基于MC9S12的直流雙槍充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高直流充電樁的集成度、穩(wěn)定性與可靠性，降低成本，提出了使用MC9S12系列單片機(jī)作為控制系統(tǒng)主控制器的設(shè)計(jì)方案。本文著重介紹了使用MC9S12系列單片機(jī)作為主控MCU，用來設(shè)計(jì)直流雙槍充電樁控制系統(tǒng)的具體方法，對(duì)各類串行數(shù)據(jù)交互、數(shù)字量與模擬量數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了詳細(xì)分析說明。

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展以及能源、環(huán)保等問題的日益突出，純電動(dòng)汽車以其零排放，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)越來越受到世界各國(guó)的重視，電動(dòng)汽車已成為2l世紀(jì)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，對(duì)充電樁的要求越來越高。直流充電樁是固定安裝在電動(dòng)汽車外，與交流電網(wǎng)連接，可以為電動(dòng)汽車動(dòng)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(diào)直流電，直接為電動(dòng)汽車的動(dòng)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(diào)整范圍大，實(shí)現(xiàn)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(wù)器通信等，通信接口多，數(shù)據(jù)量大，并且需要較高的速度處理各個(gè)事件，以完成復(fù)雜的控制邏輯算法，達(dá)到良好的控制狀態(tài)，使充電樁運(yùn)行高效、穩(wěn)定、可靠。

MC9S12系列汽車級(jí)微控制器適用于充電樁系統(tǒng)控制，有多達(dá)5路SCI、4路CAN通信接口，可用一個(gè)微控制器處理所有信號(hào)，滿足現(xiàn)代多功能直流充電樁控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理需求。

本文即是在MC9S12系列微控制器平臺(tái)下，利用其多路數(shù)據(jù)和信號(hào)處理的能力，實(shí)現(xiàn)單塊MCU控制“合康智能”直流雙槍充電樁，達(dá)到高集成度、縮減體積、提高穩(wěn)定性與可靠性，并且有效降低成本。

2 直流充電樁結(jié)構(gòu)原理

依據(jù)GB/T 20234.3-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置：直流充電接口》中相關(guān)規(guī)定的要求，采用控制導(dǎo)引電路的方式作為充電連接裝置的連接狀態(tài)及充電安全保護(hù)系統(tǒng)裝置。其典型的控制導(dǎo)引電路如圖1所示。

直流充電安全保護(hù)系統(tǒng)基本方案的示意圖如圖1所示，包括充電機(jī)控制器、電阻R1、R2、R3、R4、R5、開關(guān)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(tǒng)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(guān)S為車輛插頭的內(nèi)部常閉開關(guān)，當(dāng)車輛插頭與車輛插座完全連接后，開關(guān)S閉合。在整個(gè)充電過程中，充電機(jī)處于主導(dǎo)地位，負(fù)責(zé)充電流程控制和安全保護(hù)。

3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要求：具有完整充電控制功能，符合GB18487及GB27930標(biāo)準(zhǔn)；具有多路電源模塊控制功能；具有對(duì)多路電能表進(jìn)行抄表的功能；具有符合ISO14443A/B標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式讀卡器交互功能；具有人機(jī)交互界面；具有交易數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)功能；具有遠(yuǎn)程通信和控制功能。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，充分利用MC9S12的各個(gè)外設(shè)資源，處理雙槍充電樁的各類信號(hào)和驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)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(jī)操作界面和快捷簡(jiǎn)單的操作方式，滿足客戶按照不同的方式對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的要求，可以顯示當(dāng)前充電狀態(tài)、充電電量和充電費(fèi)用，友好的用戶界面可以讓客戶進(jìn)行相應(yīng)的選擇。當(dāng)充電樁控制系統(tǒng)采集的電壓電流等信號(hào)超出保護(hù)定值范圍，充電樁會(huì)停止充電。漏電保護(hù)斷路器可保證在充電過程中發(fā)生漏電等緊急故障情況下停止充電。當(dāng)發(fā)生意外狀況需要緊急停止充電時(shí)，可以通過急停按鈕來中斷充電。

4 控制系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)

4.1 主控制器選擇

MC9S12系列的多款滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，本文選擇MC9S12XEPQ512微控制器，該款型號(hào)使用高性能的16位的S12技術(shù)，工作頻率為40MHz。該器件包含16路12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)5路UART、4路CAN，2路I2C，2路SPI，該器件同時(shí)提供了以太網(wǎng)接口，極大的方便了電路設(shè)計(jì)。

4.2 串行接口電路

系統(tǒng)共使用了4路串行接口分別與HMI觸摸屏、遠(yuǎn)程通信模塊、讀卡器和電能表通信。HMI觸摸屏、遠(yuǎn)程通信模塊為RS-485電平，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與MCU通信，通信協(xié)議采用Modbus RTU通信協(xié)議，MCU作為主機(jī)，外部器件作為從機(jī)。讀卡器為RS-232電平，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與MCU通信，采用讀卡器模塊的專用協(xié)議進(jìn)行通信。充電計(jì)量的電能表采用多功能直流表，電表選用2.0等級(jí)的電能表，使用RS-485接口，通過DL/T645-2007通信協(xié)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(tǒng)共使用了4路CAN接口分別與車輛BMS、電源模塊、絕緣檢測(cè)儀通信。數(shù)據(jù)鏈路層為物理連接之間提供可靠數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)車載充電機(jī)與交流充電樁之間的數(shù)據(jù)幀格式符合CAN總線2.0B版本的規(guī)定，使用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符。具體每個(gè)位分配的相應(yīng)定義和傳輸協(xié)議等功能符合SAE J1939-21的規(guī)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(hào)采樣，能同時(shí)采集雙槍的電壓、電流值，同時(shí)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(shè)計(jì)

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(hù)等功能。具備完善的充電保護(hù)功能，防止車輛電池過充，安全性高；具備輸入側(cè)的過流保護(hù)和短路保護(hù)功能；具備防感應(yīng)雷、防靜電、防過熱、電池反接保護(hù)；交流輸入的過壓、欠壓和缺相保護(hù)功能；輸出側(cè)的過流保護(hù)和短路保護(hù)功能；軟啟動(dòng)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?jǐn)嘀绷鬏敵鲩_關(guān)；有自動(dòng)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(cè)保護(hù)。

5 控制系統(tǒng)任務(wù)流程設(shè)計(jì)說明

控制系統(tǒng)使用微型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，具有源碼公開、可移植、可裁剪、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，降低了程序復(fù)雜度，易于開發(fā)。在μC/OS-II下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)度，雙槍直流充電樁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)如下。

5.1 充電控制任務(wù)

具有符合GB18487及GB27930標(biāo)準(zhǔn)的完整控制導(dǎo)引與通信交互，各槍能獨(dú)立進(jìn)行充電，互不影響，主要流程如圖6所示。

5.2 雙槍并機(jī)控制任務(wù)

雙槍直流充電樁具有兩把充電槍，對(duì)應(yīng)有兩組電源模塊，當(dāng)一把槍在充電，另一把空閑時(shí)，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(dá)到整機(jī)滿功率輸出的能力，在對(duì)大功率充電需求的車輛充電時(shí)，能大幅縮短充電時(shí)間。主要流程如圖7所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了智能直流雙槍充電樁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，敘述了充電樁電氣部分的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以MC9S12為控制核心，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、充電控制、電能計(jì)量、IC卡付費(fèi)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充電保護(hù)和充電信息存儲(chǔ)和上傳等多種完善的功能。該系統(tǒng)能滿足雙槍直流充電樁的充電要求，實(shí)現(xiàn)了一塊控制板完成雙槍充電全部任務(wù)處理的需求，作為充電基礎(chǔ)設(shè)施的一部分對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)汽車的普及具有重要的意義。