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基於PIC單片機的電動汽車充電纜上控制盒的設計
盧飛,郭亮,毛彬,李統剛,陳昌俊
(四川永貴科技有限公司新能源研究院,綿陽 621000)
摘 要:依據國標交流充電槍(充電模式二,連接方式B)纜上控制盒功能要求,設計了鋰離子電池充電纜上控制盒的硬件電路,電動汽車充電的控制盒與整車BMS單元構成了一個完整的電池充電控制管理系統,其中充電控制盒主要由PIC16(L)F1829單片機、變壓電路和主充電電路等組成。介紹了控制盒總體軟件設計流程。 實際充電過程和使用證明: 基於PIC單片機的電動汽車充電纜上控制盒,在 BMS 的控制下能對充電電路進行保護。
關鍵詞:控制盒;單片機;電路保護
Design of Electric Vehicle Charging Control Box Based on PIC Single-chip Microcomputer
Lu fei,Guo liang, Mao bin
(New Energy Institutes of Sichuan Yonggui Technology Co. Ltd., China)
Abstract: based on the requirement of national standard mode 2, the hardware of the control box with lithium-ion battery charges is developed, the close loop system of battery charging and management is constituted by charger and ECU, and the control box consist mainly of PIC16 (L) F1829 microcontroller variable voltage circuit and the main charging circuit, etc. How design the software of control box is introduced. For the application of a hybrid electric vehicle, the performance of the control box , such as the protect of charge current and voltage, the real charge program is given by real application and experiments.
Key words: control box; PIC16(L)F1829; circuit protection
0 引言
現代汽車中, BMS通過單片機監控和管理汽車的充放電過程。電池是電動汽車的重要部件,電池壽命和性能是評價電動汽車性能的關鍵指標。研究表明: 電池的充電過程對電池的壽命和性能影響最大, 使用正確的充電模式與過程可以有效的延長電池壽命。因此充電器的原理與性能是保證電池性能的最有效手段。智能充電器以開關電源為基礎,並配以MCU、檢測電路和軟件[1], 在程序中固化相應的充電管理策略和算法, 獨立地完成對電池的充電過程。依據國標模式二的要求,將基於PIC單片機的充電攬上控制盒納入BMS 的監控和管理之中, 根據發出指令充電並進行實時保護。 基於這種思想, 在國標模式二的基礎上, 設計出了基於PIC單片機的電動汽車充電纜上控制盒。
1 控制盒硬件設計
控制盒的硬件框圖如圖 1 所示, 充電主電路運用半橋開關推輓輸出電路。單片機一方面可對充電機電流、充電機電壓、線路板溫度等進行實時檢測, 並根據線路板的溫度對線路板進行過溫保護;另一方面單片機接口與 ECU 進行通訊, 根據ECU 的指令利用PWM 輸出信號對繼電器進行控制,實現充電電路過流、過壓、欠壓、漏電等保護。
[2]
圖1控制盒硬件原理框圖
1.1 PIC16(L)F1829單片機
單片機PIC16(L)F1829 是電路的核心部分,電路主要的測量及控制功能均由其完成。PIC16(L)F1829因其執行效率高、結構簡單、超低功耗、通用性強、編程方法較易掌握等優點而被廣泛應用。單片機PIC16(L)F1829採用 高 性 能RISC指 令 集 ,內置了 8K 字節的 Flash,1024 字節的SRAM及256字節的 E2PROM校準參數可直接存儲到片上E2PROM 上[3]。控制器有欠壓復位,上電覆位、上電延時、內部電路調試等特徵。PIC16(L)F1829 內置 12通道 A / D 轉換器。轉換器自帶採樣/保持電路、分辨率為 10 位、採樣率可達 5 KSPS,滿足電極的精度及採樣要求。電路無需另外配置專用 A/D 轉換器。
1.2電流、電壓測量電路設計
ZMCT118F A類傳感器、MPT107傳感器是集成化的電流、電壓傳感器,分別用以線路電流電壓的測量。它們將測得的電流、電壓經信號採集器MCP6001傳給單片機PIC16(L)F1829,單片機進行繼電器的控制,從而保護電路。
ZMCT118F A類電流傳感器額定輸入電流為5A額定輸出電流為5mA,當使用採樣電阻為50歐姆時,其相位差<15′,線性範圍0-30A,線性度<0.3%,隔離耐壓4500V。電路設計如圖2所示,計算公式為:U=I*R/1000 其中I為輸出電流 ,R為採樣電阻,U為採樣電壓。
圖2 電流採集電路圖
MPT107電壓傳感器額定輸入電流為2mA額定輸出電流為2mA,當使用採樣電阻為50歐姆時,其相位差<45′,線性範圍0-100A,線性度<0.2%,隔離耐壓3000V。電路設計如圖3所示,計算公式為:U2=U1*R \R′其中 U1為輸入電壓, U2為輸出電壓 ,R′為限流,電阻 R為採樣電阻。
圖3 電壓採集電路圖
1.3單片機的外圍電路設計
PIC16(L)F1829 的接線及周邊電路如圖 4 所示。單一微分比較器TL331(IC4)用以CP電壓的測量,其電路輸入的模擬電壓信號與PIC 單片機內置 A/D 轉換器的模擬信號輸出端口相連,實現CP電壓值的實時反饋。光電二極管放大器MCP6004(IC1)輸出的模擬電壓信號別接至 PIC 單片機內置 A/D 轉換器模擬信號輸入端口,將放大的電流、電壓信號傳給單片機從而實現電路的過流、過壓、欠壓保護。
圖4單片機外圍電路設計圖
2 控制盒工作原理與軟件設計
2.1 控制盒工作原理
控制盒工作原理如圖5所示,控制盒與車輛控制裝置構成實時通信系統,CP端PWM振幅為:±12VDC,頻率=1KHz,正半周佔空比=21.67%,控制盒通過檢測點1、檢測點2、檢測點3、分別對充電電路電壓、電流、PE進行實時測量,根據所測值對繼電器進行控制。
圖5控制盒電路原理圖
2. 2 控制盒軟件設計
控制盒軟件採用模塊化設計, 主要由初始化模塊、信號檢測模塊、數據通訊模塊及主程序等組成[4]。初始化模塊完成對 CPU 的各個資源如A /D、PWM、中斷等初始化,信號檢測模塊檢測線路電流、電壓、電路板的溫度,數據通訊模塊實現與ECU實時信息傳遞。主程序流程如圖6所示,當CP 電壓值為9±0.8V、12±0.8V或其他,分別表示充電完成、插座未連接以及通訊故障;線路過壓(U≥253V),故障燈亮,繼電器斷開,待下降到243±10V,延時5±1s 後閉合,無限循環;線路欠壓(U≤187V),故障燈亮,繼電器斷開,待上升到197±10V,延時5±1s 後閉合,無限循環。通過對電路參數的實時檢測而控制繼電器的通斷,實現電路的過流、過壓、欠壓、接地、電路板過溫保護。
圖6主程序流程框圖
3測試方法和結果
單片機PIC16(L)F1829採用4個指示燈,電路板上標號為:LD1,LD2,LD3,LD4[] 。定義如下:
LD1 : 綠色,“電源”指示燈;LD2 : 綠色,“狀態”指示燈,指示工作狀態;LD3 : 紅色,“故障”指示燈,有故障時亮;LD4 : 紅色,“故障”指示燈,有故障時亮。故障報警機制如圖7所示,給電路通以不同的CP電壓值、線路電壓、線路電流,分別對序號4、 5、7功能狀態進行檢測;人為設置電路未接地故障實現檢測序號6功能狀態;充電盒在不同溫度下工作進行序號9功能狀態檢測。對序號1-9功能狀態進行多次反覆檢測,實驗結果表明:每一次檢測故障報警機制均能正常準確顯示,且單片機PIC16(L)F1829 能夠對繼電器進行實時準確控制。
圖7故障報警機制
4結束語
控制盒以 PIC16(L)F1829為核心構造外圍電路,滿足了國標模式二要求, 達到了設計目的。在硬件電路和軟件程序上均採用抗干擾措施,保證了檢測精度,提高了儀器的可靠性。通過集成傳感器採集線路信息,實現了對充電電路的過流、過壓、欠壓、以及電路板過溫保護。該控制盒結構簡單、工作穩定,具有廣闊的應用前景。
參考文獻:
[1] 楊澤林,鄭有根,郭小渝. 基於CAN總線的車載充電器研製[J]. 重慶工學院學報(自然科版), 2009,23(12): 21-24.
[2] 餘永權,汪明慧等.單片機在控制系統中的應用[M].北京:電子工業出版社,2003.
[3] 薛華章, 張彥斌. M C S- 51系列單片微型計算機原理及應用 [M ]. 西安: 西安交通大學出版社, 1993.
[4]曹順,李金鳳,魏立峰. 基於PIC單片機的pH測試儀[J]. 儀表技術與傳感器, 2012, 15(10):41-43.
文章來源：電車資源網www.evpartner.com
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