一种立式交流充电桩的制作方法

专利名称：一种立式交流充电桩的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及低压配电技术领域，具体涉及一种为电动汽车提供电能的交流充电桩。
背景技术：
当前全世界的石油消耗量相对于全世界的石油储量来说，已经显得不那么渺小了。而汽车的燃油消耗量及排放的废弃物均非常惊人，已经对地球的大气层造成不可修复的伤害，全球气候变暖，海平面上升，这都对人类的生存造成极大的威胁，为了改变这种状况，全世界各国的政府出台一系列的政策，要求科研机构都在竭力开发出可以替代石油的燃料，以支撑世界上数量庞大的工业机器、汽车等工具。与此同时，相比于传统燃料动力汽车，电动汽车有着无与比拟的优势，因而得到各国的追捧。要实现电动汽车的普及，首当其冲的问题是解决是电动汽车的充电问题，只有解决了充电问题，电动汽车的普及才指日可待。目前，电动汽车的充电设施主要包括直流充电机和交流充电桩。这两种设备主要安装在国家电网公司建设的电动汽车示范充电站内，数量少、占地面积大、投资高，故现阶段还没有大规模发展建设。且充电站主要面向大型公交及市政用车，如果未来私人汽车也依靠充电站充电的话，那充电站的占地面积将变得更大，不利于交通畅通及电网安全。而交流充电桩具有体积小、成本低、人性化、智能化及使用方便等特点，对私人用户来说更具有吸引力，因此，大规模建设充电桩将可以满足人们的需求。综观国内外，现有交流充电桩基本归为两类1)只有配电转换功能，无智能判断设备，不具备计量、计费功能；2)具有智能判断、计量及计费功能，但对运行工况要求较高，对外界的干扰不具备防护及报警能力，且外形单调、体积大。

发明内容
本发明的目的在于为解决当前交流充电桩智能化程度不高、功能不完备、环境适应性不强的缺陷，本发明提供一种能够轻松快捷地为电动汽车进行充电的充电桩。本发明所采用的技术方案是
一种交流充电桩，包括充电桩桩体，充电桩桩体内部设置有充电接口电路和主控制器，充电接口电路一端连接外部220V交流供电网络、另一端通过充电插座输出电能，所述充电接口电路上由220V交流供电网络至充电插座，通过电源线依次串联有智能电表和交流接触器，所述主控制器的输入输出端口连接交流接触器和智能电表的信号输入输出端；所述智能电表的内部设置有交流充电计量单元及运算器；交流接触器的三组主触头作为交流充电桩的充电开关、主触头的继电器常开触点由主控制器的信号输入输出端给电。所述主控制器包括CPU模块、控制导引模块、监测模块、存储模块、用户模块和电源模块；具体的
所述CPU模块是单片机，实现对整个充电桩的控制和调度工作；
所述控制导引模块采用光耦来隔离单片机输出的PWM信号与充电接口电路内的交流电，通过检测PWM脉冲信号占空比的变化来调整充电接口电路的输出电流大小；
所述监测模块采用光耦和固态断电器，监测保护装置、控制CPU模块的数字量输入输
出；
所述存储模块通过总线与微处理器相连接，用于存储用户信息；
所述用户模块，具有显示设备和输入设备，显示设备将CPU模块输出的数据显示至用户，输入设备将用户设定的参数输入至CPU模块。所述充电桩桩体内部设置有漏电保护模块，是设置在充电接口电路与220V交流供电网络的连接处的空气开关，该空气开关是两个联动的常开开关、分别串联在电源线的火线和零线上，当火线与零线上的电流差值达到设定危险值时、空气开关断开。所述充电桩桩体内部设置有短路保护模块，是串联在充电接口电路上、智能电表前端的电源线火线上的熔断器。所述充电桩桩体内部设置有防雷模块，是一个带有遥信端子的防雷器。所述充电桩桩体内部设置有GPRS通信模块，实现与监控中心的远程通信。所述充电桩上设置有急停按钮，急停按钮开关断开后，交流接触器主触头的继电器线圈失电，充电桩停止工作。所述充电桩体上设置有前挡门，该前挡门覆盖充电插座和用户模块，前挡门上设置有闭锁控制装置，闭锁控制装置向主控制器发出前挡门的状态信号、并接收主控制器发出的闭锁控制装置的执行信号。所述充电桩上设置有充电插座电子闭锁装置及防误拔监测报警模块，防误拔监测报警模块测得充电插座脱开后，向主控制器发出误拔信号、并报警，主控制器向充电插座电子闭锁装置发出执行信号。本发明所产生的有益效果是
本发明的交流充电桩，利用智能主控制器、辅助于智能电表等设备，为电动汽车提供交流电源，集安全、灵活、智能、报警于一体，是一种满足当前智能电网需求、功能完善、可以实现电动汽车的可靠充电的交流充电桩，未来的发展及应用前景广阔。本发明的交流充电桩环境适应性强，具有人性化、智能化、小体积、低成本等特点，该交流充电桩既可用于电动汽车充电站内，又可用于小区、停车场等场合，可对电动汽车进行灵活、可靠的充电，。本发明的交流充电桩采用嵌入式软件开发模式和模块化设计手法，程序占用内存少，运行流畅，易于功能扩展，界面特点鲜明、友好，且易于操作，操作步骤提示内容丰富，普通用户均能快速掌握其使用要领。下面结合附图对本发明所述一种新型高安全性的交流充电桩的结构和原理作进一步的详细讲述。


图1是本发明所述交流充电桩的结构示意 图2是智能主控制器的结构示意 图3是本发明所述交流充电桩的工作原理 图4是本发明所述交流充电桩程序结构框图； 图5是是充电登录流程 图6是充电设置流程 图7是充电过程中流程 图8是充电结束流程 图9是管理员操作流程图。
具体实施例方式如图1 9所不,本发明是一种交流充电桩，包括充电桩桩体，充电桩桩体内部设置有充电接口电路和主控制器，充电接口电路一端连接外部220V交流供电网络、另一端通过充电插座输出电能，所述充电接口电路上由220V交流供电网络至充电插座，通过电源线依次串联有智能电表和交流接触器，所述主控制器的输入输出端口连接交流接触器和智能电表的信号输入输出端；所述智能电表的内部设置有交流充电计量单元及运算器；交流接触器的三组主触头作为交流充电桩的充电开关、主触头的继电器常开触点由主控制器的信号输入输出端给电。本发明的新型、高安全性的交流充电桩，包括充电桩桩体、进线漏电保护开关、熔断器、防雷器、交流接触器、人机交互模块、射频模块、打印机、主控制器、主控制器程序、人机交互界面及控制程序、智能电表、GPRS模块、控制电源、前挡门闭锁模块、LED指示灯、插头电子闭锁装置及防误拔报警模块和急停按钮。主控制器通过RS485端口与智能电表连接，通过数字量输入接口监测防雷模块、继电器的工作状态，通过RS232接口与打印机、人机交互模块、GPRS模块、射频模块连接，通过GPRS模块与远程监控中心通信，通过CAN或者RS485与充电站内监控中心通信，主控制器程序采用嵌入式软件开发和模块化设计手法，程序占用内存少，运行流畅，易于扩展，所述人机交互界面特点鲜明、友好，漏电保护开关通过熔断器与智能电表连接，所述智能电表与交流接触器的输入端连接，主控制器通过继电器与交流接触器连接。主控制器包括CPU模块、控制导引模块、监测模块、存储模块、用户模块和电源模块；更进一步的主控制器包括CPU控制模块、电源模块、LED显示模块、通信模块、监控模块、控制导引模块、实时时钟模块和存储模块。CPU模块是单片机，实现对整个充电桩的控制和调度工作；
所述控制导引模块采用光耦隔离单片机输出的PWM信号与充电接口电路内的交流电，同时检测PWM脉冲信号的占空比的变化、调整充电接口电路的输出电流大小；
所述监测模块采用光耦和固态断电器，监测保护装置、控制CPU模块的数字量输入输出；监测模块包括4路光耦隔离的数字量输入、输出通道。所述存储模块通过总线与微处理器相连接，用于存储用户信息；
所述用户模块，具有显示设备和输入设备，显示设备将CPU模块输出的数据显示至用户，输入设备将用户设定的参数输入至CPU模块。电源模块包括三个DC/DC隔离变换器。通信模块包括2路485通信控制芯片和接口、2路CAN通信控制芯片和接口、4路串口通信控制芯片及接口。射频模块包括读写模块和天线。
人机交互模块主要由触摸屏组成，集成显示与按键功能。所述充电桩桩体内部设置有漏电保护模块，是设置在充电接口电路与220V交流供电网络的连接处的空气开关，该空气开关是两个联动的常闭开关、分别串联在电源线的火线和零线上，当火线与零线上的电流差值达到设定危险值时、空气开关断开。所述充电桩桩体内部设置有短路保护模块，是串联在充电接口电路上、智能电表前端的电源线火线上的熔断器。所述充电桩桩体内部设置有防雷模块，是一个带有遥信端子的防雷器。充电桩桩体内部设置有GPRS通信模块，实现与监控中心的远程通信。GPRS模块包括电源模块、串口转GPRS通信控制芯片、SIM卡，可以通过短信方式告知充电桩故障信息、报警信息及状态信息等。所述充电桩上设置有急停按钮，急停按钮开关闭合后、交流接触器主触头的继电器线圈失电，充电桩停止工作。充电桩体上设置有前挡门，该前挡门覆盖充电插座和用户模块，前挡门上设置有闭锁控制装置，闭锁控制装置向主控制器发出前挡门的状态信号、并接收主控制器发出的闭锁控制装置的执行信号。前挡门闭锁装置包括直流马达和一个限位开关，用于防止人为或自然因素对打印机及触摸屏的损坏。充电桩上设置有充电插座电子闭锁装置及防误拔监测报警模块，防误拔监测报警模块测得充电插座脱开后，向主控制器发出误拔信号、并报警，主控制器向充电插座电子闭锁装置发出执行信号。充电插座电子闭锁装置及防误拔监测报警模块包括直流马达、限位开关、轰鸣器及控制电路组成，实现充电插头与插座的可靠连接，防止充电过程中人为蓄意中断充电和未结算而中断充电的行为，并报警，提示上级监控系统注意。如图1所示，本发明的新型、高安全性的交流充电桩，包括充电桩桩体、进线漏电保护开关、熔断器、防雷器、交流接触器、人机交互模块、射频模块、打印机、主控制器、主控制器程序、人机交互界面及控制程序、智能电表、GPRS模块、控制电源、前挡门闭锁模块、LED指示灯、插头电子闭锁装置及防误拔报警模块和急停按钮。主控制器通过RS485端口与智能电表连接，通过数字量输入接口监测防雷模块、继电器的工作状态，通过RS232接口与打印机、人机交互模块、GPRS模块、射频模块连接，通过GPRS模块与远程监控中心通信，通过CAN或者RS485与充电站内监控中心通信，主控制器程序采用嵌入式软件开发和模块化设计手法，程序占用内存少，运行流畅，易于扩展，所述人机交互界面特点鲜明、友好，漏电保护开关通过熔断器与智能电表连接，所述智能电表与交流接触器的输入端连接，主控制器通过继电器与交流接触器连接。具体的，如图2所示，本发明的交流充电桩的各部件的结构、型号与功能如下所述
漏电保护空开采用施耐德公司的带漏电保护的空气开关，型号为C63 Vigi，其功能为当火线L或零线N有一根对地有接地电阻或短路时，则火线和零线上的电流出现电流差，当这个差值达到保护空开的设定危险值时，漏电保护空开便断开，以保护整个充电桩内器件的安全。熔断器采用型号为RT18-63的国产熔断器，并布置在火线上，当后级发生短路时，只要火线上超过熔断器的额定工作电流时，熔断器就烧断，保护熔断器后面器件的安全。防雷模块采用世界上著名的盾牌防雷器，型号为DG M TN 275 FM，该模块主要用在单相交流电路中。由于交流充电桩一般布置在室外，受雷电影响较大，故必须安装防雷器，而该模块主要就是用于防止单相交流设备免受雷电损坏，从而保护充电桩内其它器件的安全。该模块最大放电电流达到40kA，完全可以满足要求，同时，该模块还带有遥信端子，可以方便主控制器监测防雷模块本身是否已经损坏，并提示上级单位进行及时维护。智能电表米用四川蜀达电气公司生产的型号为DDS99A4的本地费控智能电表，其功能为可在智能电表内进行交流充电计量及电费的实时计算。且该智能电表可以通过RS485通信端口与主控制器进行通信，实时传递充电电量及电费信息，以方便用户在人机交互界面进行实时查询。为了在安装前智能电表是否精准，可以在主回路中预留两个端口来实现电能表的精确校验。交流接触器采用施耐德公司生产的型号为LC1D32 M7C的交流接触器，其广泛应用于低压电力的开断和控制电路中，可以通过与继电器配合，实现为交流接触器控制线圈通大约IA电流，就可以使接触器主线圈达到32A电流的目的，所述继电器采用欧姆龙公司生产的型号为MY2NJ 24VDC的头子和型号为PYF08A-E的继电器座子。充电插座采用国家标准参与制定企业安费诺精密机械公司生产的型号为HVC0-CF-EAS-R6-SS32A-R-L1000,该充电插座带有电子锁、防尘弹性自动密封盖等装置，安全及可靠性非常高。在主控制器的设计开发过程中，本发明遵循模块化的设计思想，将整个应用程序分解为若干个子模块，下面将进一步详述主控制器各部分的组成及功能
(PU模块该模块采用英飞凌公司生产的型号为SAK-XC164CS-16F40F系列的单片机作为微处理器，是主控制器的核心，具有丰富的接口资源，可以实现对整个充电桩的控制和调
度工作。电源模块该模块输入电源由单独的PHOENIX的开关电源提供的24V供电，再配合汇众公司生产的型号为HZD03B-24S12的24V转12V电源模块一块和型号为HZD10C-24S05的24V转5V电源模块一块，以及型号为ASl 117-2. 5的三端稳压电源一块，以提供芯片及外设芯片的电源。监测模块主要是一些数字量的输入和输出，采用型号为TLP281-4的普通光耦和型号为PAla-24V的固态断电器来控制数字量的输入输出，用于监测防雷模块、前挡门限位开关及充电插头限位开关等器件，以提供控制板必需的控制信号，且具有人工复位功能。控制导引模块采用型号为TLP521-1的光耦进行单片机输出PWM信号与充电插头间的隔离，通过检测PWM脉冲信号的占空比的变化，来调整充电桩的输出电流大小，以适应车载充电机的需求。通信模块该模块包括2路485通信控制芯片和接口、2路CAN通信控制芯片和接口、4路串口通信控制芯片及接口。其中，485通信控制芯片是型号为MAX485ESA，并带有磁隔离芯片Si8441AB-C-1S，使得通信通道的抗干扰能力更强，一个用于微处理器与智能电表通信，一个用于微处理器与监控系统通信。CAN通信控制芯片是型号为TJA1050T，带有磁隔离芯片Si8442BB-C-1S，用于充电桩与监控系统通信。串口通信控制芯片型号为TL16C554FN及收发芯片MAX232EESE组成，并有磁隔离芯片Si8442BB-C-1S，4路串口通信主要用于连接打印机、读卡器、人机交互模块及控制板程序调试。实时时钟模块该模块采用型号为DS1302Z的时钟芯片，该芯片是一种低功耗串行实时时钟芯片，具有时钟(时、分、秒)和日历(年、月、日、星期)功能。能自动调整闰年和每月的天数，具有12小时制和24小时制两种计时模式。该芯片外接一个32. 768kHz的晶振，用于向该芯片提供外部时钟信号，并通过一个二极管将一块可充电锂电池接入时钟芯片的8脚，用于在主电源断电时为实时时钟芯片供电。LED显示模块该模块主要采用型号为ZLG7290的芯片来驱动一些控制板上的电源指示灯、数字量输入输出信号指示灯。存储模块该模块为外扩EEPROM存储模块，采用型号为AT24C512的存储芯片。该芯片有512K的存储空间，通过模拟总线与微处理器相连接，主要用于存储用户信息。射频模块采用广州周立功单片机公司型号为ZLG522S的读写卡模块，基于13. 56MHz频率的系列读写卡模块，它符合IS014443标准，可支持PLUS CPU、MIFAREDesfire (CPU 卡)、MIFARE S50/S70、MIFARE O Ultra-light、MIFARE Pro，它采用超小型、超大规模集成电路封装，具有易用、可靠、多样和体积小等特点。可用于读写mifarel卡，读卡距离大约为5(Tl00mm，具有主动上传和被动上传两种操作模式，读写模块通过RS232通信接口与微处理器连接。通过刷mifarel卡或IC卡可实现智能电表的充电计费及结算工作，且mifarel卡或IC卡中记录有用户电费余额和账户信息，mifarel卡由ASIC和线圈组成，该线圈只有几圈线，很适合封闭到ISO卡片中。ASIC由一个高速(106KB波特率)的RF接口、控制单元和一个8Kbit的EEPROM组成。人机交互模块该模块采用维控公司生产的型号为LEVI777A的人机界面触摸屏，该模块包含有显示和触控功能，可能方便地操作和显示电费信息、充电电压电流信息、时间、用户账户信息及余额、故障报警信息等。GPRS模块该模块采用广州周立功公司生产的型号为GPRS-DTU-23A的远程无线通信模块，可以实现与上级监控系统的无线通信和与手机的互联，通过发送短信的方式告知监控中心充电桩的状态及故障信息，以备及时进行检修。如图3所示，L代表火线，N代表零线，PE为地线，Jl代表中间继电器，KM代表交流接触器，Hl代表充电指示灯，H2代表控制板电源指示灯，BUZZER代表报警轰鸣器，M代表关门马达。该交流充电桩电气回路的连接关系为所述AC 220V供电线路的火线L和零线N上依次连接有漏电保护空开、熔断器、防雷器、智能电表、交流接触器和充电插座作为主回路。在熔断与智能电表之间接入一开关电源，为主控制器提供24V电源，前挡门限位开关和充电插头限位开关信息均接入主控制器的数字量输入端子，用于监测前挡门的开关状态及充电插头在充电过程中是否有外力强行中断充电的行为。该交流充电桩的工作原理为该交流充电桩提供AC 220V、32A的交流电源于车载充电机。当漏电保护开关闭合后，指示灯H2亮，表示交流电已经引入充电桩，且控制板已经得电，可正常工作。当用户需要充电时，将mifarel卡靠近读卡模块,读卡模块将mifarel卡中的余额及账户信息全部读取并显示在触摸屏上，用户可以通过选择触摸屏上的充电方式进行充电，当用户确定充电后，控制板输出一个闭合信号给触点D01，中间继电器Jl的线圈得电，即刻交流接触器线圈得电，进而交流接触器常开触点闭合，充电插头有电。同时，主控制器将实时读取智能电表中的电压、电流和功率数据，并通过通信端口将数据信息传送给远程监控平台，实现远程监控。当发生紧急情况时，只需快速按下急停按钮，此时，交流接触器控制线圈失电，触点断开，交流充电桩将停止工作。该交流充电桩的操作方法首先将电动汽车自带的充电插头与交流充电桩的充电插座连接后，用户用mifarel卡刷卡，读卡器将读取用户及余额信息，如果用户信息合法且余额足够，用户将可以从四种充电方式中选择任意一种进行充电，当用户选定充电方式并确定充电后，充电桩启动，接触器闭合。在充电过程中，人机界面实时显示智能电表所测量到的充电电压、电流和充电电量信息。当充电满电或者mifareI卡中余额用完时，主控制器将自动控制充电桩停止工作。当用户在充电过程中，想中断充电过程，只需点击触摸屏上的“停止”按钮，并刷卡，此时用户充电费用将从mifarel卡中扣除，充电桩停止工作，并打印用户充电凭条，作为报销依据。交流充电桩可以实现以下功能 mifarel卡记录用户余额及账户信息；
为防止在充电过程中人为或意外发生充电插头脱离现象，在充电插座安装处安装有电子闭锁装置，一旦发生此种现象，主控制器将检测到，并控制输出闭合信号D02，轰鸣器响起，提醒用户注意。当用户首次充电完成后，前挡门如果没有关上，可能会影响打印口及触摸屏，因此，我们设计了一种装置，当充电完成后，主控制器计时30秒，当计时时间到，前挡门限开关没有闭合，主控制器输出闭合信号D03，马达得电，将带动前挡门关闭，并将限位开关信息回馈给主控制器，控制马达断电。最后作以下申明以上实施方式仅用于说明本发明的技术方案，而非对其的限定，尽管参照上述实施方式对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改，而未脱离本发明精神和范围的任何修改，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中，特此申明。
权利要求
1.一种立式交流充电桩，包括充电桩桩体，充电桩桩体内部设置有充电接口电路和主控制器，充电接口电路一端连接外部220V交流供电网络、另一端通过充电插座输出电能，其特征在于所述充电接口电路上由220V交流供电网络至充电插座，通过电源线依次串联有智能电表和交流接触器，所述主控制器的输入输出端口连接交流接触器和智能电表的信号输入输出端；所述智能电表的内部设置有交流充电计量单元及运算器；交流接触器的三组主触头作为交流充电桩的充电开关、主触头的继电器常开触点由主控制器的信号输入输出端给电。
2.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述主控制器包括CPU模块、控制导引模块、监测模块、存储模块、用户模块和电源模块；具体的 所述CPU模块是单片机，实现对整个充电桩的控制和调度工作； 所述控制导引模块采用光耦进行单片机输出PWM信号与充电插头间的隔离，通过检测PWM脉冲信号的占空比的变化、调整充电接口电路的输出电流大小； 所述监测模块采用光耦和固态继电器，监测保护装置、控制CPU模块的数字量输入输出； 所述存储模块通过总线与微处理器相连接，用于存储用户信息； 所述用户模块，具有显示设备和输入设备，显示设备将CPU模块输出的数据显示至用户，输入设备将用户设定的参数输入至CPU模块。
3.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述充电桩桩体内部设置有漏电保护模块，是设置在充电接口电路与220V交流供电网络的连接处的空气开关，该空气开关是两个联动的常开开关、分别串联在电源线的火线和零线上，当火线与零线上的电流差值达到设定危险值时、空气开关断开。
4.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述充电桩桩体内部设置有短路保护模块，是串联在充电接口电路上、智能电表前端的电源线火线上的熔断器。
5.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述充电桩桩体内部设置有防雷模块，是一个带有遥信端子的防雷器。
6.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述充电桩桩体内部设置有GPRS通信模块，实现与监控中心的远程通信。
7.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述充电桩上设置有急停按钮，急停按钮常闭开关断开后，交流接触器主触头的继电器线圈失电，充电桩停止工作。
8.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述充电桩体上设置有前挡门，该前挡门覆盖充电插座和用户模块，前挡门上设置有闭锁控制装置，闭锁控制装置向主控制器发出前挡门的状态信号、并接收主控制器发出的闭锁控制装置的执行信号。
9.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于所述充电桩上设置有充电插座电子闭锁装置及防误拔监测报警模块，防误拔监测报警模块测得充电插座脱开后，向主控制器发出误拔信号、并报警，主控制器向充电插座电子闭锁装置发出执行信号。
全文摘要
本发明提供了一种交流充电桩，包括充电桩桩体，充电桩桩体内部设置有充电接口电路和主控制器，充电接口电路一端连接外部220V交流供电网络、另一端通过充电插座输出电能，所述充电接口电路上由220V交流供电网络至充电插座，通过电源线依次串联有智能电表和交流接触器，所述主控制器的输入输出端口连接交流接触器和智能电表的信号输入输出端；所述智能电表的内部设置有交流充电计量单元及运算器；交流接触器的三组主触头作为交流充电桩的充电开关、主触头的继电器常开触点由主控制器的信号输入输出端给电。本发明集安全、灵活、智能、报警于一体，是一种满足当前智能电网需求、功能完善、可以实现电动汽车的可靠充电的交流充电桩，发展前景广阔。
文档编号H02J7/00GK103066644SQ20121054206
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者夏奕凤, 闵泽生, 蒋驰雷 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司, 四川东方电气自动控制工程有限公司