基于MC9S12的直流双枪充电桩控制系统设计

为了提高直流充电桩的集成度、稳定性与可靠性，降低成本，提出了使用MC9S12系列单片机作为控制系统主控制器的设计方案。本文着重介绍了使用MC9S12系列单片机作为主控MCU，用来设计直流双枪充电桩控制系统的具体方法，对各类串行数据交互、数字量与模拟量数据处理进行了详细分析说明。

1 引言

随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，电动汽车已成为2l世纪汽车产业的发展方向。电动汽车的迅速发展，对充电桩的要求越来越高。直流充电桩是固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，可以为电动汽车动力电池提供直流电源的供电装置。直流充电桩的输入电压采用三相四线交流电源输入，输出为可调直流电，直接为电动汽车的动力电池充电。由于直流充电桩采用三相四线制供电，可以提供足够的功率，输出的电压和电流调整范围大，实现快速充电的要求。

目前充电桩越来越多功能化、智能化，包含有车辆通信、电源模块通信、读卡器通信、电表通信、触摸屏通信、服务器通信等，通信接口多，数据量大，并且需要较高的速度处理各个事件，以完成复杂的控制逻辑算法，达到良好的控制状态，使充电桩运行高效、稳定、可靠。

MC9S12系列汽车级微控制器适用于充电桩系统控制，有多达5路SCI、4路CAN通信接口，可用一个微控制器处理所有信号，满足现代多功能直流充电桩控制系统的数据处理需求。

本文即是在MC9S12系列微控制器平台下，利用其多路数据和信号处理的能力，实现单块MCU控制“合康智能”直流双枪充电桩，达到高集成度、缩减体积、提高稳定性与可靠性，并且有效降低成本。

2 直流充电桩结构原理

依据GB/T 20234.3-2015《电动汽车传导充电用连接装置：直流充电接口》中相关规定的要求，采用控制导引电路的方式作为充电连接装置的连接状态及充电安全保护系统装置。其典型的控制导引电路如图1所示。

直流充电安全保护系统基本方案的示意图如图1所示，包括充电机控制器、电阻R1、R2、R3、R4、R5、开关S、直流供电回路接触器K1和K2、低压辅助供电回路（电压：12V±5%，电流：10A）接触器K3和K4、充电回路接触器K5和K6以及车辆控制器，其中车辆控制装置可以集成在电池管理系统BMS中。电阻R2和R3安装在车辆插头上，电阻R4安装在车辆插座上。开关S为车辆插头的内部常闭开关，当车辆插头与车辆插座完全连接后，开关S闭合。在整个充电过程中，充电机处于主导地位，负责充电流程控制和安全保护。

3 系统框架设计方案

本系统方案设计要求：具有完整充电控制功能，符合GB18487及GB27930标准；具有多路电源模块控制功能；具有对多路电能表进行抄表的功能；具有符合ISO14443A/B标准的非接触式读卡器交互功能；具有人机交互界面；具有交易数据记录与存储功能；具有远程通信和控制功能。

根据设计要求，充分利用MC9S12的各个外设资源，处理双枪充电桩的各类信号和驱动。系统结构图如图2所示。

系统由HMI触摸屏作为主要的操作接口。触摸屏可以提供友好的人机操作界面和快捷简单的操作方式，满足客户按照不同的方式对电动汽车进行充电的要求，可以显示当前充电状态、充电电量和充电费用，友好的用户界面可以让客户进行相应的选择。当充电桩控制系统采集的电压电流等信号超出保护定值范围，充电桩会停止充电。漏电保护断路器可保证在充电过程中发生漏电等紧急故障情况下停止充电。当发生意外状况需要紧急停止充电时，可以通过急停按钮来中断充电。

4 控制系统单元电路设计

4.1 主控制器选择

MC9S12系列的多款满足本系统的设计需求，本文选择MC9S12XEPQ512微控制器，该款型号使用高性能的16位的S12技术，工作频率为40MHz。该器件包含16路12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达5路UART、4路CAN，2路I²C，2路SPI，该器件同时提供了以太网接口，极大的方便了电路设计。

4.2 串行接口电路

系统共使用了4路串行接口分别与HMI触摸屏、远程通信模块、读卡器和电能表通信。HMI触摸屏、远程通信模块为RS-485电平，经过电平转换与MCU通信，通信协议采用Modbus RTU通信协议，MCU作为主机，外部器件作为从机。读卡器为RS-232电平，经过电平转换与MCU通信，采用读卡器模块的专用协议进行通信。充电计量的电能表采用多功能直流表，电表选用2.0等级的电能表，使用RS-485接口，通过DL/T645-2007通信协议与MCU通信。RS-485接口电路如图3所示。

4.3 CAN接口电路

系统共使用了4路CAN接口分别与车辆BMS、电源模块、绝缘检测仪通信。数据链路层为物理连接之间提供可靠数据传输，本系统车载充电机与交流充电桩之间的数据帧格式符合CAN总线2.0B版本的规定，使用CAN扩展帧的29位标识符。具体每个位分配的相应定义和传输协议等功能符合SAE J1939-21的规定。CAN接口电路如图4所示。

4.4 模拟量采样接口

控制板集成各类高压与低压模拟量信号采样，能同时采集双枪的电压、电流值，同时使用隔离采样方案，确保电气安全。模拟量采样接口电路图如图5所示。

4.5 桩体电气部分设计

合康智能充电桩的电气部分主要完成充电的控制与充电过程的保护等功能。具备完善的充电保护功能，防止车辆电池过充，安全性高；具备输入侧的过流保护和短路保护功能；具备防感应雷、防静电、防过热、电池反接保护；交流输入的过压、欠压和缺相保护功能；输出侧的过流保护和短路保护功能；软启动功能，防止直流冲击电流输出；具备急停按钮，能快速切断充电模块电源和分断直流输出开关；有自动判断充电连接器、充电电缆是否正确连接；备阻燃功能与绝缘检测保护。

5 控制系统任务流程设计说明

控制系统使用微型嵌入式实时操作系统μC/OS-II，具有源码公开、可移植、可裁剪、调度策略灵活的特点，提高了系统实时性，降低了程序复杂度，易于开发。在μC/OS-II下，系统会根据各个任务的优先级自动进行调度，双枪直流充电桩控制系统的主要任务如下。

5.1 充电控制任务

具有符合GB18487及GB27930标准的完整控制导引与通信交互，各枪能独立进行充电，互不影响，主要流程如图6所示。

5.2 双枪并机控制任务

双枪直流充电桩具有两把充电枪，对应有两组电源模块，当一把枪在充电，另一把空闲时，可以将其所属的电源模块并入正在充电的充电枪，充分利用模块资源，达到整机满功率输出的能力，在对大功率充电需求的车辆充电时，能大幅缩短充电时间。主要流程如图7所示。

6 结束语

本文分析了智能直流双枪充电桩控制系统的硬件设计与软件设计，叙述了充电桩电气部分的设计。该系统以MC9S12为控制核心，实现了人机交互、充电控制、电能计量、IC卡付费、数据存储、运行状态监测、充电保护和充电信息存储和上传等多种完善的功能。该系统能满足双枪直流充电桩的充电要求，实现了一块控制板完成双枪充电全部任务处理的需求，作为充电基础设施的一部分对于推进电动汽车的普及具有重要的意义。