电动汽车车载电池充电控制器

图3 功率管控制电路图 Fig.3 MOSFET control circuit
软件设计 整个系统充电过程的管理主要靠软件来实现的。 在Keil uVision3的环境下进行程序的编写和调试。软 3 件设计包括： 控制器初始化子程序 、 传感器信号接收 处理子程序、 MOSFET功率管控制子程序、 RS485通信
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STM32F103RC

CAN
BMS
RS485
源自文库
图2 硬件结构图 Fig.2 Hardware structure 2.1 MCU和辅助电源电路 电路的控制芯片采用 STM32F103RC，工作频率 可达到72MHz， 工作于温度从-40～+105°C可以满足汽 车工业的要求 。车载充电器控制模块的辅助电源为 24V， 需要把24V转化为15V电源为电压传感器 、 电流 传感器等供电， 5V 电源为 RS485 和 CAN 通信电路供 电， 3.3V电源为单片供电。 2.2 通信电路 通信电路包括：控制导引电路 、 RS485 和 CAN。 RS485进过光电隔离之后和开关电源进行通信。CAN 总线主要是与 BMS 进行通信以及和汽车 CAN 网络的 其他的节点之际的数据交流[2]。地面充电站通过控制 导引电路与MCU进行交流。 地面充电站利用振荡器产 生不同的占空比信号表示地面充电站当前能够提供 的最大电流值， 通过检测电压的幅值可以获知充电电 缆的额定电流。 功率管控制电路 采用60N60功率管并联提供电流， 采用分散的电 流负反馈实现每个管的电流在60A以内， 从而也达到 2.3 - 78 -
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第 09 期
有29位标识符， 包括11位基本标识符和18位标识符扩 [3] 展 。CAN数据帧格式参考SAE J1939， 并对仲裁域29 位标识符作了进一步定义， 包含一个单一的协议数据 单元 （PDU ） 。协议数据单元由七部分组成， 分别是优 PDU 格式， 特定PDU （可作为目 先级， 保留位， 数据页， 组扩展或专用 ） ， 源地址和数据域。BMS和充 标地址、 电机分配的地址分别是244、 229。 在电池充电过程中用到的报文包括： 电池充电级 别需求报文 、 电池充电状态报文 、 控制器充电状态报 BMS中止充电报文、 控制器中止充电报文、 BMS错 文、 误报文等。 下面我们以控制器充电状态报文进行具体 的分析。 控制器充电状态报文: 优先权： 6； 数据字节： 6； 刷新速率： 250ms； 29位标 0x183CF4E5； BYTE5， BYTE4：累计充电时间/ 识符： min； BYTE3， BYTE2： 电流测量值/A；BYTE1， BYTE0： 电压测量值/V。 让BMS监测控制器当前控制输出的充电电流、 电 压值是否与电池充电级别需求一致， 以确保整个充电 过程顺利进行。 如果BMS在100ms内没有收到该报文， BMS应立即结束充电。 即为超时错误， 3.2 系统主流程 系统上电后， 控制器对MCU端口、 各类中断、 CAN 总线、 RS485等进行初始化。控制器与地面充电站通 过控制引导电路进行通信， 获知充电站的参数包括可 以提高的额定电流， 额定电压， 充电电缆型号， 额定功 率等信息。控制器与BMS进入配置阶段， 将当前的状 态如最大电流、最大功率等报告给BMS， BMS据此做 电流等。 接收到 出反应， 通知控制器产生所需的电压、 BMS发出的消息后， 控制器与开关电源通信， 把控制 使电流 信号传给开关电源。同时对功率管进行控制， 或电压达到BMS要求的值。 地面充电站、 BMS、 MCU不 断地进行信号交流， 从而根据当前的状态来调整开关 电源模块和功率管。 3.3 充电过程 配置阶段完成后， BMS 和充电机进入充电阶段 。
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电动汽车车载电池充电控制器
朱光欢， 李向阳
（华南理工大学 自动化科学与工程学院, 广州 510640 ） 摘要： 在未来电动汽车将会占主导地位， 采用车载电池充电控制器比非车载充电控制器具有更多的优势。本文 提出了充电控制器的硬件设计方案， 采用CAN总线与电池组通信， RS485与开关电源模块通信， 传感器对电路进 行监测， 功率管对电流电压进行调节。采用一定的软件算法实现对功率管控制。电池组模块与充电控制器之间 该系统能够正常的运转， 达到了预期的效果。充电控制器不仅可以 的通信采用SAE J1939协议。通过实验测试， 根据电池组的特性采用合适的充电方案实现智能充电， 而且能够监控电池组进行实时的保护。 关键词： CAN； 电池组； RS485； 车载充电器； SAE J1939 中图分类号： TM910.4 文献标识码： B 文章编号： 1001-1390(2010)09-0077-04
以动力蓄电池为能源的电动汽车被认为是 21 世 纪的绿色工程。电动汽车的基本特点是能自携电能、 动力性、 经济性、 安全性和可靠性等达到或接近普通 内燃汽车。 同时电动汽车具有噪音小、 无排气污染、 易 维修、可利用用电低谷期间充电以及节能等优点， 被 认为是未来理想的交通运输工具。 为了能让电动汽车 的蓄电池高效、 长寿、 安全的发挥其全部功效， 就需要 有一系列的辅助设备来为其服务。其中， 作为电池能 源补充的充电过程， 是一个必不可少的重要环节。一 种好的充电充电器对电池的使用寿命具有举足轻重 的作用。车载充电器比非车载充电器具有更多的优 势， 通用性更强， 简化地面充电设备， 达到快速高效的 充电。车载充电器有助于推动电动汽车的发展， 因此
（IA ） ×R3， 可得:U0/U1=g（ ） R3/g（ ） R1 2 IA 1 IA
温度特性和电流非线性是完全一致的,即g（ ） =g（ ） , 1 I1 2 I1 则G=K。常数K 即为该隔离放大器的电压传输比。由 此可见, 利用光电耦合器V1和V2 电流传输系数的对 称性 , 一个作输入 , 一个作反馈 , 可以巧妙补偿其非线 性 。 然后采用运放电路把 0~3V 均匀的扩展为 -10~+ 10V，这样就可以很好的控制MOSFET使其工作在需 要的状态。 BJT可以对MOSFET进行过载保护。 超温保 护采用67L105， 设置其阀值可以使温度过高时关断电 路起到保护的功能。DS18B20温度传感器对环境进行 温度监测， 通过I/O口把数据传送给单片机。如果温度 过高， 就要考虑对MOSFET工作状态进行调整。
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图1 充电器电子线路模块示意图 Fig.1 Charger electronic circuit module schematic 硬件设计 车载控制器的硬件设计主要包括 （图2 ） ： MCU电 路、 通信电路、 传感器电路 、 电源电路 、 功率管控制电 2 路等。
子程序 、 CAN 总线通信子程序 。 其中最为复杂的是 CAN总线通信， 因为交流的数据种类比较多， 数据量 也比较大， 详细介绍这一部分的软件设计流程。 3.1 通信协议
CAN总线目前广泛地应用于分布式监测和控制 其中仲裁域 系统。CAN扩展数据帧被分成不同位域，
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电流近似均衡[1]。利用从电流传感器和电压传感器发
送的数据以及BMS发送的电池状态信息， 采用一定的 算法然后利用PA4口DA转化功能输出。 单片机的模拟 电压输出幅值范围是0~3.3V，而MOSFET的G端的电
因此需要进行转化。 压幅值为-10~+10V， 线性光电隔离化： 光电隔离器V1、 V2传输函数分 别为g（ ） 、 g（ ） ， 运放A0输出电流为IA， 运放正相输入 1 I 2 I 为UI∈[0,3]， 线性输出为U0。则有： UI /R1=g（ ） ,UO=g2 1 IA 如果V1 和V2 是同型号光电耦合器或是同一封 装的双光电耦合器,那么,可以认为它们的传输函数的
Electric Vehicle Battery Charge Controller
ZHU Guang-huan, LI Xiang-yang (South China University of Technology, Guangzhou 510640， China) Abstract： Electric vehicles will be dominated in the future, the car battery charge controller has more advantages than non-board charge controller.In this paper, a practical scheme of charge controller hardware had been worked out. It used CAN bus communication with the battery pack, RS485 communications with switching power supply module, sensor to monitor circuit, and MOSFET to adjust current and voltage.It also used software algorithms to control MOSFET.The communication between battery and charge controller module adapted SAE J1939 protocol. Through the test, the system can normally operation, and achieve the desired effect. Charge controller not only can realize intelligent charging on the basis of the characteristics of battery, but also can monitor and protection the battery pack. Key words： CAN, battery device, RS485, vehicle charger, SAE J1939 0 引 言 车载充电器的研究十分具有必要性。 原理设计 充电控制器的设计主要包括 （图1 ） ： 控制器模块、 传感器模块、 光电隔离保护模块、 功率管模块。 1 (1) 地面充电电源可以由单相 220V、 三相 380V 提 供， 通过可调开关电源转换得到可控的直流电。(2)在 充电回路中采用隔离型电流传感器和电压传感器进 行实时的检测。 (3)电池组BMS和系统控制板采用CAN 总线进行通信，向控制器汇报电池组的状态如充电 量， 当前需要的电压电流值， 当前的电池组温度等。 (4) 根据电池组的需求， 必须调整开关电源的输出。控制 器与开关电源的通信采用RS485。(5)根据开关电源的 输出和电池组的需求， 可以得出充电回路中需要的电 压或电流值。通过控制器输出控制功率管组。 - 77 -