摘要：简要分析交流充电桩检定系统中的硬件实现框图及原理，接口电路，AD采样电路及控制时序，详细介绍了自动换挡策略，电压有效值、电流有效值、相位、频率、功率以及电能脉冲生成算法，提出一种32位FFT分析算法和准同步算法，保证各参量计算的准确性。
关键词：充电桩检定；硬件实现框图；换挡策略；算法
一、引言
电动汽车是未来我国发展前景广阔的一种交通工具。近年来，我国电动汽车
行业取得了快速发展，攻克了一系列关键技术难题，在部分领域已实现了与日美欧等国同步发展。当前，我国发展电动汽车已具有消费市场规模大、制造成本低、技术取得局部突破、资源保障能力强的四大优势。在技术突破和政策扶持的双重刺激下，我国电动汽车已处于市场引爆的临界点，预计未来几年电动汽车的市场规模和生产规模将迅速扩大，电动汽车将进入快速成长期。
电动汽车充电设施是电动汽车产业链的重要组成部分，是发展电动汽车所必须的重要配套基础设施。目前，美国、日本、以色列、法国、英国等国家都已开始建设各自的电动汽车充电设施，主要以充电桩为主。我国电动汽车充电站大多局限于电动公交汽车或内部集团用车，还没有建成真正面向不同用户的充电站服务网络。随着电动汽车充电设施的广泛应用，充电桩、充电站等充电设施的检定问题变得迫在眉睫。然而，目前国内外还没有相应充电设施的检定装置。因此，充电桩检定系统的研究和开发，势必将促进电动汽车充电设施的更广泛应用。
二、硬件实现框图及分析
1.硬件实现框图及说明
交流充电桩检测系统实现原理框图如图1。
主控平台选用STM32系列，由于其内部内存只有48K SRAM，所以，扩充一片8M16位的SRAM（64WV12816）作为STM32的存储器，扩充一片2K 8位的EEPROM（AT24C16）作为校准参数存储器。
STM32F103Z内核所需的3.3V工作电源通过SPX1117提供。STM32F103Z与触摸屏之间的信息交换通过RS232接口实现。
STM32F103Z读取A/D转换器数据由SPI口通过DMA方式实现数据交换。
STM32F103Z与SRAM的接口由FSMC实现。
2. A／D转换控制电路及时序
系统由一片16位高速高精度A／D转换器AD7686完成对电压、电流信号的A／D转换。CPU通过SPI与AD7686接口，由CPU控制A／D工作时序，SPI输出的时钟信号作为A／D转换器的时钟、输出25.6K的启动采样信号启动A／D采样。每个通道采样一个点，马上切换到下一个通道采样。共采样2个通道（电压+电流），每个通道每周波采样256点，采样速率＝256*2*50=25600。
A／D转换器采样的数据通过STM32的SPI口通过DMA方式读取。
被测交流电压电流信号经过前面的电压电流调理电路后，统一转换为－5V～+5V的交流电压信号，两路被测信号通过三选八多路开关ADG408按25.6K的频率分时选择进入A/D转换电路。如图2所示。被选择的测量通道经过一个信号变换电路将-5V～+5V的交流电压信号变换为0～5V的交流电压信号进入A/D转换。A/D转换器参数、时序图如图3所示。
原理图信号说明。
ADSTART：对应时序图的CNV，对应CPU的PB14
ADSCLK：对应时序图的SCK，对应CPU的PB13
ADDATA：对应时序图的SDO，对应CPU的PB12
CPU的PB14、PB13、PB12是SPI接口的控制线、时钟线、数据线
驱动程序使用硬件直接驱动，不建议软件模拟，不利于程序的可维护性、可移植性；
软件模拟的信号容易受其他代码的影响，对时序要求严格的芯片是重大隐患。
SPI初始化参考代码如下：
void SPI_Configuration(void)
{
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_RxOnly;//只接收AD数据
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_32; //PCLK1/16=2M
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);
SPI_I2S_ITConfig(SPI2, SPI_I2S_IT_RXNE, ENABLE);
//SPI_DMACmd(SPI2, SPI_DMA Req_Rx, ENABLE);
}
三、换挡策略及软件算法分析
1.换挡策略分析
由于换挡通过继电器、程控增益实现装置档位切换，因此需要有一个合适的换挡策略，保证标准表换挡不出现震荡现象，需要在向上换挡与向下换挡之间保持20%左右的重复区间。
例如：100A档位与50A档位换挡
当测量工作在50A档位时，如果实测电流达到60A，要求测试设备自动换挡到100A档位测量，当在100A档工作时，如果实测电流在50A时，测试设备应该自动向下换挡到50A档位测量。这样能够保证向上换挡与向下换挡之间有10A的信号重复区间，保证测试设备不会出现换挡振荡现象
测试设备换挡使用的幅度信号建议使用AD采样点为依据，不要使用有效值换挡，有效值换挡比较慢，虽然档位之间留有重复区间，有时还会导致换挡振荡现象发生。有效值跟踪实际信号的实时性较差。
2.软件算法分析
(1)频率算法
找出一个周波中，同一方向的两个过零点，计算两过零点之间的采样点数目(此为一个周波中样点数目的整数部分)，再通过前后过零点，计算前一过零点(见下图4)离第一个样点f1(0)之间的距离Ys，同理计算后一过零点离最后一个样点f1(n)之间的距离Ys’， Ys+ Ys’即为一个周波中采样点数目的小数部分，一个周期中整数部分样点数目+小数部分样点数目就为一个周波中实际样点数目，根据此样点数计算信号的实际测量频率。
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图4 正弦波过零点示意图
(2)电压电流幅值算法
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说明：ui和ii分别是电压、电流的采样值
(3)有功率功率算法
说明：ui和ii分别是电压、电流的采样值。
注意：此处电压、电流的采样值要求是同一时刻的电压、电流采样点的值，具体的同步算法见下面的《线性插值》部分的说明。
(4)FFT
FFT分析时，需要计算旋转因子，旋转因子的计算按照傅里叶变换公式计算：
N为FFT周波点数，
k为频率谱线号，取值范围:
负频率成分没有实际的物理意义，不予考虑。Pi取3.1415926。将该计算值制作成一张表格，供FFT计算时查表使用。要求算法是32位FFT，旋转因子为32位整数，其中0x7fffffff表示1，0x80000000表示-1。
(5)准同步算法
如果使用固定频率采样模式，在计算FFT前，需对采样数据进行插值运算，保证进行FFT的数据每周波128点或者其它2*N样点。
同样在功率计算时，为了保证电压、电流采样信号的同步，需要通过插值运算，找出与电压采样点同步的电流点的采样信号数值，使用同一时刻的电压、电流值做复合乘积积分运算计算信号的功率。
四、结论
本文在介绍交流充电桩检测设备实现原理框图及接口电路基础上，重点分析AD转换电路及控制时序，阐述其换挡策略，对涉及频率、电压电流幅度、功率等参量的计算公式做了详尽介绍，最后提出了一种高精度的FFT和准同步算法。
通过软件仿真，基波在45-65Hz范围内FFT是无误差的，随着谐波次数的增加，计算误差会变大。对于同步算法精度，线性插值小于51次谐波，精度优于0.2%；二次插值小于51次谐波，精度优于0.1%；三次插值小于51次谐波，精度优于0.005%。
参考文献：
[1] GB/T 20234.2-2015 电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口[S].
[2] GB/T 25869-2012 电动汽车交流充电桩电能计量[S].
[3]张一萌，刘宇，陈思蒙，等.电动汽车充电桩实施检定的必要性[J].中国计量，2014(11):21-22
论文作者:王路,王轶群,徐媛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/10/30
标签：换挡论文; 电压论文; 电流论文; 信号论文; 算法论文; 电动汽车论文; 时序论文; 《电力设备》2017年第18期论文;