电动汽车充电桩电气 硬件 软件技术解析
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计量功能
– 充电桩宜具备电能计量功能。 – 充电桩宜提供实施电能表现场检定的接口。
功能需求
付费交易功能
– 充电桩应具备付费交易功能，实现充电控制及 充电计费。
• IC卡 • 二维码支付
通信功能：与外部通信的接口。
– LAN/WIFI/2G/3G/4G – 蓝牙
功能需求
安全防护功能
– 急停开关； – 主回路应具备带负载分合电路功能； – 过负荷保护、短路保护和漏电保护功能； – D级防雷装置； – 电子锁止装置，锁止装置在充电过程中应保持
电流互感器
继电器 保险丝
功能
供电-低压部分
充电逻辑控制 电气保护功能 检测电流，提供 过流保护使用 充电回路主开关
电路保护
零序电
流互感
器
出
线
零序电流互感 漏电保护作用 器
案例分析—标准交流充电桩
项目
尺寸 输入电压
参数
1200x350x300mm AC220V单相±20%
额定功率 7kw
额定电流 使用温度
座、电缆转接端子排、安全防护装置等。
刷卡 触摸屏
计量
交流充电桩 （桩体，电气模块）
网络功能 LAN/WIFI/2G/3G/4G
功能需求
人机交互功能
– 充电桩应能显示或借助外部设备显示各状态下 的相关信息，显示字符应清晰、完整，没有缺 损现象，不应依靠环境光源即可辨认。
– 充电桩宜具备手动设置充电参数的功能。
架构和处理能力
– 汽车级16位微控制器，低成本、高性能。
– 128K FLASH – 4KB EEPROM – 8K RAM – CAN模块
（支持CAN协议 2.0A/B） – 三个串行通信接口
PWM控制电路
占空比输出控制电路 12V /PWM 频率 = 1000 Hz
检测点1
光藕TLP350
流
检测
检子
检 PWM 测 锁
测
显刷网
示卡络 调 通通通 试 信信信 接 接接接 口 口口口
交流充电桩控制器
电源 充电 故障
电气设计
– 电气原理 – 器件选型
• 漏保 • 继电器/接触器 • 智能电表 •枪
主控制器设计
– 主控制板 – 刷卡模块 – 触摸屏幕 – 通信模块
交流充电桩电气原理 总图
主控制器设计
单片机选型
– 8位/16位/32位 – UART串口( >= 3路) -> RS232，RS485 – CAN接口( >= 1路) – PWM接口 – AD接口
交流电流电压采样
– 电压/电流采样（互感器） – 电表
PWM驱动电路
主控制器设计
电子锁驱动电路
– 驱动芯片 / 继电器
设定容量----枪头电阻/PWM DUTY
– 车辆控制装置通过测量检测点3与PE之间的电 阻值来确认当前充电连接装置（电缆）的额定 容量。
RC
1.5KΩ/0.5W 680Ω/0.5W 220Ω/0.5W 100Ω/0.5W
充电电缆额 定容量
10A 16A 32A 63A
控制引导电路
设定容量---通过 PWM 占空比/枪头电阻
锁止状态； – 接触器故障检测功能。
技术要求
环境需求
– 工作环境温度：-20℃～+50℃ – 相对湿度：5％～95％ – 海拔高度：≤1000m
电源要求
– 额定电压：单相交流220V/三相交流380V – 额定电流：10A/16A/32A/63A – 允许电压波动范围：220V±10%，380V±10% – 频率：50Hz±1Hz
直流充电枪 125A
直流充电口插座 125A
充电枪/插座 案例
直流 交流
交流充电桩
基本构成 功能要求 技术条件 控制引导电路与原理 充电流程 硬件设计 软件设计 案例分析
基本构成
充电桩由桩体、电气模块、计量模块等部 分组成。
– 桩体包括外壳和人机交互界面； – 电气模块包括接触器、控制引导电路、充电插
本章教学内容
基础知识 交流充电桩 直流充电桩 充电桩附件解析
电气部分 硬件 软件
本章教学要求
掌握充电桩电气原理 掌握充电桩的控制流程 理解控制器的功能和硬件基本原理
充电桩基本知识
充电模式
连接方式
充电枪/座
– 交流 – 直流
参考资料： GB/T 18487.1-2015 GB/T 20234.1-2015 GB/T 20234.2-2015 GB/T 20234.3-2015
参数
300x120x70mm AC220V单相±20% 3.2kw 3kg -45℃~85℃ 3.5m 30mA 1000次 GB/T 20234.1-2011 GB/T 18487-2011
案例分析—便携式充电桩
进 线
主控单 片机
电流互 感器
继电器
工频变 压器
保险丝
组成部分 工频变压器 主控单片机
– 通过继电器控制 主接触器 或 主继电器 – 带反馈控制，检测接触器开合状态
电压/电流 采集
网络通信模块 网口 RS232 温度采集
控制器
控制引导电路
RS485
单片机
接触器控 制
数字输入
电子锁控 制电路
案例分析—便携式充电桩
交流充 电枪
交流输入 插头 16A 大三角
主控制板
项目
尺寸 输入电压 额定功率 重量 使用温度 电缆长度 漏电保护 插拔寿命 参考标准
备注
1
B 供电设备由电缆组件组成 便携式交流
2
B 供电设备由带有功能盒的 便携式交流
电缆组件构成
3
B 供电设备由充电设备和电 交流
缆组件组成
3
C 供电设备由充电设备构成 交流
4Leabharlann Baidu
C 供电设备由充电设备组成 直流
交流充电桩插座-GB
直流充电桩插座-GB
耦合顺序：PE CC2 DC+ DC- A+ A- S+ S- CC1
TELSA
BMW
交流充电桩使用案例
荣威 550 plug-in
BYD 秦
使用困境： 使用不方便 过度担心安全
智能电表
GB/T 18487.1-2015 10.2.5
交流充电枪
参照标准
– GB/T 20234.1-2015 – GB/T 20234.2-2015
交流充电枪
– 配线长度 5米 – 配线线径 2.5平方/16A 6平方/32A
桩端插座
– 配线线径 2.5平方/16A 6平方/32A – 电子锁
T1’-T2 小于3s
T2-T2’ 小于3s
PWM
桩 R1
D1 车
S2
R3 R2
检测点1 车辆接口 检测点2
插枪
锁枪 输出脉冲
闭合接触器
开锁 拔枪
闭合S2
断开S2 断开接触器
充电流程 无S2开关
T1-T1’小于10min T1’-T1’’ 小于3s
插枪 锁枪 输出脉冲
闭合接触器
PWM
桩 R1
D1 车
32A -20℃~50℃
充电连接 方式
参考标准
3B
GB/T 20234.12011
GB/T 18487-2011
案例分析—标准交流充电桩
指示灯
触摸屏 HMI 急停
刷卡处 充电口
触摸屏 HMI
刷卡器
充电枪 座子 充电控 制器
计费控 制单元
接触器
开关电 源
案例分析—标准交流充电桩
交流充电桩使用案例
充电模式
模式1
交流
– 插座直连
模式2
交流
– 插座直连+控制和保护装置
模式3
交流
– 带控制引导装置的专用交流充电设备
模式4
直流
– 带控制导引功能的直流充电设备
连接方式
分类依据：
– 使用电缆和连接 器将电动汽车接 入电网的方法
分类：A / B / C
充电设备分类
充电模式 连接方式 充电设备
– 通过测量检测点2 的PWM 信号占空比确认当 前供电设备的最大供电电流。
PWM 占空比 D D= 0% 连续-12V D=5%
10% ≤ D ≤ 85% 85% < D ≤ 89% 90% < D ≤ 97%
最大充电电流 Imax(A)
充电桩不可用
5%的占空比表示需要数字 通信，且需要在电能供应 之前在充电桩与电动汽车 之前建议通信
控制器接线图
漏电保护器的选用(RCD)
AC
– 应用于交流故障电 流的漏电保护
A
– 应用于交流和脉动 直流故障电流的漏 电保护
B
– 应用于交流、脉动 直流和平滑电流故 障电流的漏电保护
继电器/接触器
优缺点
– 价格 – 分断能力 – 反馈触点
建议
– 32A/63A 接触器 – 10A/16A 继电器
数字输出，指示灯驱动
– LED指示灯 / LED灯带
网络接口
– 串口------LAN – 串口------WIFI – 串口------GPRS
枪头温度检测
– NTC
控制器原理图
单片机电路
型号：MC9S12G128
– 汽车级16位微控制器，低成本、高性能。 – 总线频率为25MHz的S12 CPU内核提供业界公认的S12
Imax=D*100*0.6
Imax=(D*100-64)*2.5，且 Imax≤ 63A
预留
D=100%,连续正电压 不允许
充电模式/连接方式
充电模式/连接方式
实物案例
2B
3A
充电模式/连接方式
充电模式/连接方式
实物案例
3B
3C
控制引导电路的推荐参数
充电流程 有S2开关
T1-T1’小于10min
S2
R3 R2
检测点1 车辆接口 检测点2
开锁 拔枪 断开接触器
交流充电桩硬件设计
交 流
L N
输 PE
入
漏保 智能电表 继电器
L
N
PE
CP
急停
CC
防雷浪涌
交交 流流 充 或充 电电
枪座
AC DC
内部供电
电 压 检 测
温 度 检 测
电
急
继
表 通
停 检
电 器 控
信
测
制
微控制器
LED灯控制
电
CP
CC 电
引导电路控制
CP检测
– 比较器 – 光耦
CC检测
– 光耦
交流电压/电流采样电路
电压采样
– 电压传感 器
电流采样
– 互感器
电子锁驱动电路
H桥驱动
– 直流电机型 电子锁
继电器驱动
– 直流电机型 电子锁
– 电磁阀
继电器控制 及 LED控制
LED控制
– 50mA
– 500mA
接触器控制
控制引导电路
确认连接状态
– 车辆控制装置通过测量检测点3与PE之间的电阻值来判 断车辆插头与车辆插座是否完全连接。 （对于连接方式B 和C）。
– 供电控制装置通过测量检测点1 或检测点4 的电压来判 断供电插头和供电插座是否完全连接。 （对于连接方式A 和B）。
控制引导电路
控制引导电路
控制引导电路
– 充电桩宜具备电能计量功能。 – 充电桩宜提供实施电能表现场检定的接口。
功能需求
付费交易功能
– 充电桩应具备付费交易功能，实现充电控制及 充电计费。
• IC卡 • 二维码支付
通信功能：与外部通信的接口。
– LAN/WIFI/2G/3G/4G – 蓝牙
功能需求
安全防护功能
– 急停开关； – 主回路应具备带负载分合电路功能； – 过负荷保护、短路保护和漏电保护功能； – D级防雷装置； – 电子锁止装置，锁止装置在充电过程中应保持
电流互感器
继电器 保险丝
功能
供电-低压部分
充电逻辑控制 电气保护功能 检测电流，提供 过流保护使用 充电回路主开关
电路保护
零序电
流互感
器
出
线
零序电流互感 漏电保护作用 器
案例分析—标准交流充电桩
项目
尺寸 输入电压
参数
1200x350x300mm AC220V单相±20%
额定功率 7kw
额定电流 使用温度
座、电缆转接端子排、安全防护装置等。
刷卡 触摸屏
计量
交流充电桩 （桩体，电气模块）
网络功能 LAN/WIFI/2G/3G/4G
功能需求
人机交互功能
– 充电桩应能显示或借助外部设备显示各状态下 的相关信息，显示字符应清晰、完整，没有缺 损现象，不应依靠环境光源即可辨认。
– 充电桩宜具备手动设置充电参数的功能。
架构和处理能力
– 汽车级16位微控制器，低成本、高性能。
– 128K FLASH – 4KB EEPROM – 8K RAM – CAN模块
（支持CAN协议 2.0A/B） – 三个串行通信接口
PWM控制电路
占空比输出控制电路 12V /PWM 频率 = 1000 Hz
检测点1
光藕TLP350
流
检测
检子
检 PWM 测 锁
测
显刷网
示卡络 调 通通通 试 信信信 接 接接接 口 口口口
交流充电桩控制器
电源 充电 故障
电气设计
– 电气原理 – 器件选型
• 漏保 • 继电器/接触器 • 智能电表 •枪
主控制器设计
– 主控制板 – 刷卡模块 – 触摸屏幕 – 通信模块
交流充电桩电气原理 总图
主控制器设计
单片机选型
– 8位/16位/32位 – UART串口( >= 3路) -> RS232，RS485 – CAN接口( >= 1路) – PWM接口 – AD接口
交流电流电压采样
– 电压/电流采样（互感器） – 电表
PWM驱动电路
主控制器设计
电子锁驱动电路
– 驱动芯片 / 继电器
设定容量----枪头电阻/PWM DUTY
– 车辆控制装置通过测量检测点3与PE之间的电 阻值来确认当前充电连接装置（电缆）的额定 容量。
RC
1.5KΩ/0.5W 680Ω/0.5W 220Ω/0.5W 100Ω/0.5W
充电电缆额 定容量
10A 16A 32A 63A
控制引导电路
设定容量---通过 PWM 占空比/枪头电阻
锁止状态； – 接触器故障检测功能。
技术要求
环境需求
– 工作环境温度：-20℃～+50℃ – 相对湿度：5％～95％ – 海拔高度：≤1000m
电源要求
– 额定电压：单相交流220V/三相交流380V – 额定电流：10A/16A/32A/63A – 允许电压波动范围：220V±10%，380V±10% – 频率：50Hz±1Hz
直流充电枪 125A
直流充电口插座 125A
充电枪/插座 案例
直流 交流
交流充电桩
基本构成 功能要求 技术条件 控制引导电路与原理 充电流程 硬件设计 软件设计 案例分析
基本构成
充电桩由桩体、电气模块、计量模块等部 分组成。
– 桩体包括外壳和人机交互界面； – 电气模块包括接触器、控制引导电路、充电插
本章教学内容
基础知识 交流充电桩 直流充电桩 充电桩附件解析
电气部分 硬件 软件
本章教学要求
掌握充电桩电气原理 掌握充电桩的控制流程 理解控制器的功能和硬件基本原理
充电桩基本知识
充电模式
连接方式
充电枪/座
– 交流 – 直流
参考资料： GB/T 18487.1-2015 GB/T 20234.1-2015 GB/T 20234.2-2015 GB/T 20234.3-2015
参数
300x120x70mm AC220V单相±20% 3.2kw 3kg -45℃~85℃ 3.5m 30mA 1000次 GB/T 20234.1-2011 GB/T 18487-2011
案例分析—便携式充电桩
进 线
主控单 片机
电流互 感器
继电器
工频变 压器
保险丝
组成部分 工频变压器 主控单片机
– 通过继电器控制 主接触器 或 主继电器 – 带反馈控制，检测接触器开合状态
电压/电流 采集
网络通信模块 网口 RS232 温度采集
控制器
控制引导电路
RS485
单片机
接触器控 制
数字输入
电子锁控 制电路
案例分析—便携式充电桩
交流充 电枪
交流输入 插头 16A 大三角
主控制板
项目
尺寸 输入电压 额定功率 重量 使用温度 电缆长度 漏电保护 插拔寿命 参考标准
备注
1
B 供电设备由电缆组件组成 便携式交流
2
B 供电设备由带有功能盒的 便携式交流
电缆组件构成
3
B 供电设备由充电设备和电 交流
缆组件组成
3
C 供电设备由充电设备构成 交流
4Leabharlann Baidu
C 供电设备由充电设备组成 直流
交流充电桩插座-GB
直流充电桩插座-GB
耦合顺序：PE CC2 DC+ DC- A+ A- S+ S- CC1
TELSA
BMW
交流充电桩使用案例
荣威 550 plug-in
BYD 秦
使用困境： 使用不方便 过度担心安全
智能电表
GB/T 18487.1-2015 10.2.5
交流充电枪
参照标准
– GB/T 20234.1-2015 – GB/T 20234.2-2015
交流充电枪
– 配线长度 5米 – 配线线径 2.5平方/16A 6平方/32A
桩端插座
– 配线线径 2.5平方/16A 6平方/32A – 电子锁
T1’-T2 小于3s
T2-T2’ 小于3s
PWM
桩 R1
D1 车
S2
R3 R2
检测点1 车辆接口 检测点2
插枪
锁枪 输出脉冲
闭合接触器
开锁 拔枪
闭合S2
断开S2 断开接触器
充电流程 无S2开关
T1-T1’小于10min T1’-T1’’ 小于3s
插枪 锁枪 输出脉冲
闭合接触器
PWM
桩 R1
D1 车
32A -20℃~50℃
充电连接 方式
参考标准
3B
GB/T 20234.12011
GB/T 18487-2011
案例分析—标准交流充电桩
指示灯
触摸屏 HMI 急停
刷卡处 充电口
触摸屏 HMI
刷卡器
充电枪 座子 充电控 制器
计费控 制单元
接触器
开关电 源
案例分析—标准交流充电桩
交流充电桩使用案例
充电模式
模式1
交流
– 插座直连
模式2
交流
– 插座直连+控制和保护装置
模式3
交流
– 带控制引导装置的专用交流充电设备
模式4
直流
– 带控制导引功能的直流充电设备
连接方式
分类依据：
– 使用电缆和连接 器将电动汽车接 入电网的方法
分类：A / B / C
充电设备分类
充电模式 连接方式 充电设备
– 通过测量检测点2 的PWM 信号占空比确认当 前供电设备的最大供电电流。
PWM 占空比 D D= 0% 连续-12V D=5%
10% ≤ D ≤ 85% 85% < D ≤ 89% 90% < D ≤ 97%
最大充电电流 Imax(A)
充电桩不可用
5%的占空比表示需要数字 通信，且需要在电能供应 之前在充电桩与电动汽车 之前建议通信
控制器接线图
漏电保护器的选用(RCD)
AC
– 应用于交流故障电 流的漏电保护
A
– 应用于交流和脉动 直流故障电流的漏 电保护
B
– 应用于交流、脉动 直流和平滑电流故 障电流的漏电保护
继电器/接触器
优缺点
– 价格 – 分断能力 – 反馈触点
建议
– 32A/63A 接触器 – 10A/16A 继电器
数字输出，指示灯驱动
– LED指示灯 / LED灯带
网络接口
– 串口------LAN – 串口------WIFI – 串口------GPRS
枪头温度检测
– NTC
控制器原理图
单片机电路
型号：MC9S12G128
– 汽车级16位微控制器，低成本、高性能。 – 总线频率为25MHz的S12 CPU内核提供业界公认的S12
Imax=D*100*0.6
Imax=(D*100-64)*2.5，且 Imax≤ 63A
预留
D=100%,连续正电压 不允许
充电模式/连接方式
充电模式/连接方式
实物案例
2B
3A
充电模式/连接方式
充电模式/连接方式
实物案例
3B
3C
控制引导电路的推荐参数
充电流程 有S2开关
T1-T1’小于10min
S2
R3 R2
检测点1 车辆接口 检测点2
开锁 拔枪 断开接触器
交流充电桩硬件设计
交 流
L N
输 PE
入
漏保 智能电表 继电器
L
N
PE
CP
急停
CC
防雷浪涌
交交 流流 充 或充 电电
枪座
AC DC
内部供电
电 压 检 测
温 度 检 测
电
急
继
表 通
停 检
电 器 控
信
测
制
微控制器
LED灯控制
电
CP
CC 电
引导电路控制
CP检测
– 比较器 – 光耦
CC检测
– 光耦
交流电压/电流采样电路
电压采样
– 电压传感 器
电流采样
– 互感器
电子锁驱动电路
H桥驱动
– 直流电机型 电子锁
继电器驱动
– 直流电机型 电子锁
– 电磁阀
继电器控制 及 LED控制
LED控制
– 50mA
– 500mA
接触器控制
控制引导电路
确认连接状态
– 车辆控制装置通过测量检测点3与PE之间的电阻值来判 断车辆插头与车辆插座是否完全连接。 （对于连接方式B 和C）。
– 供电控制装置通过测量检测点1 或检测点4 的电压来判 断供电插头和供电插座是否完全连接。 （对于连接方式A 和B）。
控制引导电路
控制引导电路
控制引导电路