基于PIC单片机的电动汽车充电缆上控制盒的设计

卢飞,郭亮,毛彬,李统刚,陈昌俊

(四川永贵科技有限公司新能源研究院,绵阳 621000)

摘 要:依据国标交流充电枪(充电模式二,连接方式B)缆上控制盒功能要求,设计了锂离子电池充电缆上控制盒的硬件电路,电动汽车充电的控制盒与整车BMS单元构成了一个完整的电池充电控制管理系统,其中充电控制盒主要由PIC16(L)F1829单片机、变压电路和主充电电路等组成。介绍了控制盒总体软件设计流程。 实际充电过程和使用证明: 基于PIC单片机的电动汽车充电缆上控制盒,在 BMS 的控制下能对充电电路进行保护。

关键词:控制盒;单片机;电路保护

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

现代汽车中, BMS通过单片机监控和管理汽车的充放电过程。电池是电动汽车的重要部件,电池寿命和性能是评价电动汽车性能的关键指标。研究表明: 电池的充电过程对电池的寿命和性能影响最大, 使用正确的充电模式与过程可以有效的延长电池寿命。因此充电器的原理与性能是保证电池性能的最有效手段。智能充电器以开关电源为基础,并配以MCU、检测电路和软件^[1], 在程序中固化相应的充电管理策略和算法, 独立地完成对电池的充电过程。依据国标模式二的要求,将基于PIC单片机的充电揽上控制盒纳入BMS 的监控和管理之中, 根据发出指令充电并进行实时保护。 基于这种思想, 在国标模式二的基础上, 设计出了基于PIC单片机的电动汽车充电缆上控制盒。

1 控制盒硬件设计

控制盒的硬件框图如图 1 所示, 充电主电路运用半桥开关推挽输出电路。单片机一方面可对充电机电流、充电机电压、线路板温度等进行实时检测, 并根据线路板的温度对线路板进行过温保护;另一方面单片机接口与 ECU 进行通讯, 根据ECU 的指令利用PWM 输出信号对继电器进行控制,实现充电电路过流、过压、欠压、漏电等保护。^[2]

图1控制盒硬件原理框图

1.1 PIC16(L)F1829单片机

 单片机PIC16(L)F1829 是电路的核心部分,电路主要的测量及控制功能均由其完成。PIC16(L)F1829因其执行效率高、结构简单、超低功耗、通用性强、编程方法较易掌握等优点而被广泛应用。单片机PIC16(L)F1829采用 高 性 能RISC指 令 集 ,内置了 8K 字节的 Flash,1024 字节的SRAM及256字节的 E2PROM校准参数可直接存储到片上E2PROM 上^[3]。控制器有欠压复位,上电复位、上电延时、内部电路调试等特征。PIC16(L)F1829 内置 12通道 A / D 转换器。转换器自带采样/保持电路、分辨率为 10 位、采样率可达 5 KSPS,满足电极的精度及采样要求。电路无需另外配置专用 A/D 转换器。

1.2电流、电压测量电路设计

ZMCT118F A类传感器、MPT107传感器是集成化的电流、电压传感器,分别用以线路电流电压的测量。它们将测得的电流、电压经信号采集器MCP6001传给单片机PIC16(L)F1829,单片机进行继电器的控制,从而保护电路。

ZMCT118F A类电流传感器额定输入电流为5A额定输出电流为5mA,当使用采样电阻为50欧姆时,其相位差<15′,线性范围0-30A,线性度<0.3%,隔离耐压4500V。电路设计如图2所示,计算公式为:U=I*R/1000  其中I为输出电流 ,R为采样电阻,U为采样电压。

图2 电流采集电路图

MPT107电压传感器额定输入电流为2mA额定输出电流为2mA,当使用采样电阻为50欧姆时,其相位差<45′,线性范围0-100A,线性度<0.2%,隔离耐压3000V。电路设计如图3所示,计算公式为:U2=U1*R \R′其中 U1为输入电压, U2为输出电压 ,R′为限流,电阻 R为采样电阻。

图3 电压采集电路图

1.3单片机的外围电路设计

PIC16(L)F1829 的接线及周边电路如图 4 所示。单一微分比较器TL331(IC4)用以CP电压的测量,其电路输入的模拟电压信号与PIC 单片机内置 A/D 转换器的模拟信号输出端口相连,实现CP电压值的实时反馈。光电二极管放大器MCP6004(IC1)输出的模拟电压信号别接至 PIC 单片机内置 A/D 转换器模拟信号输入端口,将放大的电流、电压信号传给单片机从而实现电路的过流、过压、欠压保护。

图4单片机外围电路设计图

2 控制盒工作原理与软件设计

2.1 控制盒工作原理

控制盒工作原理如图5所示,控制盒与车辆控制装置构成实时通信系统,CP端PWM振幅为:±12VDC,频率=1KHz,正半周占空比=21.67%,控制盒通过检测点1、检测点2、检测点3、分别对充电电路电压、电流、PE进行实时测量,根据所测值对继电器进行控制。

图5控制盒电路原理图

2. 2  控制盒软件设计

控制盒软件采用模块化设计, 主要由初始化模块、信号检测模块、数据通讯模块及主程序等组成^[4]。初始化模块完成对 CPU 的各个资源如A /D、PWM、中断等初始化,信号检测模块检测线路电流、电压、电路板的温度,数据通讯模块实现与ECU实时信息传递。主程序流程如图6所示,当CP 电压值为9±0.8V、12±0.8V或其他,分别表示充电完成、插座未连接以及通讯故障;线路过压(U≥253V),故障灯亮,继电器断开,待下降到243±10V,延时5±1s 后闭合,无限循环;线路欠压(U≤187V),故障灯亮,继电器断开,待上升到197±10V,延时5±1s 后闭合,无限循环。通过对电路参数的实时检测而控制继电器的通断,实现电路的过流、过压、欠压、接地、电路板过温保护。

图6主程序流程框图

3测试方法和结果

单片机PIC16(L)F1829采用4个指示灯,电路板上标号为:LD1,LD2,LD3,LD4[] 。定义如下:

LD1 : 绿色,“电源”指示灯;LD2 : 绿色,“状态”指示灯,指示工作状态;LD3 : 红色,“故障”指示灯,有故障时亮;LD4 : 红色,“故障”指示灯,有故障时亮。故障报警机制如图7所示,给电路通以不同的CP电压值、线路电压、线路电流,分别对序号4、 5、7功能状态进行检测;人为设置电路未接地故障实现检测序号6功能状态;充电盒在不同温度下工作进行序号9功能状态检测。对序号1-9功能状态进行多次反复检测,实验结果表明:每一次检测故障报警机制均能正常准确显示,且单片机PIC16(L)F1829 能够对继电器进行实时准确控制。

图7故障报警机制

4结束语

控制盒以 PIC16(L)F1829为核心构造外围电路,满足了国标模式二要求, 达到了设计目的。在硬件电路和软件程序上均采用抗干扰措施,保证了检测精度,提高了仪器的可靠性。通过集成传感器采集线路信息,实现了对充电电路的过流、过压、欠压、以及电路板过温保护。该控制盒结构简单、工作稳定,具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1] 杨泽林,郑有根,郭小渝. 基于CAN总线的车载充电器研制[J]. 重庆工学院学报(自然科版), 2009,23(12): 21-24.

[2] 余永权,汪明慧等.单片机在控制系统中的应用[M].北京:电子工业出版社,2003.

[3] 薛华章, 张彦斌. M C S- 51系列单片微型计算机原理及应用 [M ]. 西安: 西安交通大学出版社, 1993.

[4]曹顺,李金凤,魏立峰. 基于PIC单片机的pH测试仪[J]. 仪表技术与传感器, 2012, 15(10):41-43.

(来源:电车资源EV江湖 四川永贵)

本文由电动汽车资源网【EV江湖】作者撰写,观点仅代表个人,不代表电动汽车资源网。

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