电动汽车蓄电池智能充电及电池管理装置的制作方法

专利名称：电动汽车蓄电池智能充电及电池管理装置的制作方法
电动汽车蓄电池智能充电及电池管理装置技术领域 本发明涉及数字充电技术，尤其涉及由蓄电池提供能源的纯电动汽车(PEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)所使用的给蓄电池组充电的充电器。
背景技术：
由于中国能源结构、节能减排和工业转型等因素的压力，中国政府决定大力发展电动汽车产业，即将发布的《节能与新能源汽车产业发展规化》要求在2020年新能源汽车保有量达到500万辆。《规划》是我国未来10年新能源汽车产业发展的纲领性文件。热衷于争夺新能源汽车项目的国家投资和地方投资，成为大家关注的焦点，中央财政规划安排1000亿元用于支持新能源产业、央企联盟亦筹资1000亿元用于发展新能源产业。电动汽车产业将成为未来最为惹眼新兴产业。电动汽车充电机作为电动汽车的必备配套设施，也顺势成为前途广大的新型产业。电动汽车充电机是对电池充电时用到的有特定功能的电力转换装置，是一种专为电动汽车的车用电池充电的设备。电动汽车充电机可以分为直流充电机和交流充电机。电动汽车充电机至少能为以下三种类型动力蓄电池中的一种充电锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池。市场研究表明电动汽车充电机的充电效率和功率因数交流输入隔离型AC-DC充电机的输出电压为额定电压的50% 100%，并且输出电流为额定电流时，功率因数应大于
0.85，效率应大于等于90%。目前，基于蓄电池组端电压的充电方式是动力电池充电器的常用方法，它的优点是控制简单、易于实现，但这种充电方法跟随电池特性曲线的性能不理想，并且会导致电池组中部分单体电池严重过充，从而降低了电池的使用寿命。针对以上问题，，本发明提出依据电池SOC(State Of Charge,电池荷电状态)估计值进行多段式充电的充电策略，改善充电器跟随电池特性曲线的性能，同时采用电能回馈式均衡方法实现各单体电池间的均衡充电，避免了单体电池过充现象，在确保电池充电寿命的前提下，控制充电器依据电池特性曲线对电池进行充电，实现对动力电池的快速与均衡充电，这是实现动力电池快速充电的理想途径。同时本发明采用恒压恒流充电模式，自动完成整个充电过程。使整个充电过程更贴近电池原有特性，避免采用汽车原充电方式所造成的蓄电池欠充、过充等问题，有效延长蓄电池使用寿命。本发明充电机工作时无需人工值守，超长时间充电，无过充危险。

发明内容
本发明利用移相全桥ZVS(零电压开关)变换器电路设计出充电器的主电路，采用了移相PWM控制模式，以DSP数字处理器TMS320F2812芯片为核心设计出整个系统的控制电路。通过分析SOC的非线性特点和影响电池SOC的相关因素，从估算的实时性与精度等角度，对现有SOC估算方法进行比较，采用安时计量法结合卡尔曼滤波法实现SOC估算，并进行了 SOC估计算法的设计。在此基础上，对依据SOC估计值实现多段式充电曲线和均衡充电的控制采 用PID算法对充电器输出电流和输出电压进行调节。电池的荷电状态SOC被用来反映电池的剩余容量状况，这是目前国内外比较统一的认识，其数值定义为电池剩余容量占电池总容量的比值，即SOC=Q^C1。充电器的对象是蓄电池组，蓄电池组是由多节单体电池串并联而组成。这些电池的老化速度不一，来自多个批次，而且温度不同，蓄电池的单体之间存在一定的离散型。这些因素意味着它们具有不同的容量，而电荷量相同的电池有可能具有不同的电荷水平。为此，充电器的电池监视系统重点关注电池电压。必须准确地测量每节电池的电压，然后采用电流和温度测量来调整读数(针对ESR和容量变化)。为防止充放电过程中由于个体差异引起的电池端电压的影响，就需要适时检测各单体电池的端电压参数。在电池管理监控方面我们选用了凌力尔特公司(Linear TechnologyCorporation)的LTC6802芯片，它是一款完整的、高度集成的多节电池监视IC LTC6802，能测量多达12个单独的电池。该器件的专有设计使得能够把多个LTC6802串联起来(无需使用光耦合器或光隔离器)，以实现长串串接电池中每节电池的精准电压监视。长电池串能够实现高功率和可再充电应用，例如电动汽车、混合动力汽车、单脚滑行车、摩托车、高尔夫球车、轮椅、小船、叉式升降机、机器人、便携式医疗设备和不间断电源(UPS)系统。


图I蓄电池智能充电数字充电器框图。图2充电器电源主电路。图3主功率电路。图4半桥驱动电路。图5 LTC6802芯片框图。图6具有CAN网关的串行模块框图。图I TMS320F2812 与 CAN 收发器 PCA82C251 联接示意图。图8系统初始化程序流程图。图9 CAN模块初始化流程。图10 eCAN中断服务子程序化。图11主程序 流程图。图12系统充电子程序流程图。图13系统恒压、恒流子程序流程图。图14 TMS320F2812DSPPWM 输出通道。
具体实施方案在说明书附图一中可见包括数字充电机输入交流电源通过EMI滤波器到达涌入继电器对电容充电到一定值后涌入继电器合闭，交流电源进入高压全桥整流变成为脉动直流电，脉动直流电进入PFC功率因素校正单元后将电压提升到400V稳定直流电，进入高压滤波然后流过电流传感器到高频交流变换，将400V稳定直流电转换为400V高频交流电进入高频变压器，高频变压器将高压高频交流电转换为低压高频交流电后进入低压整流后进入低压滤波，输出低压直流电。电池接入系统后先由电池状态判断电池极性，电池极性正确继电器合闭开始进入直流充电过程。液晶显示屏显示当前的电压电流等参数，风扇提供系统散热，在监测到电源机箱温度达到设置温度时，风扇将自行启动。电源机箱温度、电池温度将在液晶显示屏上予以显示。电源主电路如图I所示，它由电源滤波、整流、半桥逆变、全波整流滤波等组成。充电时，220 V单相交流电经EMI滤波器滤波、方桥整流滤波后送给QA、QB、C 2、C 3组成的半桥，经高频变压器隔离，由D1、D2 二极管模块、滤波电感Tl、电容C 4整流后转换成直流电。CTl为电流检测点。在图2主功率电路上设有I个电流检测点ITl和3个电压检测点US1、US2、US3，采用CHB-25NP型号霍尔电流传感器和CHV-25P型号霍尔电压传感器来检测电流和电压。综合考虑开关频率对电源体积、电流波形质量和开关损耗的影响，MOS管开关频率选定为40kHz。为抑制过电压、减小开关损耗、限制电压上升速率以及消除电磁干扰，在MOS管两端并联RC缓冲电路。缓冲电路中，缓冲电阻R2越小，电容C5越大，则缓冲电路的作用越明显，但同时要考虑功率损耗等因素。电路中选取多个270 Q左右/10 W电阻并联和10 nF左右的缓冲电容。由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都会产生不同程度的电磁干扰，高频变压器的设计在开关电源中是比较关键的。为抑制变压器偏磁，提高变压器抗不平衡的能力，在变压器原边串入了一个CBB电容。我们通过控制MOSFET功率管QC、QD, PWM驱动信号的占空比，以及Kl、K2功率继电器的导通和关断，改变电路拓扑结构实现充放电。根据主功率电路MOS管所在电路的拓扑结构，在TMS320F2812中使用事件管理器EVA/EVB产生4路PWM驱动波形。其中由通用定时器GPl和GP2产生的2路PWM波用于驱动半桥上下MOS管QA、QB,由通用定时器GP3和GP4产生的2路PWM波用于驱动半桥上下MOS管MOS管QC、QD。半桥驱动电路如图3所示，MOS管驱动芯片选择IR公司的IR2113。在控制板上，为了隔离强弱电干扰威胁，保护芯片元器件，输入输出信号都需要经过隔离。隔离电路采用Avago公司的高速光耦HCPL-2601。TMS320F2812DSPPWM见图14。凌力尔特公司的LTC6802芯片它内置一个12位ADC、一个精准电压基准、一个高电压输入多工器和一个串行接口。每个LTC6802能够在总输入电压高达60V的情况下测量12个串接电池的电压。所有12个输入通道上的电压测量都能在13ms的时间之内完成。可以把多个LTC6802器件串联起来，以监视串接电池中每节电池的电压。每个LTC6802具有一个可单独寻址的串行接口，因而允许把多达16个LTC6802器件连接至一个控制处理器并同时运作。为了最大限度地降低功率，LTC6802提供了一种测量模式，旨在监视每节电池的过压和欠压条件。另外，该器件还提供了一种待机模式，以把电源电流减小至50 u A0每个电池输入均具有一个相关联的MOSFET开关,用于对任何过充电电池进行放电。LTC6802提供了一个串行接口，从而可对多个LTC6802器件的串行端口进行菊链 式连接，而无需使用光耦合器或光隔离器。每个LTC6802通过一个IMHz串行接口进行通信，并包括温度传感器输入、GPIO线(通用输入/输出)和一个精准的电压基准。LTC6802芯片框图如图4所示，在图4中我们可以看到LTC6802芯片的内部结构和外接电池的示意图，一片LTC6802芯片可以外接12个单体电池，其数据通过串行接口高低位输出。具有CAN网关的串行模块通信系统组成方案。CAN总线控制器采用恩智浦半导体推出的LPC11C22芯片，是市场上定价最低的32位MCU解决方案，它的价值和易用性比现有的8位/16位微控制器更胜一筹。LPCl 1C22芯片内集成了高速CAN收发器、CAN控制器，在进行CAN总线通信时，数据传输更加灵活方便，可靠性更高、功能更加完备。它完全兼容CAN2. OB协议，可以在有 干扰的环境里使用上述协议与其他控制器串行通信，LPC11C22芯片还提供了通用可靠的串行通信接口，具有CAN网关的串行模块见图5。在图5中可以看到一片LTC6802芯片可以外接12个单体电池，LTC6802芯片级联数最大可以达到16，即可以检测16x12=192个单体电池。锂离子蓄电池单体电压为3. 6V，磷酸铁锂蓄电池单体电压为3. 3V，国内电动汽车使用最多的是110-250V电压，用LTC6802作为单体电池的检测是完全没有问题的，模块的数量可以根据车辆使用电池的数量增减。在本发明中除了每个LTC6802都在由12个电池组成的模块安装在蓄电池组内部的电路板上，这16个模块通过LTC6802非隔离SPI兼容串行接口通信，在电池模块对之间连接3或4个传导电缆，通过传导电缆将蓄电池相关信息传送给LPCl 1C22，同时考虑到电动汽车本身的CAN总线能与此兼容，在车辆行驶过程中也能随时监控到蓄电池的相关状态，所以这里采用LPC11C22芯片和电流隔离变压器以形成完整的电池充电和车辆行驶电池状态监视系统，在图6中可以清晰看出。TMS320F2812DSP外设中断扩展模块(PIE)中，多个中断源复用几个中断输入信号，PIE最多可支持96个中断，以8个中断为一组，共有12组中断。外设中断扩展模块(PIE)的初始化由禁止和清除所有中断、初始化PIE控制寄存器和初始化中断向量表三部分组成。配置中断模块时先初始化PIE控制寄存器和PIE中断向量表。系统中PIE向量表存放着每个中断服务程序的地址，每个中断都有自己的中断向量，初始化中断向量表是要定位中断向量。然后设置中断服务的入口地址，根据中断向量表中所定义的地址，把相应的中断向量指向所要执行的子程序。TMS320F2812中有3个32位CPU定时器，其中定时器I和定时器2是预留给实时操作系统使用的，用户在应用程序中能使用定时器O。这里的定时器模块初始化仅需要对定州器0进行初始化，即设置定时器期寄存器和定时器预定标寄存器的值。程序流程图见图7。CAN模块在使用之前，必须进行初始化，并且只有在CAN模式下才能初始化。初始化eCAN模块包括配置引脚、清除标志位、配置位时序参数和置邮箱。CAN模块初始化流程见图8。CAN总线中断接收服务子程序完成数据的接收，并根据接收的数据做出相应的处理。接收的数据即表示充电器的启动、停止、充电电压大小、各单体蓄电池端电压数据、蓄电池温度、充电器温度等控制显示信息。向相应邮箱的接收消息寄存器写I即可清除引起中断的标志位。CAN总线中断接收服务子程序流程图如图9所示。当CAN模块检测到有需要接收的数据时，产生中断信号向CPU申请中断这就保证了接收数据的实时性，为保证了充电器的实时控制提供了条件。DSP软件部分采用C语言编写，软件由系统主程序、充电子程序、放电子程序、恒压子程序、恒流子程序、通信子程序、报警子程序等组成，主要实现充放电控制、电压与电流的采样、驱动、保护、CAN通信控制等功能。而通信程序主要实现CAN总线之间信息的交换。主程序流程图见图10，系统充电子程序流程图见图11，系统恒压、恒流子程序流程图见图12。
权利要求
1.一种电动汽车蓄电池智能充电及电池管理装置，包括数字功率电源模块、DSP数字控制器模块、蓄电池管理控制模块及CAN总线，其特征在于 DSP处理器控制模块⑴接收来自键盘单元(12)、温度采集单元④、电流电压采集单元(6)的信息，DSP控制器经过运算处理后输出信息到过压欠压保护单元⑵；输出过载保护信息到过载保护单元⑶；输出报警信息到报警单元(13);输出显示信息到显示单元(11);输出PWM信息到输出驱动单元(5) ;DSP控制器通过存储单元(15)进行读写有用信息，辅助电源单元(10)向相关单元提供稳定的直流工作电压，DSP控制器的通信单元(15)通过DSP内部eCAN模块与蓄电池管理控制模块⑶进行通信；市电(16)输入到数字功率电源(7)，数字功率电源(7)在DSP数字控制器下向蓄电池组⑶进行充电；蓄电池管理控制模块⑶在电动汽车充电时通过CAN总线与DSP处理器控制单元⑴的通信单元(15)通过DSPeCAN模块进行通信，在电动汽车行驶时通过CAN总线与车载CAN (17)联接通信；所述的DSP控制模块主要实现充放电控制、电压与电流的采样、驱动、保护、电池控制等功能；DSP控制模块包括显示单元、报警单元、存贮单元、通信单元、键盘、电参数采集单元、温度采集单元、过载保护电源、过压欠压保护单元、辅助电源单元、驱动输出单元构成，DSP处理器模块分别与显示单元、报警单元、存贮单元、通信单元、键盘、电参数采集单元、温度采集单元、过载保护电源、过压欠压保护单元、辅助电源单元、驱动输出单元联接，温度采集单元采集数字功率电源的温度信息；电参数采集单元采集数字功率电源的输出电压和电流信号；数字功率电源根据DSP控制器发出的指令向蓄电池输出电能给蓄电池充电；蓄电池管理控制模块检测管理每个单体蓄电池的有关参数通过CAN总线向DSP控制器传送信息；蓄电池管理控制模块在车行驶过程中可以通过本车CAN总线与之连接，将蓄电池状态实时在仪表盘上予以显示。
2.根据权利要求一所述的电动汽车蓄电池智能充电及电池管理装置其特征在于整个装置由数字功率电源模块(16)、DSP数字控制器模块⑴、蓄电池监控管理模块⑶及CAN总线构成。
3.DSP控制器采用TMS320F2812芯片控制；在电池管理监控方面我们选用了凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)的LTC6802芯片；CAN总线控制器米用恩智浦半导体推出的LPCl 1C22芯片。
4.根据权利要求一所述的电动汽车蓄电池智能充电及电池管理装置其特征在于蓄电池监控管理模块(9)是单独安装在电动汽车的蓄电池组上面，它是一独立的安装单元，通过该单元的CAN接线端子与DSP控制器和车载CAN总线进行联接。
5.根据权利要求一所述的电动汽车蓄电池智能充电及电池管理装置其特征在于采用CHB-25NP型号霍尔电流传感器和CHV-25P型号霍尔电压传感器来检测电流和电压。
全文摘要
本发明涉及电动汽车充电器技术及蓄电池组电池管理技术，包括由DSP芯片及其外围组成的充电器控制中心，对充电器中的数字功率电源的相关信息进行控制、显示、存储、通信传输。本发明还包括蓄电池智能管理技术，专用蓄电池管理检测芯片检测每个单体蓄电池的参数然后通过CAN总线发送到控制中心，根据接收的信息DSP发出相应指令给数字电源作出相应调整，同时将各单体蓄电池参数发送给显示单元予以显示。蓄电池智能管理单元在电动汽车运行时可以通过车载CAN总线与之联接，使得驾驶人员可以通过仪表盘适时监控到各蓄电池的工作情况。
文档编号H02J7/02GK102638085SQ20111014417
公开日2012年8月15日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者王远平, 许祝, 陈军, 龙永杰 申请人:重庆瑞升康博电气有限公司