一种新型电动汽车直流充电桩控制系统的制作方法

本实用新型涉及新能源汽车技术领域，具体涉及一种新型电动汽车直流充电桩控制系统。

背景技术：

近年来，新能源电动汽车由于无污染、能源效率高、结构简单、动力成本低等优点成为汽车产业界新宠，其组成主要包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。目前，电动货车、电动客车和电动专用车在国家政策鼓励下已在交通运输中担当起重要角色。

充电桩其功能类似于加油站里面的加油机，可以固定在地面或墙壁，安装于公共建筑(公共楼宇、商场、公共停车场等)和居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。

充电桩目前分为交流充电桩和直流充电桩。交流桩输出单相/三相交流电通过车载充电机转换成直流电给车载电池充电，功率一般较小(有7kw、22kw、40kw等功率)，充电速度一般较慢，故一般安装在小区停车场等地。直流充电桩(或称非车载充电机)则是直接输出直流电给车载电池进行充电，功率较大(有60kw、120kw、200kw甚至更高)，充电速度较快，故一般安装在高速公路旁的充电站。然而，直流充电桩在研发过程中执行性标准不统一，将会制约电动汽车产业的发展。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种新型电动汽车直流充电桩控制系统，能为任何兼容国家充电标准的电动汽车充电。

本实用新型的技术方案是：一种新型电动汽车直流充电桩控制系统，包括主控制电路，以及分别与主控制电路相连的can总线驱动电路、车载系统供电控制电路、刷卡系统接口电路、功率变换接口电路、充电桩直流充电主回路通断控制电路和声音提示电路，所述can总线驱动电路和车载系统供电控制电路分别通过充电桩端充电插座连接电动汽车端充电插头；所述充电桩端充电插座安装在充电桩直流充电主回路上，其布设有至少九个接触点。

所述主控制电路包括MC9S12XEQ512单片机电路，以及分别与MC9S12XEQ512单片机电路相连的复位电路、晶振电路、程序下载接口电路。

所述can总线驱动电路采用AD8138芯片的CAN总线驱动电路。

所述can总线驱动电路包括依次串联的第一电阻和第二电阻、差分放大芯片AD8138、第一电容和第二电容、第三电阻和第四电阻，AD8138还并联有第五电阻和第六电阻。

所述车载系统供电控制电路包括电路控制的继电器、放大电路及串联在供电主回路上的触点开关。

所述声音提示电路包括语音模块、miCro_TF存储卡、工业小喇叭。

所述工业小喇叭采用2.5W喇叭。

所述充电桩端充电插座包括至少九个接触点，所述九个接触点分别为：正极接触点、负极接触点、接地保护接触点、CANH接触点、CANL接触点、非车载系统连接确认接触点、车载系统连接确认接触点、低压辅助电源正极接触点、低压辅助电源负极接触点；所述九个接触点与电动汽车端充电插头对应接触点连接。

一种新型电动汽车直流充电桩控制系统，还包括分别与主控制电路连接的充电电缆连接确认电路、串口屏接口电路、电能读取电路、LED指示电路和报警电路，所述电能读取电路还与设置在充电桩直流充电主回路上的智能电量计量装置连接，所述充电电缆连接确认电路与连接在充电桩直流充电主回路上的充电桩端充电插座连接。

一种新型电动汽车直流充电桩控制系统还包括为所述充电桩控制装置提供电源的系统辅助电源电路。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果是：

1）本实用新型遵守了《电动汽车传导充电用连接装置第1部分通用要求》GB/T20234.1-2011及《电动汽车传导充电用连接装置第3部分直流充电接口》GB/T20234.2-2011的要求，能够为兼容该充电标准的电动汽车充电；

2）本实用新型采用了模块化设计方案，使装置中各个电路模块功能相互独立，可以很方便地集成到其它的电动汽车充电设备之中，提高了该装置硬件资源的灵活性，便于系统维护和系统升级；

3）本实用新型采用了Freescale为主控制器，借助其片内集成的脉宽调制器模块、数模转换器模块，简化了电路设计的复杂度，提升了电动汽车用户充电的便利性；

4）本实用新型实现了电动汽车直流充电过程连接确认、识别电车的供电模式以及传输口的最大电流、充电连接状态实时采集、故障报警、为用户提供语音服务及应急状况处理等功能。充电过程的实时监测及信号的安全隔离设计有效提高了系统的安全性，增强了系统的稳定性。

附图说明

图1 为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的电路原理框图。

图3 为本实用新型的基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控制电路。

图4 为本实用新型的充电电缆连接确认电路。

图5 为本实用新型的CAN总线驱动电路。

图6 为本实用新型的给车载BMS供电控制电路。

图7 为本实用新型的基于RS232的串口屏接口电路。

图8 为本实用新型的基于RS485总线的电能读取电路。

图9 为本实用新型的RGB三色LED指示电路。

图10 为本实用新型的语音模块电路。

图11 为本实用新型的充电桩充电主回路通断控制电路。

图12 为本实用新型的系统辅助电源电路。

图13 为本实用新型系统辅助电源检测电路。

具体实施方式

如附图1至附图13所示，本实用新型提供一种新型电动汽车直流充电桩控制系统，采用Freescale为主控制器，借助其片内集成的脉宽调制器（pulse width modulation, PWM）模块、数模转换器( analog to digital converter, ADC )模块，简化了电路设计的复杂度，提升了电动汽车用户充电的便利性。

该系统主要由基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控电路、充电电缆连接确认电路、CAN总线驱动电路、车载系统供电控制电路、串口屏接口电路、刷卡系统接口电路、功率变换接口电路、电能读取电路、LED指示电路、报警电路、充电桩直流充电主回路通断控制电路、声音电路等电路组成。

本实用新型实现了电动汽车直流充电过程连接确认、识别电车的供电模式以及传输口的最大电流、充电连接状态实时采集、故障报警、为用户提供语音服务及应急状况处理等功能。充电过程的实时监测及信号的安全隔离设计有效提高了系统的安全性，增强了系统的稳定性。

本实用新型采用如下方案实现：

1.模块化设计方案

该控制系统采用模块化设计方案，主要由三大部分构成：直流输入控制部分，实现直流供电控制、电能的计量、电压转化、安全防护等功能。直流输出控制部分，完成充电电缆连接确认、控制导引、与车载充电机通信等。中央控制部分，实现系统检测、人机交互等功能。其中，直流输入控制部分电压转化部分和直流输出控制部分构成充电桩直流充电主回路。本实用新型原理框图如附图2所示。

作为该系统的控制核心，采用飞思卡尔(Freescale)公司生产的16位微处理器MC9S12XEQ512，该款处理器是飞思卡尔公司推出全新MC9S12系列低功耗微处理器中的一款产品。片内集成有模数转换器( analog to digital converter, ADC )、脉宽调制器( pulse width modulation, PWM )及通用同步/异步收发器( universal synchronous asynchronous receiver and transmitter, USART )接口等外设资源，借助这些资源极大地简化了电路设计的复杂度。

在系统组成框图中，RS485接口电路实现智能电量计量模块与处理器MC9S12XEQ512之间通信接口转换，完成对充电电压、电流的读取；充电桩直流充电主回路通断控制电路实现直流接触器主触点的接通和断开，实现直流充电电能的控制；CAN总线驱动电路用于实现充电桩与车载BMS（Battery management system）的通讯；充电电缆连接确认( connection confirmation, CC )电路用于实现直流充电桩充电电缆连接确认功能；充电插座1至9标号，代表插座的九个接触点，其中，DC+为正极接触点、DC-为负极接触点、PE为接地保护接触点、S+为CANH接触点、S-为CANL接触点、CC1为非车载系统连接确认接触点、CC2为车载系统连接确认接触点、A+为低压辅助电源正极接触点、A-为低压辅助电源负极接触点。

以上所有各个电路模块功能相互独立，可以很方便地集成到其它的电动汽车充电设备之中，提高了该装置硬件资源的灵活性，便于系统维护和系统升级。

2.装置各个功能模块技术方案

（1）基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控制电路

所述基于飞思卡尔单片机MC9S12XEQ512的主控制电路主要由MC9S12XEQ512单片机电路、复位电路、晶振电路、程序下载接口电路组成。晶振为16MHz，该主控制电路的I/O分配及与其它模块的接口情况，如附图3所示。

（2）充电电缆连接确认电路

充电电缆连接确认电路如附图4所示，包括依次串联的+5V电源、第一电阻RC4、第二电阻RC5、二极管DC1、第三电阻RC7、充电连接确认端口CC0，在第二电阻RC5的两端并联光电耦合器PC817的输入端，光电耦合器PC817的输出端连接主控制电路；充电连接确认端口CC0与充电桩端充电插座的连接确认接触点CC连接。当充电桩端充电插座与电动汽车端标准充电插头完成连接时，充电连接确认端口CC0与设备地短接，+5V电源、第一电阻RC4、第二电阻RC5、二极管DC1、第三电阻RC7以及充电连接确认端口CC0、设备地构成回路，光电耦合器PC817工作，充电电缆连接确认电路输出端（即光电耦合器PC817的输出端）MCU_CC1处为低电平，充电电缆连接确认电路输出端MCU_CC1与图3中单片机的56引脚相连接。当充电桩端充电插座与电动汽车端充电插头没有连接好时，充电电缆连接确认电路输出端MCU_CC1为高电平。因此，单片机只需要检测充电电缆连接确认电路输出端MCU_CC1处的电平状态就可判断供电插头与供电插座是否连接完好。充电连接确认端口检测线通过接线端JPC1连接到充电桩端充电插座的连接确认接触点CC。

（3）CAN总线驱动电路

该系统采用工业CAN总线电路与车载BMS通讯，实现电量、车载电池型号等基本信息的读取。此电平转换电路由采用AD8138芯片的CAN接口电路完成两路电平转换。CAN总线驱动电路,如附图5所示，包括依次串联的第一电阻R1和第二电阻R2、差分放大芯片AD8138、第一电容C1和第二电容C2、第三电阻R7和第四电阻R8，AD8138还并联有第五电阻R5和第六电阻R6，输出端并联有包括R10、R9、调节输出电压的VR1在内的电压箝位电路，限制输出电压，还有为AD8138提供电压、和使能电位的R3、R4、C3、C4。该电路的signal_in+、signal_in-分别与MC9S12XEQ512单片机63、64引脚相连，signal_out+、signal_out-分别与充电插口S+，S-相连。

（4）给车载BMS供电控制电路

如附图6所示，供电控制电路包括电路控制的继电器KA1、放大电路及串联在供电主回路上的触点开关KB。继电器KA1的通过控制触点KB实现对BMS供电电路的控制。该电路受控于MC9S12XEQ512单片机的第73引脚，该引脚与给车载BMS供电控制电路的输入端RELAY_PK0连接。只要MC9S12XEQ512单片机的第73引脚输出低电平，在电阻RA3、RA4和PNP三极管QA1构成的放大电路的驱动下，继电器KA1带电，导致供电主回路上的触点KB闭合，供电电路输出电能；当MC9S12XEQ512单片机的第73引脚输出高电平，则可使正在输出的供电电路切断。

（5）基于RS232的串口屏接口电路

该系统采用工业串口LCD显示模块作为人机交互界面，完成触屏键盘输入、弹出式的菜单、增量调节等触摸屏交互方式和图标、艺术字和曲线的显示。串口屏接口电路采用RS232接口电路与工业串口LCD显示模块连接。该显示模块通信串口为RS232电平，需要完成电平转换，才能与MC9S12XEQ512单片机串口通信，此电平转换电路由采用MAX232芯片的RS232接口电路完成，电路如图7所示。MAX232芯片可完成两路电平转换，分别接到转接端子JPE1和JPE2，借助这两个接线端子由标准连接线与工业串口LCD连接。

（6）基于RS485总线的电能读取电路

本系统通过设置在充电桩直流充电主回路上的智能电量计量装置（智能电表）实现充电电能计量，支持遵循DL/T645-2007通讯规范的电能计量模块。MC9S12XEQ512单片机通过RS485接口电路实现与智能电量计量装置间的信息交互，RS485接口电路如图8所示。采用MAX485芯片完成单片机串口通信到RS485通信协议转换，实现电能消费数据的读取功能。其中，MAX485芯片的RO引脚和DI引脚分别对应接至MC9S12XEQ512单片机串口的RXD3接收引脚和TXD3发送引脚；电阻RE1为差分数据信号引脚A和B之间的匹配电阻。

（7）LED指示电路

所述LED指示电路采用RGB三色LED RGB5050来实现，原理结构如附图9所示。由5个RGB5050型LED组成一个长条形，三个NPN三极管QB1、QB2和QB3分别用来驱动LED的R、G和B的三个颜色灯管，其基极通过电路RB1、RB2和RB3分别受控于MC9S12XEQ512单片机的第9、10和11引脚，即PT0、PT1和PT2，从而显示不同的颜色，用以指示充电桩所处的不同工作状态（如：绿色表示可以使用，黄色表示正在充电，红色表示设备故障等）。该LED指示电路是一个独立的模块，其中接线端口JPB1和LED驱动三极管QB1、QB2、QB3与主控制器集成在一个电路板上，通过JPB1和JPB2采用标准连接线实现对LED指示电路的控制。

（8）声音提示电路

该系统采用工业语音模块作为人机交互的辅助设备，完成键盘输入提示、语音提示服务、故障警报服务。语音模块通过I/O口实现与MC9S12XEQ512单片机的通讯和受控，通过外置的micro TF卡存储声音文件，实现对语音资源的调度。该模块的控制引脚A10、CN1、BY分别与接到MC9S12XEQ512单片机70、71、72引脚，扬声器与工业小喇叭相连，实现语音播放。如附图10所示。

（9）充电桩直流充电主回路通断控制电路

如附图11所示，充电桩直流充电主回路通断控制电路包括由主控制电路控制的继电器KA1、设置在充电桩直流充电主回路上的直流接触器，继电器KA1的常开触点KB串联在直流接触器线圈KM1的供电主回路上，即直流接触器线圈KM1通过继电器KA1的常开触点接到220V电压L、N两端。充电桩直流充电主回路通断控制电路受控于MC9S12XEQ512单片机的第8引脚PK0，该引脚与充电桩直流充电主回路通断控制电路的输入端RELAY_PK0连接。只要MC9S12XEQ512单片机的第8引脚（PK0）输出低电平，在电阻RA3、RA4和PNP三极管QA1构成的放大电路的驱动下，继电器KA1的常开触点KB闭合，从而直流接触器线圈KM1带电，导致直流接触器在充电桩直流充电主回路上的主触点闭合，直流输出控制部分（即充电桩端供电插座）输出电能；若MC9S12XEQ512单片机的第8引脚PK0为高电平，则可使正在输出的电路切断。

也可在一些突发状况下，主控制电路没有主动切断电能时，通过急停按钮电路，人为切断电能输出；如附图11所示，急停按钮电路，主要由急停按钮SW、电容CA21以及依次串联的VCC电源、第四电阻RA5、第五电阻RA6、电压箝位电路组成。电压箝位电路采用L44芯片。第五电阻与电压箝位电路构成的串联电路分别与电容CA21、所述急停按钮的常开触点并联；所述急停按钮的常闭触点设置在直流接触器线圈的供电主回路上；电压箝位电路的输出端（在第五电阻和电压箝位电路之间）与单片机的第57引脚PA0连接。

当按下急停按钮SW时，其常开触点闭合，急停按钮电路的输出端向MC9S12XEQ512单片机的第57引脚PA0输出低电平，完成急停按钮按下动作的识别，从而单片机做出相应的处理。

（10）系统辅助电源电路

系统辅助电源如附图12所示，该部分为整个充电桩控制装置各个模块的运行提供电源。系统设计时采用模拟电源和数字电源分开设计，以避免数字电路和模拟电路的相互干扰，提供系统稳定性。附图12中，标号+24V、+15V、-15V、+12V、+5V为模拟电源，主要为模拟电路供电；VCC（+5V）是数字电源，为数字电路供电，其中，JPA1为辅助电源模块的电能输入接线端口。此外，还设计了系统辅助电源检测电路，如附图13，由电阻RA1、电阻RA2、电容CA19、电容CA20及二极管DA3构成，输出端MCU_PAD07与MC9S12XEQ512单片机的第81引脚PAD07相连接，该引脚为单片机MC9S12XEQ512的ADC输入引脚，通过采集该引脚的电压可以确定电源电压的稳定情况，图中JPA2为被检测电源电压输入接线端口。当电压出现较低或较高的波动时，系统发出警报，并终止充电过程，确保了系统的稳定运行。

本实用新型从新能源电动汽车充电设备执行标准的统一性问题，按照国标GBT20234第一部分和第三部分规定的电动汽车传导充电连接装置和直流充电接口的相关要求，设计了基于Freescale MC9S12XEQ512为主控制器的电动汽车交流充电接口电路及控制系统，具有以下特点：

1、装置遵守《GBT 20234.1-2011电动汽车传导充电用连接装置》和《GBT 20234.2-2011电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》的要求，能为兼容该充电标准的电动汽车充电。

2、以Freescale MC9S12XEQ512为主控制器，采用功能模块化的设计方案，每一个模块电路相互独立，利于系统安装和调试，便于系统维护和系统升级。

3、采用光电耦合器对数字部分和模拟部分进行隔离，有效减少了相互间的干扰，提高了系统稳定性，为充电时设备的安全、可靠地运行提供了保障。

4、实现了电动汽车直流充电时，对供电端插头连接确认及控制导引功能，并完成了充电状态参数的实时采集，完成对电动汽车充电过程的实时监控。

本实用新型设计基于Freescale MC9S12XEQ512为主控制器的电动汽车直流充电接口电路及控制装置，对该装置涉及的各个功能电路进行详细的分析和设计，实现了新能源电动汽车直流充电时，充电接口连接确认、充电过程控制监测、充电过程功率及电能参数传递等功能。光电隔离技术及器件的使用，实现了信号安全隔离，提高了系统运行的可靠性。设计内容对于电动汽车充电设备研发及基础设施建设具有一定的参考价值。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。