基于STC15 單片機的電動車充電保護裝置設計

劉易君，蘇凱

（南昌航空大學測試與光電工程學院，江西南昌 330000）

隨著人們生活節(jié)奏的加快，電動車給人們交通出行帶來便利的同時，也帶來了不可忽視的安全隱患。數(shù)據(jù)顯示，絕大部分電動車火災發(fā)生在充電時期。因此，實現(xiàn)電動車的安全充電，避免火災等嚴重安全事故的發(fā)生，是目前亟待解決的問題[1]。

目前市面上已有防過充的轉(zhuǎn)接插板，但該插板不能過溫保護，功能單一。有的發(fā)明專利利用內(nèi)部接線作為控制信號插頭對充電器進行改裝，但需要對充電器進行破拆或替代，難以推廣使用[2]。設計的充電保護裝置使用期間連接在充電器與蓄電池組之間，采用STC15 單片機作為控制中心，通過檢測模塊對充電參數(shù)進行實時監(jiān)測。PMOS 與繼電器配合斷電的模式，使得該裝置能夠以較低成本安全兼容多種規(guī)格的充電電壓，相較于傳統(tǒng)充電保護裝置而言，杜絕了因充電器故障、電池鼓包引起的危險事故。

1 設計方案

1.1 原因分析

電動車充電期間起火的原因可分為以下3 種：1）電池老化導致漏液短路，電池鼓包后造成熱失控。2）充電器線路故障導致電池過充發(fā)熱。3）電池組充電時與高溫源接觸或太陽暴曬過程中導致過熱[3]。因此，針對以上3 種原因進行功能開發(fā)，該方案實現(xiàn)以下情況的自動斷電：1）當電池組達到用戶設定的告警溫度。2）充電期間實時監(jiān)測電壓和電流，當電壓或電流出現(xiàn)異常波動（電流過大切斷電路，電流過小進入浮充）。

1.2 整體設計

該裝置采用STC15W4K32S4 芯片作為主控芯片，由PMOS 與繼電器配合切斷的開關(guān)控制電路、電流電壓檢測電路、溫度監(jiān)測電路、OLED 顯示模塊、電容觸摸按鍵電路、繼電器驅(qū)動電路以及其他必要電路構(gòu)成。通過type-C 串口通信電路對單片機進行程序燒錄。電壓電流檢測電路以及電容觸摸按鍵電路均通過單片機AD 采樣引腳進行數(shù)據(jù)讀取。溫度傳感器電路采用單總線通信模式通過IO 口實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。OLED 顯示模塊通過單片機模擬IIC通信實現(xiàn)電路參數(shù)顯示。原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件電路設計

該裝置針主要以STC15W4K32S4 單片機為控制核心，配合外圍電路主要分為8 個模塊：控制模塊、電源模塊、電流電壓檢測模塊、溫度監(jiān)測模塊、開關(guān)控制模塊、電容按鍵模塊、時鐘模塊和OLED 顯示模塊。硬件連接圖如圖2 所示。

圖2 硬件設計原理圖

2.1 控制模塊

該裝置采用的STC15W4K32S4 單片機，相較于傳統(tǒng)51 系列，該系統(tǒng)不需外部晶振和外部復位，還可對外輸出時鐘和低電平復位信號，具有8 通道10位高速AD，內(nèi)置11.059 2 MHz 的晶振，且具有26k 的EEPROM。其原理圖如圖3 所示，兩路LED 作為編譯調(diào)試點，其指令代碼完全兼容于傳統(tǒng)8051。

圖3 STC15W4K32S4系統(tǒng)原理圖

2.2 電源模塊

充電電壓從充電器端輸出，通過兩組XL7005A開關(guān)芯片將48～80 V 的電壓進行降壓，一組輸出12 V提供繼電器驅(qū)動電壓，另一組輸出6.5 V 通過三端穩(wěn)壓器件降壓至穩(wěn)定的5 V 電壓給單片機電路供電。其原理圖如圖4 所示。

圖4 電源模塊原理圖

2.3 開關(guān)控制模塊

該電路設計了一種PMOS 管和繼電器配合的方式控制充電電流的通斷，當在充電器滿載充電時（通常為48 V、3 A），由于繼電器對于直流高壓的通斷可能出現(xiàn)觸電打火粘連的情況，采用高規(guī)格或增加繼電器個數(shù)均會大幅提高設計成本，故先通過PMOS管預夾斷電流再用磁保持繼電器進行二次夾斷；當需要接通充電電路時，在PMOS 管夾斷狀態(tài)下閉合磁保持繼電器，通電時先開啟磁保持繼電器再導通PMOS 管，單片機引腳控制光耦器件對電壓進行隔離，從而實現(xiàn)在較低成本下大電流的通斷切換。

繼電器采用磁保持常開2 繼電器，雙向繼電器驅(qū)動芯片對其進行驅(qū)動控制，如圖5 所示。單片機給A、B口分別置高低電平，OA 和OB端分別輸出12 V和0 V，若AB 電平相反，則芯片輸出也相反。

圖5 開關(guān)模塊原理圖

2.4 溫度監(jiān)測模塊

使用單總線通信的形式，即單根信號線雙向數(shù)據(jù)傳輸，讀取DS18B20 探頭的實時溫度，使用時設置一個溫度閾值，當溫度超過此數(shù)值時，說明溫度異常，極有可能電池出現(xiàn)充電異常，單片機通過IO 口控制PMOS 和磁保持繼電器立即切斷充電回路。其原理圖如圖6 所示。

圖6 溫度監(jiān)測模塊原理圖

2.5 電壓檢測電路

充電電壓通過500 kΩ與200 kΩ可調(diào)電阻進行分壓與限流后輸入單片機IO 口，利用STC15W4K32S4自帶10 位AD 檢測功能，通過程序按以下公式進行換算對電壓值進行讀取。

2.6 電流檢測電路

電流檢測部分在充電回路中采取高測檢流方式。其原理圖如圖7 所示。INA193AIDBVT 作為電流分流監(jiān)控器，能夠在-16～+80 V 范圍內(nèi)的共模電壓下檢測分流電阻兩端的壓差，由單片機AD 引腳進行電流值的讀取。其輸出電壓與輸入電壓滿足以下等式：

圖7 電流電壓檢測模塊原理圖

2.7 電容觸摸按鍵電路

設置單片機時鐘輸出300 kHz的方波輸入按鍵電路，當手指按壓取樣用的金屬片時，輸出到ADC的電壓降低，即可檢測到按鍵動作。通過觸摸按鍵可以延長使用壽命，方便用戶進行參數(shù)查看。其原理圖如圖8所示。

圖8 電容觸摸按鍵電路原理圖

2.8 時鐘模塊

DS1302 時鐘芯片提供時間基準，單片機循環(huán)程序每經(jīng)過Flag=200 次的循環(huán)，將閾值溫度、當前溫度以及電壓電流值存入單片機EEPROM 中。

2.9 OLED顯示模塊

基于1306 驅(qū)動芯片的OLED 顯示模塊采用IIC通信，在系統(tǒng)中顯示實時充電狀態(tài)，配合電容觸摸按鍵電路進行參數(shù)顯示以及充電開啟關(guān)閉狀態(tài)的切換。

3 軟件設計

程序在KEIL5 軟件中采用C 語言編譯，程序框架主要由參數(shù)檢測、開關(guān)控制、顯示函數(shù)構(gòu)成。程序流程圖如圖9 所示。

圖9 程序流程圖

部分框架代碼如下所示：

1）參數(shù)檢測部分

溫度傳感器：

void DS18B20Init()；//初始化溫度傳感器單總線

void TempGet()；//獲取溫度數(shù)據(jù)

電容觸摸按鍵：

void ADCButInit()；//初始化電容觸摸按鍵

void ShowBut()；//輸出按鍵數(shù)據(jù)

2）繼電器和PMOS 控制部分

void RelayOn()；//繼電器開關(guān)打開

void RelayOff()；//繼電器開關(guān)關(guān)閉

3）OLED 顯示

void OLED_Init(void)；//OLED 初始化

void OLED_ShowChinese

(uchar x,uchar y,uchar no,uchar sizey)；//顯示漢字

void OLED_ShowNum

(uchar x,uchar y,ulong num,uchar len,uchar sizey)；//顯示數(shù)字

4 調(diào)試結(jié)果

通過串口燒錄程序后，系統(tǒng)正常運行。單片機可以正?？刂芇MOS 和磁保持繼電器對電路進行夾斷。接入實驗室48 V 穩(wěn)壓電源時，萬用表測量到檢測點正常分壓，單片機AD 引腳電壓為4.5 V。電流監(jiān)測電路經(jīng)多次實驗后設置檢流電阻為30 mΩ時電源接入電流為1.5 A，10 位ADC 讀數(shù)位于中間值500，此時為檢測最佳范圍。通過物理加熱DS18B20 溫度探頭，OLED 顯示屏顯示當溫度超過閾值時電路自動切斷，蜂鳴器發(fā)出警報，當DS18B20 離線時，顯示屏會自動跳轉(zhuǎn)到報錯界面。按下彈簧觸摸按鍵片時，顯示屏上參數(shù)顯示正常切換。經(jīng)過多次調(diào)試，該裝置可以連接在充電器與電池組之間進行充電保護。

5 結(jié)論

由于電動車作為越來越多家庭的代步工具，充電時期引發(fā)的火災問題會造成嚴重的人身傷害和財產(chǎn)損失。該設計解決了電動車充電時因線路故障或電池鼓包造成危險事故的問題，PMOS 與繼電器配合的斷電方式使得該裝置兼容于多種規(guī)格的充電電壓。其成本低、體積小、安全性高等特點使其具有廣闊的應用前景。