基于MC9S12的直流雙槍充電樁控制系統設計

為了提高直流充電樁的集成度、穩定性與可靠性，降低成本，提出了使用MC9S12系列單片機作為控制系統主控制器的設計方案。本文著重介紹了使用MC9S12系列單片機作為主控MCU，用來設計直流雙槍充電樁控制系統的具體方法，對各類串行數據交互、數字量與模擬量數據處理進行了詳細分析說明。

1 引言

隨著社會的發展以及能源、環保等問題的日益突出，純電動汽車以其零排放，噪聲低等優點越來越受到世界各國的重視，電動汽車已成為2l世紀汽車產業的發展方向。電動汽車的迅速發展，對充電樁的要求越來越高。直流充電樁是固定安裝在電動汽車外，與交流電網連接，可以為電動汽車動力電池提供直流電源的供電裝置。直流充電樁的輸入電壓采用三相四線交流電源輸入，輸出為可調直流電，直接為電動汽車的動力電池充電。由于直流充電樁采用三相四線制供電，可以提供足夠的功率，輸出的電壓和電流調整范圍大，實現快速充電的要求。

目前充電樁越來越多功能化、智能化，包含有車輛通信、電源模塊通信、讀卡器通信、電表通信、觸摸屏通信、服務器通信等，通信接口多，數據量大，并且需要較高的速度處理各個事件，以完成復雜的控制邏輯算法，達到良好的控制狀態，使充電樁運行高效、穩定、可靠。

MC9S12系列汽車級微控制器適用于充電樁系統控制，有多達5路SCI、4路CAN通信接口，可用一個微控制器處理所有信號，滿足現代多功能直流充電樁控制系統的數據處理需求。

本文即是在MC9S12系列微控制器平臺下，利用其多路數據和信號處理的能力，實現單塊MCU控制“合康智能”直流雙槍充電樁，達到高集成度、縮減體積、提高穩定性與可靠性，并且有效降低成本。

2 直流充電樁結構原理

依據GB/T 20234.3-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置：直流充電接口》中相關規定的要求，采用控制導引電路的方式作為充電連接裝置的連接狀態及充電安全保護系統裝置。其典型的控制導引電路如圖1所示。

直流充電安全保護系統基本方案的示意圖如圖1所示，包括充電機控制器、電阻R1、R2、R3、R4、R5、開關S、直流供電回路接觸器K1和K2、低壓輔助供電回路（電壓：12V±5%，電流：10A）接觸器K3和K4、充電回路接觸器K5和K6以及車輛控制器，其中車輛控制裝置可以集成在電池管理系統BMS中。電阻R2和R3安裝在車輛插頭上，電阻R4安裝在車輛插座上。開關S為車輛插頭的內部常閉開關，當車輛插頭與車輛插座完全連接后，開關S閉合。在整個充電過程中，充電機處于主導地位，負責充電流程控制和安全保護。

3 系統框架設計方案

本系統方案設計要求：具有完整充電控制功能，符合GB18487及GB27930標準；具有多路電源模塊控制功能；具有對多路電能表進行抄表的功能；具有符合ISO14443A/B標準的非接觸式讀卡器交互功能；具有人機交互界面；具有交易數據記錄與存儲功能；具有遠程通信和控制功能。

根據設計要求，充分利用MC9S12的各個外設資源，處理雙槍充電樁的各類信號和驅動。系統結構圖如圖2所示。

系統由HMI觸摸屏作為主要的操作接口。觸摸屏可以提供友好的人機操作界面和快捷簡單的操作方式，滿足客戶按照不同的方式對電動汽車進行充電的要求，可以顯示當前充電狀態、充電電量和充電費用，友好的用戶界面可以讓客戶進行相應的選擇。當充電樁控制系統采集的電壓電流等信號超出保護定值范圍，充電樁會停止充電。漏電保護斷路器可保證在充電過程中發生漏電等緊急故障情況下停止充電。當發生意外狀況需要緊急停止充電時，可以通過急停按鈕來中斷充電。

4 控制系統單元電路設計

4.1 主控制器選擇

MC9S12系列的多款滿足本系統的設計需求，本文選擇MC9S12XEPQ512微控制器，該款型號使用高性能的16位的S12技術，工作頻率為40MHz。該器件包含16路12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達5路UART、4路CAN，2路I²C，2路SPI，該器件同時提供了以太網接口，極大的方便了電路設計。

4.2 串行接口電路

系統共使用了4路串行接口分別與HMI觸摸屏、遠程通信模塊、讀卡器和電能表通信。HMI觸摸屏、遠程通信模塊為RS-485電平，經過電平轉換與MCU通信，通信協議采用Modbus RTU通信協議，MCU作為主機，外部器件作為從機。讀卡器為RS-232電平，經過電平轉換與MCU通信，采用讀卡器模塊的專用協議進行通信。充電計量的電能表采用多功能直流表，電表選用2.0等級的電能表，使用RS-485接口，通過DL/T645-2007通信協議與MCU通信。RS-485接口電路如圖3所示。

4.3 CAN接口電路

系統共使用了4路CAN接口分別與車輛BMS、電源模塊、絕緣檢測儀通信。數據鏈路層為物理連接之間提供可靠數據傳輸，本系統車載充電機與交流充電樁之間的數據幀格式符合CAN總線2.0B版本的規定，使用CAN擴展幀的29位標識符。具體每個位分配的相應定義和傳輸協議等功能符合SAE J1939-21的規定。CAN接口電路如圖4所示。

4.4 模擬量采樣接口

控制板集成各類高壓與低壓模擬量信號采樣，能同時采集雙槍的電壓、電流值，同時使用隔離采樣方案，確保電氣安全。模擬量采樣接口電路圖如圖5所示。

4.5 樁體電氣部分設計

合康智能充電樁的電氣部分主要完成充電的控制與充電過程的保護等功能。具備完善的充電保護功能，防止車輛電池過充，安全性高；具備輸入側的過流保護和短路保護功能；具備防感應雷、防靜電、防過熱、電池反接保護；交流輸入的過壓、欠壓和缺相保護功能；輸出側的過流保護和短路保護功能；軟啟動功能，防止直流沖擊電流輸出；具備急停按鈕，能快速切斷充電模塊電源和分斷直流輸出開關；有自動判斷充電連接器、充電電纜是否正確連接；備阻燃功能與絕緣檢測保護。

5 控制系統任務流程設計說明

控制系統使用微型嵌入式實時操作系統μC/OS-II，具有源碼公開、可移植、可裁剪、調度策略靈活的特點，提高了系統實時性，降低了程序復雜度，易于開發。在μC/OS-II下，系統會根據各個任務的優先級自動進行調度，雙槍直流充電樁控制系統的主要任務如下。

5.1 充電控制任務

具有符合GB18487及GB27930標準的完整控制導引與通信交互，各槍能獨立進行充電，互不影響，主要流程如圖6所示。

5.2 雙槍并機控制任務

雙槍直流充電樁具有兩把充電槍，對應有兩組電源模塊，當一把槍在充電，另一把空閑時，可以將其所屬的電源模塊并入正在充電的充電槍，充分利用模塊資源，達到整機滿功率輸出的能力，在對大功率充電需求的車輛充電時，能大幅縮短充電時間。主要流程如圖7所示。

6 結束語

本文分析了智能直流雙槍充電樁控制系統的硬件設計與軟件設計，敘述了充電樁電氣部分的設計。該系統以MC9S12為控制核心，實現了人機交互、充電控制、電能計量、IC卡付費、數據存儲、運行狀態監測、充電保護和充電信息存儲和上傳等多種完善的功能。該系統能滿足雙槍直流充電樁的充電要求，實現了一塊控制板完成雙槍充電全部任務處理的需求，作為充電基礎設施的一部分對于推進電動汽車的普及具有重要的意義。