基于PIC單片機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)充電纜上控制盒的設(shè)計(jì)

　　　現(xiàn)代汽車(chē)中, BMS通過(guò)單片機(jī)監(jiān)控和管理汽車(chē)的充放電過(guò)程。電池是電動(dòng)汽車(chē)的重要部件,電池壽命和性能是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車(chē)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。研究表明: 電池的充電過(guò)程對(duì)電池的壽命和性能影響最大, 使用正確的充電模式與過(guò)程可以有效的延長(zhǎng)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(kāi)關(guān)電源為基礎(chǔ),并配以MCU、檢測(cè)電路和軟件[1], 在程序中固化相應(yīng)的充電管理策略和算法, 獨(dú)立地完成對(duì)電池的充電過(guò)程。依據(jù)國(guó)標(biāo)模式二的要求,將基于PIC單片機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。 基于這種思想, 在國(guó)標(biāo)模式二的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)出了基于PIC單片機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)充電纜上控制盒。
　　1 控制盒硬件設(shè)計(jì)
　　控制盒的硬件框圖如圖 1 所示, 充電主電路運(yùn)用半橋開(kāi)關(guān)推挽輸出電路。單片機(jī)一方面可對(duì)充電機(jī)電流、充電機(jī)電壓、線路板溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè), 并根據(jù)線路板的溫度對(duì)線路板進(jìn)行過(guò)溫保護(hù);另一方面單片機(jī)接口與 ECU 進(jìn)行通訊, 根據(jù)ECU 的指令利用PWM 輸出信號(hào)對(duì)繼電器進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)充電電路過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、漏電等保護(hù)。[2]
　　

　　圖1控制盒硬件原理框圖
　　1.1 PIC16(L)F1829單片機(jī)
　　單片機(jī)PIC16(L)F1829 是電路的核心部分,電路主要的測(cè)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(jiǎn)單、超低功耗、通用性強(qiáng)、編程方法較易掌握等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。單片機(jī)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(zhǔn)參數(shù)可直接存儲(chǔ)到片上E2PROM 上[3]?？刂破饔星穳簭?fù)位,上電復(fù)位、上電延時(shí)、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(dá) 5 KSPS,滿(mǎn)足電極的精度及采樣要求。電路無(wú)需另外配置專(zhuān)用 A/D 轉(zhuǎn)換器。
　　1.2電流、電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)
　　ZMCT118F A類(lèi)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(cè)量。它們將測(cè)得的電流、電壓經(jīng)信號(hào)采集器MCP6001傳給單片機(jī)PIC16(L)F1829,單片機(jī)進(jìn)行繼電器的控制,從而保護(hù)電路。
　　ZMCT118F A類(lèi)電流傳感器額定輸入電流為5A額定輸出電流為5mA,當(dāng)使用采樣電阻為50歐姆時(shí),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(jì)如圖2所示,計(jì)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(dāng)使用采樣電阻為50歐姆時(shí),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(jì)如圖3所示,計(jì)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(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)
　　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(cè)量,其電路輸入的模擬電壓信號(hào)與PIC 單片機(jī)內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸出端口相連,實(shí)現(xiàn)CP電壓值的實(shí)時(shí)反饋。光電二極管放大器MCP6004(IC1)輸出的模擬電壓信號(hào)別接至 PIC 單片機(jī)內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)輸入端口,將放大的電流、電壓信號(hào)傳給單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)。
　　

　　圖4單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)圖
　　2 控制盒工作原理與軟件設(shè)計(jì)
　　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(chē)輛控制裝置構(gòu)成實(shí)時(shí)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(guò)檢測(cè)點(diǎn)1、檢測(cè)點(diǎn)2、檢測(cè)點(diǎn)3、分別對(duì)充電電路電壓、電流、PE進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,根據(jù)所測(cè)值對(duì)繼電器進(jìn)行控制。
　

　　圖5控制盒電路原理圖
　　2. 2 控制盒軟件設(shè)計(jì)
　　控制盒軟件采用模塊化設(shè)計(jì), 主要由初始化模塊、信號(hào)檢測(cè)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(duì) CPU 的各個(gè)資源如A /D、PWM、中斷等初始化,信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)線路電流、電壓、電路板的溫度,數(shù)據(jù)通訊模塊實(shí)現(xiàn)與ECU實(shí)時(shí)信息傳遞。主程序流程如圖6所示,當(dāng)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(guò)壓(U≥253V),故障燈亮,繼電器斷開(kāi),待下降到243±10V,延時(shí)5±1s 后閉合,無(wú)限循環(huán);線路欠壓(U≤187V),故障燈亮,繼電器斷開(kāi),待上升到197±10V,延時(shí)5±1s 后閉合,無(wú)限循環(huán)。通過(guò)對(duì)電路參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)而控制繼電器的通斷,實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、接地、電路板過(guò)溫保護(hù)。
　

　　圖6主程序流程框圖
　　3測(cè)試方法和結(jié)果
　　單片機(jī)PIC16(L)F1829采用4個(gè)指示燈,電路板上標(biāo)號(hào)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(shí)亮;LD4 : 紅色,“故障”指示燈,有故障時(shí)亮。故障報(bào)警機(jī)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(duì)序號(hào)4、 5、7功能狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè);人為設(shè)置電路未接地故障實(shí)現(xiàn)檢測(cè)序號(hào)6功能狀態(tài);充電盒在不同溫度下工作進(jìn)行序號(hào)9功能狀態(tài)檢測(cè)。對(duì)序號(hào)1-9功能狀態(tài)進(jìn)行多次反復(fù)檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:每一次檢測(cè)故障報(bào)警機(jī)制均能正常準(zhǔn)確顯示,且單片機(jī)PIC16(L)F1829 能夠?qū)^電器進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制。
　　

　　圖7故障報(bào)警機(jī)制
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　控制盒以 PIC16(L)F1829為核心構(gòu)造外圍電路,滿(mǎn)足了國(guó)標(biāo)模式二要求, 達(dá)到了設(shè)計(jì)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(cè)精度,提高了儀器的可靠性。通過(guò)集成傳感器采集線路信息,實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電電路的過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、以及電路板過(guò)溫保護(hù)。該控制盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定,具有廣闊的應(yīng)用前景。