，实现电动汽车快速充电过程，同时该充电桩具有多种充电保护机制，使充电过程更安全、更可靠。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的基于物联网的直流充电桩的原理框图；
图2至图29为本发明实施例所述的基于物联网的直流充电桩的电子电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术方案的基于物联网的直流充电桩将系统、充电接口、人机交互界面，通信计费等部分集为一体，用于为电动汽车进行直流快速充电。直流充电桩以电池管理系统(bms)提供的数据为依据，动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成智能充电的过程。该装置适用于公共停车场、居民小区停车场、企业专用停车场等各类露天车场与地下停车场或充电站内。
如图1所示，一种基于物联网的直流充电桩，包括电源单元、主控单元、保护及监测单元、人机交互单元、管理服务器、输出单元、辅助电源单元和计费单元，电源单元的输入端与外部电源连接，电源单元的一路输出端与输出单元的输入端连接，电源单元的另一路输出端与辅助电源单元的输入端连接，主控单元与电源单元双向通信连接，保护及监测单元、人机交互单元和计费单元与主控单元双向通信连接，主控单元与管理服务器双向通信连接，辅助电源单元为主控单元、保护及监测单元、人机交互单元和计费单元提供直流电源。
基于物联网的直流充电桩的硬件电子电路图如图2至图29所示。
管理服务器采用本公司的网络运营管理平台“海红e充”，直流充电桩的输入电压采用三相四线ac380v±15％，频率50hz，输出为可调直流电，直接为电动汽车的动力电池充电。由于直流充电桩采用三相四线制供电，输出的电压和电流调整范围大，可实现快充的要求。输入电压在主控单元的控制下经电源单元处理后一路经输出单元为电池充电，另外一路经辅助电源单元为主控单元、保护及监测单元、人机交互单元和计费单元等提供工作电压。
还包括用户端，用户端与管理服务器通信连接，电源单元的输入端上设置智能电表，智能电表与主控单元之间通过rs232通信电路连接。
人机交互单元与主控单元之间通过rs485通信电路连接，人机交互单元采用触摸屏。
还包括刷卡模块，刷卡模块与主控单元之间通过rs485通信电路连接，保护及监测单元与主控单元通过rs485通信电路连接。
电源单元与主控单元之间通过can总线连接。
主控单元与管理服务器之间通过网络连接。
主控单元，包括充电控制模块、充电控制输出模块和通信模块；
充电控制模块：根据监测检测点的电压状态或者车辆发送的通信报文，来判断目前处于充电的阶段，进而控制充电桩进行安全充电；
充电控制输出模块：通过控制电源单元，从而动态调整输出电压和输出电流；
通信模块：与充电的车辆通信，从而识别车辆电池信息，并在充电过程中与车辆实时交换充电信息；以及与管理服务器通信，从而将消费信息与充电的状态及时上报至管理服务器。
直流充电桩具有以太网通信功能，采用stm32f107自带mac模块与phy芯片dp83848共同组成硬件电路。软件上采用开源uip协议栈来实现tcp/ip通信。充电桩主控单元通过以太网通信方式连接网络运营管理平台“海红e充”，实现以下功能：
实现充电桩数据实时监测、处理及数据库管理功能。管理平台对充电桩工作状态及充电电压、电流等充电信息具有实时监测功能，对异常信息或操作具有实时报警提示功能；对充电桩的出厂编号等各项静态参数自动监测并维护；网络运营管理平台提供对充电桩和电池组遥测、遥信、报警事件等实时数据和历史数据的集中存储和查询功能；网络运营管理平台具备用户账户管理、操作记录、故障记录、充电运行参数异常记录和电池组参数异常记录功能。
网络运营管理平台具有智能计量计费功能，具有发卡、充值、消费记录统计查询等功能，且消费记录具有完整性；网络运营管理平台可对充电桩下发控制指令，具有远程设置功能，可对充电桩“尖峰平谷”电价、网络、充电方式、充电参数、密码等数据进行设置。
网络运营管理平台具备完善的权限管理功能，能够分级设置不同用户的权限等级，保证用户权利与平台中的数据权限相匹配。
充电记录和各类数据曲线均以报表形式展示，能够选择时间段自动生成excel表。
管理人员也可通过以太网对桩体进行远程配置或者程序升级。
网络管理平台具有后台通讯功能，可及用户需求数据上传至“海红e充”手机app客户端。
主控单元具有充电流程控制功能、充电模块控制输出功能和通信管理功能。
充电流程控制功能是根据检测点的电压状态或者车辆发送的通信报文，来判断目前处于充电的哪个阶段，进而控制直流充电桩中的执行机构来对车辆进行安全充电。
电源单元输出控制是通过can总线控制电源单元动态调整输出电压和输出电流，以适应当前所处于的不同充电阶段以及不同型号的车辆。
通信功能包括两个方面。第一是与连接车辆之间的通信，用来识别车辆电池信息以及在充电过程中实时交换的充电信息。第二是指桩体与服务器之间的通信，可以将用户的消费信息与充电的状态及时上报至网络运营管理平台，便于多桩统一管理。
基于物联网的直流充电桩具有安全保护及监测功能：
保护及监测单元具备输入侧及输出侧的过流保护和短路保护功能；具备交流输入的过压、欠压和缺相保护功能；具备软启动功能，防止直流冲击电流输出；在充电过程中，充电桩主控单元能自动监测各设备的运行和通信状态是否正常，自动判断充电连接器、充电电缆是否正确，且主控单元能自动监测bms的电池状态和运行信息动态，使电池处于最佳充电状态；对于异常操作与故障及时报告并自动处理；具备急停保护功能，能快速切断充电模块电源和分断直流输出开关；利用保护及监测单元中的绝缘监测单元实现绝缘检测保护功能；采用智能电表实时监测直流充电电量、充电电压、充电电流，将采样数据发送至主控单元，从而对各个数据进行相应的解析、处理。
基于物联网的直流充电桩的通讯管理功能：
具备高速can网络与电动汽车bms通信，用于判断电动汽车动力电池类型；获得动力电池系统参数，充电前和充电过程中动力电池的电压、电流、温度等状态数据，完成充电机的充电控制。
主控单元通过rs485网络与智能电能表通信，获取电能计量信息，完成充电计费与充电过程的联动控制。
输出单元通过高速can总线与车载的高频充电模块通信，根据充电模块状态和运行信息，动态调整输出电压和输出电流，完成充电模块状态监测与充电过程的联动控制，以适应当前所处于的不同充电阶段以及不同型号的车辆。
通过rs485网络与智能变送器通信，获取充电机的输出电压和电流信息，完成充电输出数据监测与充电过程的联动控制。
主控单元通过rs485网络将电能计量、充电机工作信息传送给触摸屏，同时获取并执行触摸屏发送的控制命令。
计费单元的硬件电路满足国家电网公司的《电动汽车非车载整车直流充电机通用技术规范》以及《电动汽车非车载整车交流充电机通用技术规范》。并采用数据加解密等技术，通过以太网通信模块与后台服务器共同完成费用的结算功能。
人机交互单元包括触摸屏显示模块和充电桩状态指示模块。触摸屏显示模块采用7寸触摸屏，实现充电过程中充电时间、电压、电流、电量、卡余额与消费金额的显示功能，以及各个配置参数的设置功能。充电桩具有“空闲”、“忙碌”、“故障”三种运行状态，充电桩状态指示模块实现三种状态的判断及指示功能。
辅助电源为主控单元、人机交互模块、保护及监测单元及计费单元等控制系统进行供电。另外，在动力电池充电过程中，辅助电源给车载bms系统供电，由bms系统实时监控动力电池的状态。
还包括刷卡单元，刷卡单元与主控单元连接，刷卡单元由读卡器和ic卡组成，刷卡可开启充电流程及结算费用。
输出单元，提供0～150kw供电能力，最大输出电流为120a。
主控单元还设置存储单元，存储单元采用spiflash存储芯片，具备电子可擦除可编程(eeprom)的性能，可存储4096条用户信息，还不会断电丢失数据，同时可以快速读取数据，有效地防止系统掉电丢失数据。
基于物联网的直流充电桩具备充电方式选择功能，用户可在“海红e充”网络管理平台或人机交互触摸屏中自由选择充电方式，更方便灵活。充电方式具有按时间、按电量、按金额、自动充满四种。
基于物联网的直流充电桩具有支付方式选择功能。人机交互单元与“海红e充”网络管理平台皆可实现自动记录充电过程，智能计费分析，自助刷卡计费，支付方式灵活，支付宝、微信、银行卡支付方式实现费用快捷支付。
“海红e充”手机app客户端具有客户信息、充电记录、充值等个人管理功能；具有充电站搜索、空闲充电桩搜索、扫码充电等移动信息管理功能；具有消息通知、论坛管理等功能。方便充电站运营商对充电站状态、收费方式、充电方式等信息的维护与充电桩的管理。
在充电过程中，充电桩能自动根据车载bms发送的电池状态和运行信息动态调节输出电流。通过以太网与充电站后台监控系统通信，进行远程操作；通信协议支持以太网、3g/4g模块及国网计费系统；触摸屏显示，可对充电桩的参数进行设定或对充电桩进行启动或停止控制；网络运营管理平台“海红e充”实现充电桩数据实时监测、处理和存储，实现充电记录、报表统计功能，且具有智能计量计费功能，配置或者程序升级；具备完善的充电保护功能，防止车辆电池过充，安全性高。
保护及监测单元的信号经放大电路后传输至主控单元，放大电路，如图29所示，包括运放器u41a、运放器u41b、运放器u41c和运放器u41d，运放器u41a的同相输入端和运放器u41a的反相输入端之间依次串联电阻r221、电阻r220、电容c124、电阻r222和电阻r223，电阻r219与电容c124并联，电阻r199与电阻r219并联，运放器u41a的反相输入端与输出端之间串联电阻r225，电容c126与电阻r225并联，运放器u41a的同相输入端与地之间串联电阻r224，电容c125与电阻r224并联，运放器u41a的输出端与运放器u41b的反相输入端之间串联电阻r226，运放器u41b的同相输入端与地之间串联电阻r227，运放器u41b的反相输入端与输出端之间串联二极管d16，二极管d16的阳极与运放器u41b的输出端连接，电阻r228与二极管d17组成的串联电路与二极管d16并联，二极管d17的阳极与电阻r228的一端连接，二极管d17的阴极与二极管d16的阳极连接，运放器u41b的输出端与运放器u41c反相输入端之间串联二极管d17和电阻r229，运放器u41b的反相输入端与运放器u41c的反相输入端之间依次串联电阻r226和电阻r230，运放器u41c的反相输入端与输出端之间串联电阻r231，运放器u41c的同相输入端与地之间串联电阻r232，运放器u41c的输出端与运放器u41d的同相输入端连接，运放器u41d的反相输入端与输出端串联。
电阻r220的电阻值为100kω，电阻r221的电阻值为100kω，电阻r222的电阻值为100kω，电阻r223的电阻值为100kω，电阻r224的电阻值为200kω，电阻r225的电阻值为200kω，电阻r226的电阻值为10kω，电阻r227的电阻值为10kω，电阻r228的电阻值为20kω，电阻r229的电阻值为10kω，电阻r230的电阻值为10kω，电阻r231的电阻值为10kω，电阻r232的电阻值为10kω。
电容c124的电容值为220pf，电容c125的电容值为220pf，电容c126的电容值为220pf。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。