电动汽车车载充电管理系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种电动汽车车载充电管理系统，所述系统包括充电插座、辅助电源电路、电网电压检测电路、控制引导检测电路、主控制器、输出可调开关电源以及用于实现人机界面的显示控制模块，所述充电插座为充电桩插座或通用电源插座；所述充电插座通过连接电网使辅助电源电路产生用于给电网电压检测电路、控制引导检测电路、主控制器和显示控制模块供电的直流电源，所述电网电压检测电路、控制引导检测电路和输出可调开关电源分别与主控制器连接，所述主控制器通过CAN总线与显示控制模块连接。本实用新型的电动汽车车载充电管理系统扩大了电动汽车的充电场合，真正做到电动汽车的自由充电，方便电动汽车的使用和推广。
【专利说明】电动汽车车载充电管理系统【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种车载充电管理系统，尤其是一种电动汽车车载充电管理系统，属于电动汽车的充电领域。
【背景技术】
[0002]电动汽车是汽车发展的一个重要方向，有利于解决石油紧缺、空气污染、城市噪声和电网的波谷等问题。由于电动汽车的电池容量大，现有技术要求专用的充电设备来充电。充电站的建设是一个长期的过程，还远未达到汽车加油站的分布水平，但是电网的分布却远远大于加油站的分布。若电动汽车能像普通电气设备一样，连接普通电源插座就可以充电，则能充分利用现有的配电网进行充电，包括城市、城镇和农村，这将极大地扩大电动汽车的充电场所，达到随时随地都可充电的充电自由。另一方面，从普通民众使用汽车的习惯来看，平均每天开车时间远小于停车时间，若能利用停车时间实现慢充，将能延长动力电池的使用寿命，电网波谷充电还能降低电动汽车的使用成本。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种可以扩大电动汽车的充电场合，且可以降低电动汽车的使用成本电动汽车车载充电管理系统。
[0004]本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0005]电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:包括充电插座、辅助电源电路、电网电压检测电路、控制引导检测电路、主控制器、输出可调开关电源以及用于实现人机界面的显示控制模块，所述充电插座为充电桩插座或通用电源插座；所述充电插座通过连接电网使辅助电源电路产生用于给电网电压检测电路、控制引导检测电路、主控制器和显示控制模块供电的直流电源，所述电网电压检测电路、控制引导检测电路和输出可调开关电源分别与主控制器连接，所述主控制器通过CAN总线与显示控制模块连接。
[0006]作为一种优选方案，所述电网电压检测电路包括微型电流型电压互感器、差分放大电路、第一电阻以及第二电阻，所述微型电流型电压互感器的输入端与电网连接，输出端通过差分放大电路与主控制器连接；所述第一电阻串联在微型电流型电压互感器与电网之间，所述第二电阻并联在微型电流型电压互感器与差分放大电路之间。
[0007]作为一种优选方案，所述控制引导检测电路包括电压跟随器、光电耦合器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一二极管和第二二极管，所述充电插座的CC端、第三电阻的一端、第四电阻的一端分别连接电压跟随器的输入端，所述充电插座的PE端和第四电阻的另一端分别接地，所述电压跟随器的输出端经过第五电阻和第六电阻分压后与主控制器连接，所述充电插座的CP端通过第一二极管和第七电阻与光电耦合器的输入端连接，所述第二二极管的正极连接光电耦合器的输入端，所述第二二极管的负极接地，所述第八电阻的一端连接光电耦合器的输出端。
[0008]作为一种优选方案，所述输出可调开关电源包括开关电源辅助电源、具有PFC控制的AC-DC变换电路、具有全桥逆变和同步整流的DC-AC-DC电路以及测量控制电路，所述开关电源辅助电源采用反激开关电源和LDO稳压器组成的拓扑结构，通过连接充电插座输出用于给AC-DC变换电路、DC-AC-DC电路以及测量控制电路供电的直流电源，所述AC-DC变换电路和测量控制电路分别与DC-AC-DC电路连接。
[0009]作为一种优选方案，所述测量控制电路依次通过模拟选择器、差分放大器与DC-AC-DC电路连接。
[0010]作为一种优选方案，所述显示控制模块包括CAN总线通信接口、MCU电路、按键电路、显示电路以及用于给MCU电路供电的电源电路，所述MCU电路通过CAN总线通信接口与主控制器连接，所述按键电路和显示电路分别与MCU电路连接。
[0011 ] 作为一种优选方案，所述按键电路包括5个按键，所述5个按键分别通过上拉电阻与MCU电路的5个GPIO端口连接，所述显示电路与MCU电路的15个GPIO端口连接。
[0012]作为一种优选方案，所述CAN总线通信接口由CAN收发器、光耦、隔离电源及外围电路组成。
[0013]具体的，所述充电插座通过连接电网输出220V交流市电，所述辅助电源电路输出± 12V、5V和36V直流电源，其中± 12V和5V直流电源用于给电网电压检测电路、控制引导检测电路和主控制器供电，36V直流电源用于给显示控制模块以及其它车载设备供电；所述开关电源辅助电源输出15.2V、11.6V和3.3V的直流电源，其中15.2V直流电源用于给AC-DC变换电路供电，11.6V直流电源用于给DC-AC-DC电路供电，3.3V直流电源用于给测量控制电路供电。
[0014]本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0015]1、本实用新型的电动汽车车载充电管理系统中的充电插座可以采用充电桩插座和通用电源插座，扩大了电动汽车的充电场合，适合城市电网、城镇电网和农村电网使用，真正做到电动汽车的自由充电，方便电动汽车的使用和推广。
[0016]2、本实用新型的电动汽车车载充电管理系统可以根据用户需求，在人机界面选择基于容量的充电方式或基于时间的充电方式，以及设置相关的充电参数，若电动汽车停留的时间较长，则可以延长充电时间，减少充电电流，利用延长昂贵的动力电池使用寿命来低电动汽车的使用成本。
[0017]3、本实用新型的电动汽车车载充电管理系统根据用户在人机界面设定的充电方式以及充电参数，通过主控制器采用的电网电压状态和电池的充电状态，计算出安全的充电电压和充电电流，自适应电网电压的变化，实现充电自由，将加速电动汽车的推广和普及。
[0018]4、本实用新型的电动汽车车载充电管理系统的主控制器与输出可调开关电源构成监督控制系统，其中主控制器采用单片机进行数字控制，输出可调开关电源采用专用控制芯片进行模拟控制，综合应用了 PFC、ZVS、倍流和同步整流技术，提高了功率因素，降低了开关损耗和电磁干扰，具有控制灵活，响应时间快的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型电动汽车车载充电管理系统的结构原理图。
[0020]图2为本实用新型电动汽车车载充电管理系统的电网电压检测电路结构原理图。[0021]图3为本实用新型电动汽车车载充电管理系统的控制引导检测电路结构原理图。
[0022]图4为本实用新型电动汽车车载充电管理系统的输出可调开关电源结构原理图。
[0023]图5为本实用新型电动汽车车载充电管理系统的显示控制模块结构原理图。
[0024]图6为本实用新型电动汽车车载充电管理系统的显示控制模块实现的人机界面示意图。
[0025]图7为本实用新型电动汽车车载充电管理系统的实现流程图。
【具体实施方式】
[0026]实施例1:
[0027]如图1所示，本实施例的电动汽车车载充电管理系统包括充电插座M100、辅助电源电路M101、电网电压检测电路M102、控制引导检测电路M103、主控制器M104、输出可调开关电源M105以及显示控制模块M106，所述充电插座100可以采用专用充电桩插座或通用电源插座(自由充电)，所述主控制器M104通过控制引导检测电路M103获取充电插座100的连接状态信息，若有控制引导信号，所述充电插座100采用专用充电桩插座，若无控制引导信号，所述充电插座100采用通用电源插座；辅助电源电路MlOl的控制芯片为带PFC的单端正激PWM控制芯片FAN4800A，可获得较高的功率因数与较低的总谐波失真，在所述充电插座100连接电网时，所述辅助电源电路MlOl启动，输出直流36V/2A、±12V/0.2A和5V/0.5A，其中36V电源供显示控制模块M106以及其它车载设备用，而±12V和5V用于给电网电压检测电路M102、控制引导检测电路M103和主控制器M104供电；
[0028]所述主控制器M104采用单片机为STM32F105R8T6，具有Cortex_M3内核，内部集成有多个Timer，16路ADC，2路DAC、2路CAN控制器和足够的GPIO端口(通用IO端口)，还通过I2C总线连接EEPROM用于存储用户设置的充电数据，实现掉电保护，EEPROM选用AT24C16 ;当主控制器M104获得电源后，开始工作，通过电网电压检测电路M102获取电网实时电压值，用于自由充电(即充电插座100采用通用电源插座)时的充电控制；通过CAN总线从BMS中获取电池容量、剩余电量、电池温度等信息；通过CAN总线与显示控制模块M106连接实现通信，获取在显示控制模块M106实现的人机界面中设定的充电方式和充电参数，根据获取的所有信息控制系统的工作方式和工作参数。
[0029]所述主控制器M104与输出可调开关电源M105组成监督控制系统，主控制器M104为数字控制，输出可调开关电源M105为模拟控制，主控制器M104设置输出可调开关电源M105的控制方式为电压控制或者电流控制，设定电压和电流输出的设定值，同时测量的可调开关电源M105的输出电压和电流反馈给主控制器M104，并在显示控制模块M106实现的人机界面中显示，具有控制灵活，响应时间快的特点，共同完成电动汽车的充电管理。
[0030]如图1和图2所示，所述电网电压检测电路M102包括微型电流型电压互感器M201、差分放大电路M202、第一电阻R201以及第二电阻R202，所述微型电流型电压互感器201采用TV0815-1，其输入端与电网连接，输出端通过差分放大电路M202与主控制器M104连接；所述第一电阻R201为阻值165k Ω、功率0.5W的金属膜电阻，其串联在微型电流型电压互感器M201与电网之间；所述第二电阻R202为阻值100Ω、功率0.25W的金属膜电阻，其并联在微型电流型电压互感器M201与差分放大电路M202之间；所述差分放大电路M202把微型电流型电压互感器M201的输出电压放大7.5倍，并平移1.5V后得到Vpg，该Vpg信号传输到主控制器M104的ADC，主控制器M104对Vpg信号进行一个周期(20毫秒)的连续采样后，计算出电网电压的有效值。
[0031]如图1和图3所示，所述控制引导检测电路M103包括电压跟随器M301、光电耦合器M302、第三电阻R301、第四电阻R302、第五电阻R303、第六电阻R304、第七电阻R305、第八电阻R306、第一二极管D301和第二二极管D302，所述充电插座MlOO的CC端、第三电阻R301的一端、第四电阻R302的一端分别连接电压跟随器M301的输入端，所述充电插座MlOO的PE端和第四电阻R302的另一端分别接地；在有控制引导信号时，所述充电插座MlOO的CP端输出控制确认信号，CC端输出充电连接确认信号，PE端为保护地；CC端的电压值确定了插座的连接状态；电压跟随器M301隔离了后续电路对CC端电压测量的影响，其输出经过第五电阻R303和第六电阻R304分压后得Ipe信号，连接主控制器M104的ADC，主控制器M104据此获得插座的连接状态和电缆额定电流；CP端的控制确认信号经过第一二极管D301、第七电阻R305驱动光电耦合器M302内部LED，通过光电耦合器M302采集CP端的PWM信号，所述第二二极管D302的正极连接光电耦合器M302的输入端，负极接地，用于钳位M302内部LED反向工作时的电压，起保护作用；第八电阻R306为光电耦合器M302输出的上拉电阻，光电耦合器M302同时也起电平转换的作用，PWM信号输出给主控制器M104的定时器输入引脚，主控制器M104通过内部定时器来测量PWM的占空比，从而获得最大连续供电电流Ipc ;所述第一二极管D301和第二二极管D302采用1N4148，第三电阻R301的阻值为6k Ω，所述第四电阻R302的阻值为Ik Ω，所述第五电阻R303阻值分别为3k Ω，所述第六电阻R304的阻值为IkQ，所述第七电阻R305和第八电阻R306均为3k Ω的电阻。
[0032]如图1和图4所示，所述输出可调开关电源M105包括开关电源辅助电源M400、具有PFC控制的AC-DC变换电路M401，具有全桥逆变和同步整流的DC-AC-DC电路M402以及测量控制电路M403，所述AC-DC变换电路M401和测量控制电路M403分别与DC-AC-DC电路M402连接；所述开关电源辅助电源采用反激开关电源和LDO稳压器组成的拓扑结构，电源控制芯片为LNK626，输出相互隔离的15.2V、11.6V和3.3V的直流电源；直流15.2V电源用于给带PFC的AC-DC变换电路M401供电，所述AC-DC变换电路M401输出的直流母线电压设为400V，采用UC3855B作为主控制芯片，具有PFC和软开关功能，提高了功率因素，减少了开关损耗和电磁干扰；直流11.6V电源用于给具有全桥逆变和同步整流的DC-AC-DC电路M402供电，所述DC-AC-DC电路M402采用ISL6754作为主控制芯片，具有ZVS软开关的全桥逆变和同步整流功能，减少了开关损耗、电磁干扰和输出纹波；直流3.3V电源用于给测量控制电路M403供电，测量控制电路M403的电压测量部分采用电阻分压测量电压，电流测量部分采用两个2πιΩ的康铜电阻并联测量电流，控制部分的电压和电流的设定值由主控制器Μ104的DAC输出，电压和电流设定值和测量值通过模拟选择器74HCT4052后通过差分放大器得到电压或者电流误差，该误差用于ISL6754的输出控制，主控制器Μ104根据BMS的电池充电过程信息，选择电压或者电流作为开关电源的被控量。
[0033]如图1和图5所示，所述显示控制模块Μ106包括电源电路Μ500、CAN总线通信接口 501、MCU电路Μ502、按键电路Μ503以及显示电路Μ504，所述电源电路Μ500采用DC/DC转换电路和LDO稳压器，DC-DC转换电路采用LT1766-5转换芯片，将辅助电源电路MlOl输出的36V直流电源转换成5V直流电源，5V直流电源再经过LDO稳压器变为3.3V直流电源给MCU电路Μ502供电；所述CAN总线通信接口 Μ501由CAN收发器TJA1040、光耦TLP113、隔离电源DCP020505P及外围电路组成，实现与主控制器M104和BMS的CAN总线通信；所述MCU电路M502采用单片机STM32F103C6T6，内含CAN控制器，所述按键电路M503包括5个薄膜按键，通过上拉电阻与MCU电路M502的5个GPIO端口连接，按下为低电平；所述MCU电路M502的15个GPIO端口通过显示电路M504连接IXD显示屏(即为人机界面使用的显示屏)，所述显示电路M504包括背光控制电路和并行显示接口电路。
[0034]如图6所示，为所述显示控制模块M106实现的人机界面，其安装在电动汽车的仪表盘处，上方为240 X 128点阵IXD显示屏，下方为5个按键；IXD显示屏采用LM240128R，内含中文16点阵字库；LCD的第I?2行显示充电方式和充电参数设置，充电方式有基于容量的充电方式和基于时间的充电方式两种选择，相应的可配置参数分别为0.1C?2.0C和
0.1h?20h, C表示电池容量，h为时间单位(小时)；第3?4行显示充电状态,包括是否连接电网、是否停止充电、是正在按容量方式充电还是按时间方式充电等。第5?8行显示充电过程变量，包括充电桩充电/自由充电、电网电压、充电电压、充电电流、电池温度、电池容量、预计结束充电时间/容量等；用户可以通过按键来设置第I?2行的充电方式和充电参数，其余显示内容为通过CAN总线通信获得的数据或者根据所获得的数据计算出的数值；当按下设置按键，则第I行的充电方式反显示，这时可以按增加按键或者减少按键修改充电方式，然后按确认按键完成设置，不按确认按键则修改无效，再次按下设置按键时，则第2行的充电参数反显示，通过同样的方式修改参数并确认后生效，修改后的参数保存在主控制器M104的EEPROM中，启动/暂停按键用于启动或暂停本系统的工作。
[0035]如图1-图7所示，本实施例的电动汽车车载充电管理系统实现过程如下:
[0036]St印701、充电插座MlOO连接电网，主控制器M104上电后进行初始化，包括定时器、ADC、DAC和CAN控制器等片上外设的初始化，从EEPROM中读出工作参数；
[0037]Step702、主控制器M104通过控制引导检测电路M103采集充电插座MlOO的连接状态信息，若有控制引导信号，则充电插座MlOO采用充电桩插座连接，根据控制引导信号获取插座容许的额定电流和容许的实时充电电流；若无控制引导信号，则充电插座MlOO采用通用电源插座连接，需要根据电网电压判断；
[0038]Step703、通过电网电压检测电路M102采集电网电压，判断电网电压状态，包括是
否可充电等信息；
[0039]St印704、主控制器M104通过CAN总线获取BMS的电池状态信息，包括剩余容量、电池温度、容许的充电电压和充电电流等；
[0040]Step705、主控制器M104与人机界面通信，获取充电方式和充电参数，并把采集的信息送至人机界面显示；
[0041]Step706、根据从BMS获得的电池状态信息判断是否充电结束，若已完成充电，则转入St印707 ;若还需要继续充电，则转入St印708 ；
[0042]Step707、在人机界面上进行充电完成指示，并停止充电，等待主控制器的命令；
[0043]St印708、主控制器M104根据电池状态、人机界面设定的充电方式和充电参数、充电插座MlOO容许电流值和电网电压值，同时根据表I所示的控制策略，计算充电电压和充电电流；
[0044]Step709、主控制器M104控制可调输出开关电源M105的输出，对电池充电；并返回步骤St印702循环。[0045]如表1所示，主控制器M104控制决策表的前3列为约束条件，包括电池约束条件、电网约束条件和用户的需求约束条件，最后I列是根据这些约束条件得到的控制策略，包括是否进行充电和需要充电的充电电压或者充电电流；采用通用电源插座时，电网电压范围是根据国家标准和实际电网波动情况确定的，适合城镇和农村地区。在充电过程中实时监测电网状态，并及时修改充电功率，保证电网安全，当充电功率增加时，是逐步慢慢增加的。
[0046]
【权利要求】
1.电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:包括充电插座、辅助电源电路、电网电压检测电路、控制引导检测电路、主控制器、输出可调开关电源以及用于实现人机界面的显示控制模块，所述充电插座为充电桩插座或通用电源插座；所述充电插座通过连接电网使辅助电源电路产生用于给电网电压检测电路、控制引导检测电路、主控制器和显示控制模块供电的直流电源，所述电网电压检测电路、控制引导检测电路和输出可调开关电源分别与主控制器连接，所述主控制器通过CAN总线与显示控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述电网电压检测电路包括微型电流型电压互感器、差分放大电路、第一电阻以及第二电阻，所述微型电流型电压互感器的输入端与电网连接，输出端通过差分放大电路与主控制器连接；所述第一电阻串联在微型电流型电压互感器与电网之间，所述第二电阻并联在微型电流型电压互感器与差分放大电路之间。
3.根据权利要求1所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述控制引导检测电路包括电压跟随器、光电耦合器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一二极管和第二二极管，所述充电插座的CC端、第三电阻的一端、第四电阻的一端分别连接电压跟随器的输入端，所述充电插座的PE端和第四电阻的另一端分别接地，所述电压跟随器的输出端经过第五电阻和第六电阻分压后与主控制器连接，所述充电插座的CP端通过第一二极管和第七电阻与光电耦合器的输入端连接，所述第二二极管的正极连接光电耦合器的输入端，所述第二二极管的负极接地，所述第八电阻的一端连接光电耦合器的输出端。
4.根据权利要求1所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述输出可调开关电源包括开关电源辅助电源、具有PFC控制的AC-DC变换电路、具有全桥逆变和同步整流的DC-AC-DC电路以及测量控制电路，所述开关电源辅助电源采用反激开关电源和LDO稳压器组成的拓扑结构，通过连接充电插座输出用于给AC-DC变换电路、DC-AC-DC电路以及测量控制电路供电的直流电源，所述AC-DC变换电路和测量控制电路分别与DC-AC-DC电路连接。
5.根据权利要求4所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述测量控制电路依次通过模拟选择器、差分放大器与DC-AC-DC电路连接。
6.根据权利要求1所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述显示控制模块包括CAN总线通信接口、MCU电路、按键电路、显示电路以及用于给MCU电路供电的电源电路，所述MCU电路通过CAN总线通信接口与主控制器连接，所述按键电路和显示电路分别与MCU电路连接。
7.根据权利要求6所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述按键电路包括5个按键，所述5个按键分别通过上拉电阻与MCU电路的5个GPIO端口连接，所述显示电路与MCU电路的15个GPIO端口连接。
8.根据权利要求6所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述CAN总线通信接口由CAN收发器、光耦、隔离电源及外围电路组成。
9.根据权利要求4所述的电动汽车车载充电管理系统，其特征在于:所述充电插座通过连接电网输出220V交流市电，所述辅助电源电路输出±12V、5V和36V直流电源，其中± 12V和5V直流电源用于给电网电压检测电路、控制引导检测电路和主控制器供电，36V直流电源用于给显示控制模块以及其它车载设备供电；所述开关电源辅助电源输出15.2V、`11.6V和3.3V的直流电源，其中15.2V直流电源用于给AC-DC变换电路供电，11.6V直流电源用于给DC-AC-D C电路供电，3.3V直流电源用于给测量控制电路供电。
【文档编号】H02J7/10GK203522301SQ201320609070
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】李向阳 申请人:华南理工大学