基于PIC单片机的电动汽车充电缆上控制盒的设计

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。