具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1所示，本发明公开的一种一体式直流充电桩，包括通过RS485通信电路相连的主控制模块和功率控制模块，与主控制模块相连的人机交互显示模块、读写卡模块、电能计量模块、充电接口模块及充电监控模块，以及与功率控制模块相连的三相交流输入电源；其中，所述充电接口模块也与功率控制模块相连。主控制模块实现控制电源、指示灯，与触摸屏、读写卡器、联网模块、电表模块等部分的通信功能。而功率控制板用于实现绝缘监测模块、充电接口模块的通信功能，以及输入输出采样，接触器控制，开关管控制波形调制，控制急停和启动等功能。主控制模块的核心芯片采用意法半导体公司基于ARM Cortex-M4内核的32位微控制器STM32F407ZGT6。

主控制模块电路包括最小系统电路和外围电路。STM32F407ZGT6芯片的最小系统电路包括电源电路、复位电路、晶振电路以及下载电路。STM32F407ZGT6芯片的工作电压为1.8V到3.6V，为了保护芯片不被烧毁，一般采用3.3V电压供电，并采用型号ASM1117-3.3V芯片，将输入的5V电源转换为3.3V，如图3所示。

STM32F407ZGT6芯片的主频为168MHz，由晶体振荡器和片内PLL共同实现。采用8MHz晶体振荡器作为外部高速时钟的信号源，利用32.768kHz外部晶振驱动RTC时钟，程序下载接口选择为JTAG模式，如图4所示。芯片启动电路通过BOOT0和BOOT1脚来设置，如图5所示。当BOOT0为0，BOOT1为X时，启动内部FLASH；BOOT0为1，BOOT1为0时，启动系统储存器；BOOT0为1，BOOT1为1时，启动SRAM。

CAN总线是一种车用总线标准，国际标准定义了ISO11898和ISO11519-2两种。前者为高速通信标准，传输速率为125kbps到1Mbps，后者则是低速通信标准，速率为125kbps。主控模块与电动汽车电池管理系统之间通过CAN总线进行数据交互和传输指令信号，其电路通信接口原理如图6所示。

本申请选择ISO11898标准的CAN总线。其总线上的电平由CAN_H和CAN_L的电位差确定。当电平差为2V时，总线为逻辑电平0，电平差为0V时，总线为逻辑电平1。

本申请中主控制模块与电能计量模块、充电监控模块、读写卡模块和惹急交互显示模块，主控制模块与功率控制模块之间均采用RS485通信标准。RS485总线具有抗干扰能力强、传输距离远等特点。RS485作为数据收发器，供电电压为3.3V，可以10Mbps的速率进行数据传输，输出端有短路保护功能，确保数据传输的准确性，如图7所示。

所述功率控制模块包括功率控制器，以及与功率控制器相连的三相PFC电路、高频DC-DC电路及辅助电源；其中，三相交流输入电源输出端与三相PFC电路、辅助电源的输入端相连；充电接口电路与高频DC-DC电路输出端及功率控制器相连。其中，辅助电源用于汽车电池管理系统的工作用电，充电过程中实现充电接口互锁，充电结束后自动断开；根据获取的电动汽车电池管理系统的信息，调整充电状态，完成充电目标。其中，功率控制器的核心芯片采用数字处理器TMS320F28335，其性能更高、成本更低、功耗更小。而且其外设集成度高、数据和程序存储量大、A/D转换更精准快速。具有150MHz的高速处理能力，32位浮点处理单元；18路PWM输出，其中有6路为更高精度的PWM输出(HRPWM)；12位16通道ADC。芯片采用浮点运算，便于用户快速编写控制算法，简化软件开发，降低开发时间和成本。

充电监控模块将直流充电桩与充电桩系统相连。监控模块通过通讯接口，将直流充电桩的运行状态上传至处理中心，并受到后台的控制与监测。

如图2所示，在本发明中，所述三相交流输入电源端连接有EMI滤波电路和软启动电路；所述EMI滤波电路由X电容、Y电容、放电电阻和共模/差模电感组成；X电容接在电源线两端，用于消除差模干扰；Y电容接在电源线与地线两端，消除共模干扰；放电电阻用于泄放电容上的电荷；共模/差模电感将高频干扰转换成铁氧体的热能，用于抑制干扰信号。工程上，将X电容和Y电容统称为安规电容，即使电容器失效也不会导致电击，安全系数较高。本实施例中X电容取3.3uF，Y电容取0.047uF，耐压值均为275V，放电电阻R取200kΩ的金属膜电阻。同时，分别在在三相输入交流电相线两端接入型号为7D471K的压敏电阻，用于抑制浪涌电流。共模电感选择三相卧式共模滤波电感，扼流线圈为电感值1.3mH，允许通过电流为15A。由于差模电感值通常较小，只有10～50uH，所以此处选择用共模电感的漏感代替，以简化设计和节约成本。

在本发明中，软启动电路由限流电阻和继电器K1、K2组成。为简化设计，在B、C两相电源线串入限流电阻。当功率电路开始工作时，功率控制器软启动信号为高电平时，线圈不动作，继电器处于常开状态，输入电流经电阻限流后对前级电路输出电容充电。当功率控制器检测到前级电路输出电容电压达到一定值后，软启动信号由高电平变为低电平，线圈上电后继电器闭合，限流电阻被短路，主电路开始正常工作。

为满足输出高电能质量的要求，在本发明中，所述三相PFC电路选择三相三电平VIENNA整流电路。如图8所示，u_a、u_b、u_c为三相交流输入电压，i_a、i_b、i_c为三相交流输入电流，O点为电源中点，L_a、L_b、L_c为升压滤波电感，D_a1、D_a2、D_b1、D_b2、D_c1、D_c2为快恢复二极管，C₁、C₂为输出滤波电容，S_a、S_b、S_c为双向功率开关管组。

功率开关管(MOSFET)组有两种结构。一种是由功率开关管反向串联组成，另一种由桥式二极管和开关管组成。这两种结构均能实现电流双向流动。本实施例采用图9所示的功率开关管组结构，可减少快恢复二极管的数量，节约成本。

三相三电平VIENNA整流器直流侧输出电压值由输入电流和功率开关管共同决定。当双向开关管组有规律控制时，交流侧输入电压电流同相位，功率因数为单位1。每一相都有上下两个快恢复二极管实现续流导通，由于二极管的单相导通性，能量仅能单向流动，故三相VIENNA整流器仅工作在整流状态。

当开关管关断时，三相交流输入对电感充电，负载由输出电容供电；而开关管导通时，负载由电源和电感共同供电，同时对输出电容充电。由于开关管的工作状态变化，使得M点的电压被钳位至0、±U/2三种电平状态，其中U为直流侧输出电压，所以该电路拓扑又称为三电平电路。

在本发明中，所述高频DC-DC电路选用三电平全桥LLC谐振电路。如图10所示。

其中，V_in表示前级直流输入；C_in1、C_in2为输入电容，D₉～D₁₂为钳位二极管，使每个开关管上承受的电压为输入电压的一半；C_s1、C_s1为飞跨电容，将同一桥臂的开关管解耦，确保在工作过程中不会相互影响；Q₁～Q₈为开关管，D₁～D₈和C₁～C₈分别为开关管的体二极管和结电容；谐振电感L_r、谐振电容C_r和励磁电感L_m共同构成谐振网络，N₁、N₂分别是高频变压器的原副边匝数；D_R1～D_R4为副边整流二极管，与输出电容C₀、输出负载R_L组成整流网络。

使用该直流充电桩进行充电时，用户将直流充电桩充电接口与电动汽车相连，然后在桩体上的射频读写卡区域进行刷卡操作，主控制系统将识别读取该用户的有效信息。在人机交互显示模块区域会出现指导操作界面，用户可根据提示信息，确定充电方式和缴费。充电过程中，电能计量模块实时记录充电信息，充电监控模块则对该过程动态监控。当出现紧急状况时，可对充电监控模块处设计的急停按钮进行操作，切断三相交流输入供电，保障设备及人身安全。

通过上述设计，本发明将直流充电桩控制系统划分为两层结构，主控制模块实现人机交互和联网监控功能，主控制模块中控制器采用ARM处理器；功率控制模块实现充电控制和故障保护功能，其中的控制器采用DSP处理器。这样的设计使得PCB板的制作难度降低，且两个控制电路可以协同工作，能够满足实时控制功能与事务分析、处理功能。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。