基于MSP430F149的電動轎車電控系統(tǒng)設(shè)計

洪耀球，李香泉，劉 浪

（景德鎮(zhèn)高等專科學校 數(shù)學與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000）

基于MSP430F149的電動轎車電控系統(tǒng)設(shè)計

洪耀球，李香泉，劉 浪

（景德鎮(zhèn)高等?？茖W校 數(shù)學與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

為解決汽車發(fā)展所帶來的對石油能源需求的激增及環(huán)保的負面影響，國內(nèi)、外已經(jīng)掀起了研制各種電動汽車的高潮。目前主要用于電車上的動力電源有鉛酸、鎳氫、鎳鎘、燃料、鋰離子蓄電池等，其中鋰電池如動力磷酸鐵鋰以其重量輕、容量高、壽命長且無污染等特點在電車中得到了更廣泛的應(yīng)用[1]。然而，鋰電池具有其自身特有的性能：電壓范圍不允許過放、過充，充、放電電流限制和工作環(huán)境溫度限定（如河南環(huán)宇集團生產(chǎn)的磷酸鐵鋰要求滿足：2.0V＜VOL＜3.7V；充電電流＜1.0SOC（電池容量）；放電電流＜4.0SOC；工作環(huán)境溫度＜65℃）。所以，電車控制總成方案中必然包含一套與鋰電池包配套的管理系統(tǒng)，同時要設(shè)計與之對應(yīng)的智能充電器、電機控制器和通信接口協(xié)議。

1 電控總成系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)擬對48V電源平臺（如鋰電池包標稱輸出電壓為48V，充滿電壓達到60V，最低放電電壓為32V，最大輸出電流為200A）進行說明，電控總成主要包括鋰電池PACK及其管理系統(tǒng)[2]、核心控制部件直流主接觸器、加速器踏板、換向手柄和接觸器、智能電機控制器和前臺數(shù)字儀表顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

電車運行分析：鑰匙開關(guān)合上后，低電流部分電路開始工作，加速器踏板中觸點K吸合，使得電壓供給智能DC-DC模塊，受控的DC-DC模塊輸出電壓3.3V給電池管理系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)，同時實時去判別電池管理系統(tǒng)返回的控制信號是否可以輸出低壓電12V；若管理系統(tǒng)給出信號表明鋰電池正常，則DC-DC模塊輸出12V電源控制直流主接觸器接通；直流接觸器接通后把大電流電源接到電機控制器，電機控制器根據(jù)踏板RW可變電阻值來調(diào)節(jié)控制電機的電流，同時控制器實時檢測分流器上流過的電流，若電流超過200A，自動調(diào)整輸出到電機上的電流；換相接觸器獲得換向手柄的位置來控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)還是停止；電池管理系統(tǒng)還實時把鋰電池相關(guān)參數(shù)：各單體電壓、溫度、總體容量發(fā)送給儀表進行顯示。

2 主功能模塊分析與設(shè)計

2.1 鋰電池管理系統(tǒng)

功能分析：實時采集各鋰電的端電壓，同時采集各鋰電的表面溫度。當插上充電接口時，本系統(tǒng)自動斷掉從智能DC-DC模塊獲取的3.3V電壓，而從充電接口獲得一個供系統(tǒng)工作的低壓3.3V，并發(fā)送一個控制信號給智能DC-DC模塊，通知DC-DC模塊停止輸出12V給直流主接觸器，從而保證大電流不會輸出到電機控制器；同時充電系統(tǒng)發(fā)送信號給管理系統(tǒng)要求充電，只有管理系統(tǒng)正常響應(yīng)后方能輸出充電電流。充電過程中，管理系統(tǒng)實時檢測各鋰電電壓和溫度，若電壓不正常、電壓充滿到位或溫度過高，系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)給儀表臺進行顯示和報警并同時發(fā)送信號給充電系統(tǒng)要求停止充電。當電車正常運行時，管理系統(tǒng)同樣實時采集各鋰電的端電壓和表面溫度，當電壓低于一定值或溫度過高時，發(fā)送控制信號給智能DC-DC，要求停止輸出12VDC電源，繼而切斷主接觸器。

圖1 電控總成系統(tǒng)方案

由于鋰電池數(shù)量多，系統(tǒng)采用分布式測量與主從機的設(shè)計方案。叢機分別采集相應(yīng)鋰電端電壓和表面溫度，并進行判別；通過隔離電路發(fā)送信號給主機，并把所有采集參數(shù)通過RS485的通信方式發(fā)送給主機進行集中[2,3]。主機獲取各控制信號和詳細參數(shù)后，通過繼電器點亮外部信號指示燈并把匯集的參數(shù)通過另一路RS485方式送往前臺儀表進行顯示；管理系統(tǒng)、智能充電機及前臺儀表之間采用RS485通信方式?？紤]到系統(tǒng)功耗，MCU采用TI公司的低功耗控制芯片MSP430F149；此芯片具有10路AD采集通道，2路UART控制器及大量IO口和外部中斷，完全滿足本系統(tǒng)的要求。主要硬件電路模塊是：單路AD采集電路、電壓泵方式實現(xiàn)較大控制電壓以及MSP430F149主CPU電路。從機設(shè)計框圖如圖2所示，主機設(shè)計框圖如圖3所示；主從機主體實現(xiàn)的硬件電路如圖4所示。

2.2 充電器系統(tǒng)

充電器與電池管理系統(tǒng)進行RS-485通信實現(xiàn)全智能充電控制，實現(xiàn)由恒流充電模式到恒壓充電模式的自動轉(zhuǎn)換，并對電池的過壓、過流、溫度、單體電池過壓和欠壓以及反接進行保護，有效的防止了電池在充電過程中受到損壞同時達到更加理想的充電效果[4]。充電機的充電分為三個階段：

圖 2 從機框圖

圖 3 主機框圖

圖4 硬件電路圖

1）預(yù)充電：充電機開啟后，根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)若有任意一只電池低于1V，充電機停止充電，充電和完成指示燈將全亮顯示電池故障報警。若電池電壓均大于1V以上則以5A的電流預(yù)充電，充電指示燈點亮，10分鐘后判斷所有電池是否均大于3V，如大于則轉(zhuǎn)入恒流充電階段，若有任意一只電池低于3V，則充電和完成指示燈將全亮顯示電池故障報警停止工作。

2）恒流充電：充電機在正常的預(yù)充電過程10分鐘后進入恒流充電。在此過程中充電機以恒定50A電流充電直到下一恒壓充電過程。充電機根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)判斷當最高溫度大于60℃，電流大于55A，總電壓大于60V或單體電池電壓大于3.7V時充電機將點亮充電和完成指示燈進行故障報警停止工作。

3）恒壓充電：充電機根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)判斷任意一只電池電壓超過3.7V時，充電機開始以2A/20s的梯度降低，當降到最高單體電壓低于3.6V時，按當時的電流繼續(xù)充電，再次充到3.7V時按上述方法降低充電電流，直到充電電流小于4A，充電機停止工作，充電完成指示燈點亮，數(shù)碼顯示斷電（無顯示）充電完成。

2.3 智能DC-DC與電機控制器

智能DC-DC模塊功能主要完成電壓的轉(zhuǎn)換和控制主接觸器的功能，把串聯(lián)鋰電的總

電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作需求的3.3V和12V電源。根據(jù)系統(tǒng)隔離和功耗的要求，輸出的3.3V電源要求功率為1.6W左右，控制主接觸器的12V電源最大功率為60W左右以滿足瞬態(tài)啟動的要求。2路輸出電源與輸入電壓進行嚴格的地隔離，隔離電壓＞＝1000V。同時，本模塊還有一路接受管理系統(tǒng)控制信號的輸入接口，采用光藕隔離方式進行采集，然后通過控制功率MOSFET的方式進行控制主接觸器。

本電器總控系統(tǒng)方案中主接觸器、電機控制器、腳踏加速器、換向接觸器和熔斷器等都選用的是河南鄭州安杰電器廠生產(chǎn)的產(chǎn)品，其中電機控制器選用的是具有電流檢測功能的改進型號，通過與分流器一起實現(xiàn)實時檢測電機工作的電流，以防鋰電池包放電電流過大的現(xiàn)象。

3 功能模塊間通信協(xié)議設(shè)計

本電控系統(tǒng)中主要有管理系統(tǒng)內(nèi)部主從機之間的多機串口通信、 管理系統(tǒng)與儀表顯示臺、充電機之間也采用了1主2從的另一路隔離RS485通信；所有各模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢順序發(fā)送方式，而數(shù)據(jù)的接收采用了中斷的方式[5]。下面以管理系統(tǒng)作為介紹。

管理系統(tǒng)主機與多個叢機進行串口通信，主機發(fā)送幀格式：1個起始位，9個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗位，無硬件握手，波特率115200；同時采用8個數(shù)據(jù)位的接收方式。對應(yīng)叢機采用接收幀：1個起始位，9個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗位，無硬件握手，波特率115200；同時采用8個數(shù)據(jù)位的發(fā)送方式[6]。通過這樣的設(shè)置，主機發(fā)送命令幀（包含地址信息），所有叢機接收命令幀并與自己內(nèi)部地址進行比較，若對應(yīng)上，則返回數(shù)據(jù)包；此時返回的數(shù)據(jù)包為8位數(shù)據(jù)格式，所以其它叢機被設(shè)置為9位接收方式不會產(chǎn)生接收中斷，而只有主機產(chǎn)生接收中斷，這樣就可以實現(xiàn)從機保留足夠多的時間去采集相應(yīng)的參數(shù)而不至于被串口中斷干擾。

主機發(fā)送命令包格式：

0xFF，0xFF，0x55，cmd，CRC16L，CRC16H；

Cmd=0x0N：訪問N號從機；對應(yīng)被訪問到的N號從機返回數(shù)據(jù)包格式為：

0xFF，0xFF，0x0N，20 Byte Data，CRC16L，CRC16H。

CRC16L與CRC16H為本幀數(shù)據(jù)前面的所有字節(jié)的CRC循環(huán)校驗所產(chǎn)生的低和高字節(jié)，以提高通信數(shù)據(jù)的檢錯能力；20 Byte Data為從機采集的5個鋰電池端電壓和各表面的溫度。

下面給出串口通信部分初始化代碼和AD初始化代碼：

4 結(jié)論

本文針對目前電動轎車、旅游觀光車和高爾夫球車中動力鋰電池的廣泛采用，提出了一套具有可行性的電控總成設(shè)計方案。并重點對鋰電池管理系統(tǒng)進行了詳細的分析，提出了基于微功耗控制器MSP430F149芯片的主從機設(shè)計方案，并對管理系統(tǒng)與充電器、直流主接觸器之間的通信協(xié)議、控制接口電路進行了設(shè)計。本方案在山東威能電池、河南環(huán)宇電池集團等企業(yè)進行了相關(guān)評審，獲得好評。

創(chuàng)新點：在以往鉛酸電池作為動力源的電動轎車電控總成方案基礎(chǔ)上，提出了基于鋰電池管理系統(tǒng)為核心，附加相應(yīng)各智能模塊：如充電機、智能DC-DC控制器、具有過流檢測功能的改進型電機控制器的整體新型電控總成方案。要求各功能模塊相互結(jié)合，共同完成對鋰電池的合理運用和保護，徹底解決過流、過放、過溫對鋰電本身及其次生危害。

[1]李香泉, 羅中明, 唐云華. 電車蓄電池參數(shù)實時檢測系統(tǒng)的研究[J]. 電測與儀表, 2006, 9: 18-20, 24.

[2]溫家鵬, 姜久春, 張維戈, 文鋒.無軌電車用鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究[J]. 北京交通大學學報, 2010(5).

[3]Gianluca Cena, Adriano Valenzano. FastCAN:A High-Performance Enhanced CAN-Like Network.IEEE[M].Transactions on Industrial Electronics, 2000, 47(4):951-95.

[4]鄔寬明. CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1996.

[5]茍廣鵬,孫澤昌,魏學哲. 控制器局域網(wǎng)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用研究[J]. 汽車工程, 2000, 22(6): 409-412.

[6]鄭敏信, 齊鉑金, 吳紅杰, 張華輝. 混合動力客車鋰離子動力電池管理系統(tǒng)[J]. 高技術(shù)通訊, 2008(2).

Design of lithium batteries powered car’s electrical control system baseed on MSP430F149

HONG Yao-qiu, LI Xiang-quan, LIU Lang

鋰離子蓄電池以其重量輕、容量高、工作電壓高、壽命長且無污染等特點得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。本文提出了一種基于鋰電池包作為動力源的電動轎車可行性電控總成設(shè)計方案，重點對鋰電池管理系統(tǒng)、智能DC-DC模塊、電機控制器、智能充電器的功能進行了分析和設(shè)計；基于MSP430低功耗核心芯片，對其主要功能模塊電路及其接口通信協(xié)議進行了詳細的設(shè)計和說明。

MSP430F149；鋰電池；電動轎車；通信協(xié)議

洪耀球（1980－），男，江西人，講師，研究方向為嵌入式技術(shù)。

TP368;TP393

B

1009-0134(2011)4(下)-0124-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).36

2010-11-21