基于瑞萨RA6M1单片机的电动汽车交流充电桩设计方案

文章导读

据中国汽车工业协会的数据显示，今年一季度新能源汽车产销分别为129.3万辆和125.7万辆，同比翻倍。在销量构成中，纯电汽车占比超过70%，中国新能源汽车市场由纯电汽车主导。

电动汽车的充电问题一直是大家关注的重点，本文带你了解瑞萨RA6M1单片机在电动汽车交流充电桩的应用及快速开发过程。

作者简介

Trent Jiang(蒋韬)

安富利现场应用工程师，具有10年MCU研发工作经验和系统设计开发经验，使用Infineon、Renesas、ST和Microchip等厂家的MCU开发过不同类型的产品。主要工作包括推荐整体解决方案，协助客户完成MCU的软硬件设计，解决客户遇到的MCU及系统级技术问题。目前正在编写《Infineon PSoC4 自学笔记》一书，预计2022年底由化学工业出版社出版。

电动汽车交流充电桩

交流充电桩俗称“慢充”，交流单相充电桩一般最大额定功率为7kW，充电桩一般与交流电网(市电)连接。交流充电桩主要适用于为小型纯电动汽车或可插电混合动力电动汽车充电，为电动汽车车载充电机提供交流电源的供电装置，相当于只是起了一个控制电源的作用。

根据不同车辆电池容量，车辆充满电的时间一般需要3至8个小时。根据交流充电桩系统实际需求，一般会搭配两颗ARM Cortex M4内核以上的MCU，其中一颗为主要核心MCU，用于整桩控制，包含充电控制、电能计量、计费单元控制和通信传输;另一颗MCU用于在无网络状态使用，可搭配射频卡或Wi-Fi使用，一般应用于个体使用或企业内部使用。

整体交流充电桩使用的外设及资源包含：GPIO、ADC、PWM、IIC、UART和USB等资源。Renesas RA6M1 MCU，性能非常适合本设计的要求。

RA6M1

- 100Pin的QFP封装

- ARM Cortex M4内核的MCU带有DSP等功能

- 丰富的GPIO和外设资源

- 120MZH的主频

- 带有512kB Flash和 256kB SRAM，可以减少片外FLASH的需求，可以将关键数据存储在内部Data Flash中

交流充电桩的设计框图如图1及部分硬件原理图如图2所示：

图1 交流充电桩原理图

模块功能介绍

· GPIO和光耦控制继电器的开合

· PWM监测汽车的CP信号

· ADC采集高压信号

· UART用于射频非接卡和LCD等通讯

· 温湿度监测和4G模组

· Data Flash使用

PWM监测电动汽车的CP信号模块介绍

交流充电桩的CP信号是用于监控电动汽车和充电桩交互的功能的信号，它是由MCU发出的PWM信号。CP信号的幅值范围是±12V，PWM信号的占空比表示当前充电桩为电动汽车提供的最大充电电流数据，当PWM为1kHz， 53%占空比的时候，可以为电动汽车提供32A的充电电流。

UART用于射频非接卡和LCD等通讯模块介绍

LCD选用迪文的触摸液晶屏，主要用于人机界面显示和急停按钮反馈，LCD屏幕输出充电桩当前的信息，包含输出电压、电流、充电量和费用清单等。

射频非接卡是预留的交互接口，为交流充电桩可配置选型，当交流充电桩的终端用户为个体或企业内部使用时候，无需计费单元和联网功能，可使用射频非接卡可以进行自助充电，完全可以脱离网络对电动汽车进行充电。

GPIO和光耦控制继电器的开合

由于整个系统采用交流220V供电，为了提高系统的稳定性GPIO的输出控制全部带有光耦，同时使用MOS和继电器控制电源的通断。

温湿度监测和4G模组

板级温湿度监测, 主要用于监测PCB的板载温度，由于整板采用交流220V电源供电，同时后续电路有多颗LDO，使用温湿度传感器监测整板温度异常和安装环境的湿度异常，当发生异常后MCU将关闭充电功能，保证系统的稳定性和安全性。

Data Flash

Data Flash主要用于记录在断网状态下充电桩的结算数据和异常数据记录，保证客户在使用过程中即便发生无网络连接状态客户的充电数据信息都可以记录。

图2 交流充电桩部分原理图

在硬件设计完成后，开始进行软件程序编写，Renesas IDE 是e2 studio，调试器是E2-lite，官方文档很详细，基本上熟悉一天的话，底层的驱动及应用就可以上手了，同时Renesas给出了很多例程都可以快速的导入到IDE里面，在新建工程时建议将编译工具链选择最新版本，不仅编译速度快而且电脑不卡。在不到60天的时间内，我完成了样机的Demo调试，性能完全满足要求。

在使用过Renesas的MCU后, 感觉Renesas基于ARM Cortex M内核的MCU在功能和IDE方面非常好用，无论在硬件软件上Renesas MCU都是值得选择的单片机，从此开始了我的Renesas MCU开发之路。

原文标题：一文学会快速开发电动汽车交流充电桩

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审核编辑：汤梓红