基于PIC單片機的電動汽車充電纜上控制盒的設(shè)計

現(xiàn)代汽車中, BMS通過單片機監(jiān)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(guān)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(guān)電源為基礎(chǔ),并配以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(jù)國標模式二的要求,將基于PIC單片機的充電攬上控制盒納入BMS 的監(jiān)控和管理之中, 根據(jù)發(fā)出指令充電并進行實時保護。 基于這種思想, 在國標模式二的基礎(chǔ)上, 設(shè)計出了基于PIC單片機的電動汽車充電纜上控制盒。

1 控制盒硬件設(shè)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(guān)推挽輸出電路。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, 并根據(jù)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(jù)ECU 的指令利用PWM 輸出信號對繼電器進行控制,實現(xiàn)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(zhí)行效率高、結(jié)構(gòu)簡單、超低功耗、通用性強、編程方法較易掌握等優(yōu)點而被廣泛應用。單片機PIC16(L)F1829采用 高 性 能RISC指 令 集 ,內(nèi)置了 8K 字節(jié)的 Flash,1024 字節(jié)的SRAM及256字節(jié)的 E2PROM校準參數(shù)可直接存儲到片上E2PROM 上[3]?？刂破饔星穳簭臀?上電復位、上電延時、內(nèi)部電路調(diào)試等特征。PIC16(L)F1829 內(nèi)置 12通道 A / D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器自帶采樣/保持電路、分辨率為 10 位、采樣率可達 5 KSPS,滿足電極的精度及采樣要求。電路無需另外配置專用 A/D 轉(zhuǎn)換器。

1.2電流、電壓測量電路設(shè)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(jīng)信號采集器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,當使用采樣電阻為50歐姆時,其相位差<15′,線性范圍0-30A,線性度<0.3%,隔離耐壓4500V。電路設(shè)計如圖2所示,計算公式為:U=I*R/1000 其中I為輸出電流 ,R為采樣電阻,U為采樣電壓。

圖2 電流采集電路圖

MPT107電壓傳感器額定輸入電流為2mA額定輸出電流為2mA,當使用采樣電阻為50歐姆時,其相位差<45′,線性范圍0-100A,線性度<0.2%,隔離耐壓3000V。電路設(shè)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為采樣電阻。

圖3 電壓采集電路圖

1.3單片機的外圍電路設(shè)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(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸出端口相連,實現(xiàn)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(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)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(xiàn)電路的過流、過壓、欠壓保護。

圖4單片機外圍電路設(shè)計圖

2 控制盒工作原理與軟件設(shè)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(gòu)成實時通信系統(tǒng),CP端PWM振幅為:±12VDC,頻率=1KHz,正半周占空比=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(jù)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(shè)計

控制盒軟件采用模塊化設(shè)計, 主要由初始化模塊、信號檢測模塊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通訊模塊實現(xiàn)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 后閉合,無限循環(huán);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 后閉合,無限循環(huán)。通過對電路參數(shù)的實時檢測而控制繼電器的通斷,實現(xiàn)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(jié)果

單片機PIC16(L)F1829采用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(tài)”指示燈,指示工作狀態(tài);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(tài)進行檢測;人為設(shè)置電路未接地故障實現(xiàn)檢測序號6功能狀態(tài);充電盒在不同溫度下工作進行序號9功能狀態(tài)檢測。對序號1-9功能狀態(tài)進行多次反復檢測,實驗結(jié)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?qū)^電器進行實時準確控制。

圖7故障報警機制

4結(jié)束語

控制盒以 PIC16(L)F1829為核心構(gòu)造外圍電路,滿足了國標模式二要求, 達到了設(shè)計目的。在硬件電路和軟件程序上均采用抗干擾措施,保證了檢測精度,提高了儀器的可靠性。通過集成傳感器采集線路信息,實現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定,具有廣闊的應用前景。