多路电能计量和充电监控系统的设计

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0 引言

在过去的几十年里，全球电动汽车已经有了重要的发展。以电力取代化石燃料，电动汽车一直是环境污染和能源短缺的解决方案，已引起世界各地越来越多人的关注[1]。

电动车是一种由一个或多个电动机驱动的汽车，其使用存储在可充电电池或其他能量存储装置中的电能。由于技术的限制，较短的续航里程使得电动车对充电设备的需求较为迫切。因此，需要加强充电设备基础设施以改善其网络，以便为电动车用户提供方便和有效的充电服务[2]。

电动汽车充电设备主要有3种类型：充电站、发电站和充电桩[3]。与前2种设备相比，充电桩可以灵活分布，具有体积小、安装方便和性价比高，并且可以直接接入220 V低压电网的优点[4]，可以方便地放置在街道、居民区、工作区等停车场。

但是目前使用的电动汽车充电桩存在功能上的局限，只能实现单端口或双端口充电功能，无法进行多端口独立充电和计量[5-6]。并且由于充电桩统一的外形设计，其内部空间有限，导致内部功能模块的设计较为分散，给设备故障的检测和维护带来不便[7]。

在此，使用多通道电能计量芯片对原有的充电桩进行重新设计，使其能够实现多端口独立充电和计量。此外，通过将充电桩内部各种零部件重新设计，拆除原有部分模块，增加必要的元器件，以减小整个充电监控系统的体积，使内部的功能模块能够匹配原有的外形设计，同时也能方便进行日常维护。

1 系统功能与设计思路

系统的总体结构如图1所示。系统的主要模块位于虚线框内，包括主控制模块、电能计量和系统监控模块。电能计量和系统监控模块用于计量充电功率，并对过电流、过电压和过零进行有效检测。通信模块主要负责人机交互和通信，并将用于输出测试后的结果。

图1 系统的总体结构

电能计量是电动汽车充电桩的基本功能，主要用于测量电动汽车的充电能耗。电动车辆所有者一次消耗的电量是通过将电能消耗与相应的时间速率相结合来计算的[8-9]。因此，能量测量的准确性直接影响用户的充电成本，也间接影响了电动汽车充电桩的经营信誉[10]。

本研究采用多通道电能计量芯片来代替智能电能表。每个充电端口对应一个独立的充电通道。这样，电动汽车充电桩只需要一个芯片而不需要多个智能电能表，大大降低了充电桩设计的成本[11]。

多通道计量芯片也可用于监视过电压或过电流事件。芯片配置完成后，可以自动监测过流或过压事件，从而降低主控芯片的CPU资源消耗，使主控CPU可以实现更多的功能。

该方案还将利用多通道电能计量芯片的过零信号，来调整电动车进入充电电网的时间。因此，在一定程度上可以抑制电动汽车进入电网所产生的谐波，这是传统电动汽车充电桩难以实现的[12-14]。

2 硬件电路设计

硬件电路的结构如图2所示。

图2 硬件电路结构

系统选择STM32F107作为主处理器，ADE7816作为电能计量芯片。ADE7816支持测量1个电压通道和多达6个电流通道，因此该程序可以同时支持最多可以连接6个充电端口。 STM32F107通过其SPI2与ADE7816进行通信。 使用2个外部中断来实现过流或过压报警和电压过零检测。过零检测功能可以在一定程度上实现谐波抑制[15-16]。

2.1 主控制模块的硬件设计

在主控模块中，系统使用STM32F107作为处理器。它是基于Cortex-M3内核的ST微处理器，具有2个I2C，3个SPI，2个I2S，2个CAN，5个UART，1个全速USB_OTG，1个MAC以太网，20个外部中断，12个DMA，1个RTC计数电路，2个DAC和2个ADC。

2.2 电能计量和系统监控模块的硬件设计

系统使用ADE7816作为多通道功率计芯片。ADE7816是一款单芯片功率计前端，可同时测量多达6路电流和1路电压。ADE7816的内部寄存器可以通过SPI或I2C接口访问。

ADE7816可以通过专用的高速数据采集端口(HSDC)提供实时的电压和电流瞬时值。ADE7816还提供2个用于向用户报告紧急情况的中断引脚，如过流、过压和过零点。

在本文设计中，ADE7816主要用于测量能量、电压和6路电流。通过SPI接口访问芯片内部寄存器。 首先，设置ADE7816过电流过电压，然后通过定时器检查标志寄存器，以确定是否发生过电流或过电压事件。同样，使电压过零点中断能够找到系统输入的电压过零点，从而在零电压时打开继电器，这可以在一定程度上减少谐波的产生并有利于电网的稳定。

ADE7816通过VP和VN的电压输入引脚提供电压测量。 同样，当前输入引脚分别为IAP和IAN，IBP和IBN，ICP和ICN，IDP和IN，IEP和IN，IFP和IN。在7个模拟输入之前还需要1个电压或电流传感器。

电压传感器原理和电流传感器原理如图3所示。电压和电流传感器将电网中的实际电压(220 V)转换为可由ADE7816测量的范围，作为ADE7816的电压和电流输入，这将便于内部DSP计算，以计算系统的能源价值。

图3 电压和电流传感器电路原理

在图3中，电阻R4，R5和R17需要按如下方式计算。

a.R4的计算。电阻R4用于限制输入到电压传感器的电流。由于电压传感器的额定输入电流为2 mA，系统输入电压为220 V，因此可以得到R4的电阻：

R4=220/2=110 kΩ

b.R5的计算。电阻R5用于限制输入到ADE7816的输入电压。由于ADE7816的电压引脚输入电压瞬时值在-500～+ 500 mV之间，因此电压传感器的比率为1∶1。可以根据R4的值进一步计算R5的电阻：

c.R17的计算。电阻R17用于限制ADE7816电流输入引脚的电压。电动汽车充电桩输出电流有32 A和16 A 2种规格，由于系统所需充电方式为“一拖六”，系统使用32 A的总电流过大，因此16 A将设置为每个充电通道的额定电流。根据电流互感器比例(2 000∶1)，可以计算出电流互感器的输出电流：

I=16/2 000=8 mA

由于ADE7816当前引脚电压输入的瞬时值的范围为-500～+ 500 mV，因此可以下式计算出R17的电阻：

3 系统的软件设计

3.1 系统软件

系统程序使用C语言编写。在编程时采用模块化的思想，将主控制模块分为电能计量模块、状态监测模块、数据存储模块和通信模块。其中，电能计量模块包括电流采集模块、电压采集模块和电力采集模块。状态监测模块包括过流检测模块、过压检测模块和电压过零检测模块。该系统的软件结构如图4所示。

图4 系统软件的组成

3.2 电流和过电压检测编程

当发生过压事件时，ADE7816将通过外部中断主动提示STM32F107，所以程序将被置于STM32F107的外部中断服务功能中。

如果查询结果是过压事件，则需要断开继电器的所有通道。如果查询结果是过流事件，则需要继续查询ADE7816以获取过流事件的通道编号，并断开相应通道的继电器。该部分的程序流程如图5所示。

图5 过电流和过电压检测编程流程

3.3 过零检测编程

过零检测主要用于控制电动汽车在电网电压零点的出入，尽可能减少电网谐波干扰。类似于过压事件，当发生过零事件时，ADE7816将通过另一个外部中断主动提示STM32F107，并进入STM32F107的外部中断服务程序。在中断服务程序中，首先翻转STM32F107的输出引脚，创建频率为50 Hz的方波信号，以扩展使用需要交叉信号的外围设备。然后根据充电状态确定继电器的闭合或断开。充电状态分为4种类型，即待机状态、准备状态、充电状态和结束状态。如果当前状态为就绪状态，则需要关闭继电器并将状态改变为充电状态; 如果当前状态是结束状态，则需要断开继电器并将状态转换为待机状态[17]。该部分的程序流程如图6所示。

图6 过零检测编程流程

4 测试结果

4.1 数据采集与过电流和过电压检测

尽管系统没有显示模块，但STM32F107的USART1将直接用于数据传输，即通过USB至UART转换器将测量的能量数据发送至PC。然后数据将打印在名为串口调试助手的软件上。在串口调试助手中，显示6个通道电压值、电流值和电量值，并观察上述采集的数据是否正确。通过人工操作模拟过电压和过电流事件，并将结果以同样的方式打印到串行调试助手，以观察系统过电流过电压事件检测结果。通过实验程序表明，该系统能够准确地采集上述数据，并能及时发现过电压和过电流事件。

4.2 零交叉信号跟踪功能测试

对电压零交叉信号的跟踪功能可以实现一定程度的谐波抑制功能。当电压接近零点时，控制电动汽车对电网的接入，就会降低电网谐波对接入产生的干扰。在这个测试中，输入电压和电压零交叉信号引脚分别连接到示波器的2个通道。所得示波器波形如图7所示。

图7 过零信号跟踪功能测试

图7中,正弦波表示输入电压信号，幅值为200 mV，方波为电压零交叉信号，幅值为2 V。由图7可知，输入电压的过零点上升边缘与电压零交叉信号过零和下降边缘基本重合，因此具有一定的电压零交叉跟踪功能。

5 结束语

将多通道电能计量充电监控系统按照模块化的思想划分为不同的功能模块，详细介绍各个模块，包括工程设计、硬件和软件。最后，通过原型调试和功能测试的原理，验证了能量测量和系统监测的功能，测试结果与预期结果一致。基于本文所提的专业化充电计量和监控设计，能够有效简化充电桩的内部结构，为充电设备尤其是多用户充电设备的智能化、轻量化发展提供技术途径，对推广充电桩的安装和使用具有积极意义。

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