洪耀球，李香泉，劉 浪

（景德鎮(zhèn)高等專(zhuān)科學(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000）

基于MSP430F149的電動(dòng)轎車(chē)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洪耀球，李香泉，劉 浪

（景德鎮(zhèn)高等專(zhuān)科學(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

為解決汽車(chē)發(fā)展所帶來(lái)的對(duì)石油能源需求的激增及環(huán)保的負(fù)面影響，國(guó)內(nèi)、外已經(jīng)掀起了研制各種電動(dòng)汽車(chē)的高潮。目前主要用于電車(chē)上的動(dòng)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(dòng)力磷酸鐵鋰以其重量輕、容量高、壽命長(zhǎng)且無(wú)污染等特點(diǎn)在電車(chē)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(guò)放、過(guò)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(tuán)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(chē)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(shí)要設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的智能充電器、電機(jī)控制器和通信接口協(xié)議。

1 電控總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擬對(duì)48V電源平臺(tái)（如鋰電池包標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為48V，充滿電壓達(dá)到60V，最低放電電壓為32V，最大輸出電流為200A）進(jìn)行說(shuō)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(jī)控制器和前臺(tái)數(shù)字儀表顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

電車(chē)運(yùn)行分析：鑰匙開(kāi)關(guān)合上后，低電流部分電路開(kāi)始工作，加速器踏板中觸點(diǎn)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(shí)實(shí)時(shí)去判別電池管理系統(tǒng)返回的控制信號(hào)是否可以輸出低壓電12V；若管理系統(tǒng)給出信號(hào)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(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)踏板RW可變電阻值來(lái)調(diào)節(jié)控制電機(jī)的電流，同時(shí)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)分流器上流過(guò)的電流，若電流超過(guò)200A，自動(dòng)調(diào)整輸出到電機(jī)上的電流；換相接觸器獲得換向手柄的位置來(lái)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)還是停止；電池管理系統(tǒng)還實(shí)時(shí)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(jìn)行顯示。

2 主功能模塊分析與設(shè)計(jì)

2.1 鋰電池管理系統(tǒng)

功能分析：實(shí)時(shí)采集各鋰電的端電壓，同時(shí)采集各鋰電的表面溫度。當(dāng)插上充電接口時(shí)，本系統(tǒng)自動(dòng)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(gè)供系統(tǒng)工作的低壓3.3V，并發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)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(huì)輸出到電機(jī)控制器；同時(shí)充電系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)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(guò)程中，管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各鋰電電壓和溫度，若電壓不正常、電壓充滿到位或溫度過(guò)高，系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)給儀表臺(tái)進(jìn)行顯示和報(bào)警并同時(shí)發(fā)送信號(hào)給充電系統(tǒng)要求停止充電。當(dāng)電車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，管理系統(tǒng)同樣實(shí)時(shí)采集各鋰電的端電壓和表面溫度，當(dāng)電壓低于一定值或溫度過(guò)高時(shí)，發(fā)送控制信號(hào)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?cái)?shù)量多，系統(tǒng)采用分布式測(cè)量與主從機(jī)的設(shè)計(jì)方案。叢機(jī)分別采集相應(yīng)鋰電端電壓和表面溫度，并進(jìn)行判別；通過(guò)隔離電路發(fā)送信號(hào)給主機(jī)，并把所有采集參數(shù)通過(guò)RS485的通信方式發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行集中[2,3]。主機(jī)獲取各控制信號(hào)和詳細(xì)參數(shù)后，通過(guò)繼電器點(diǎn)亮外部信號(hào)指示燈并把匯集的參數(shù)通過(guò)另一路RS485方式送往前臺(tái)儀表進(jìn)行顯示；管理系統(tǒng)、智能充電機(jī)及前臺(tái)儀表之間采用RS485通信方式。考慮到系統(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：?jiǎn)温稟D采集電路、電壓泵方式實(shí)現(xiàn)較大控制電壓以及MSP430F149主CPU電路。從機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，主機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示；主從機(jī)主體實(shí)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(jìn)行RS-485通信實(shí)現(xiàn)全智能充電控制，實(shí)現(xiàn)由恒流充電模式到恒壓充電模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并對(duì)電池的過(guò)壓、過(guò)流、溫度、單體電池過(guò)壓和欠壓以及反接進(jìn)行保護(hù)，有效的防止了電池在充電過(guò)程中受到損壞同時(shí)達(dá)到更加理想的充電效果[4]。充電機(jī)的充電分為三個(gè)階段：

圖 2 從機(jī)框圖

圖 3 主機(jī)框圖

圖4 硬件電路圖

1）預(yù)充電：充電機(jī)開(kāi)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(jī)停止充電，充電和完成指示燈將全亮顯示電池故障報(bào)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(diǎn)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(bào)警停止工作。

2）恒流充電：充電機(jī)在正常的預(yù)充電過(guò)程10分鐘后進(jìn)入恒流充電。在此過(guò)程中充電機(jī)以恒定50A電流充電直到下一恒壓充電過(guò)程。充電機(jī)根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)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(shí)充電機(jī)將點(diǎn)亮充電和完成指示燈進(jìn)行故障報(bào)警停止工作。

3）恒壓充電：充電機(jī)根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷任意一只電池電壓超過(guò)3.7V時(shí)，充電機(jī)開(kāi)始以2A/20s的梯度降低，當(dāng)降到最高單體電壓低于3.6V時(shí)，按當(dāng)時(shí)的電流繼續(xù)充電，再次充到3.7V時(shí)按上述方法降低充電電流，直到充電電流小于4A，充電機(jī)停止工作，充電完成指示燈點(diǎn)亮，數(shù)碼顯示斷電（無(wú)顯示）充電完成。

2.3 智能DC-DC與電機(jī)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(dòng)的要求。2路輸出電源與輸入電壓進(jìn)行嚴(yán)格的地隔離，隔離電壓＞＝1000V。同時(shí)，本模塊還有一路接受管理系統(tǒng)控制信號(hào)的輸入接口，采用光藕隔離方式進(jìn)行采集，然后通過(guò)控制功率MOSFET的方式進(jìn)行控制主接觸器。

本電器總控系統(tǒng)方案中主接觸器、電機(jī)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(jī)控制器選用的是具有電流檢測(cè)功能的改進(jìn)型號(hào)，通過(guò)與分流器一起實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)工作的電流，以防鋰電池包放電電流過(guò)大的現(xiàn)象。

3 功能模塊間通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本電控系統(tǒng)中主要有管理系統(tǒng)內(nèi)部主從機(jī)之間的多機(jī)串口通信、 管理系統(tǒng)與儀表顯示臺(tái)、充電機(jī)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(xún)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(jī)與多個(gè)叢機(jī)進(jìn)行串口通信，主機(jī)發(fā)送幀格式：1個(gè)起始位，9個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位，無(wú)硬件握手，波特率115200；同時(shí)采用8個(gè)數(shù)據(jù)位的接收方式。對(duì)應(yīng)叢機(jī)采用接收幀：1個(gè)起始位，9個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位，無(wú)硬件握手，波特率115200；同時(shí)采用8個(gè)數(shù)據(jù)位的發(fā)送方式[6]。通過(guò)這樣的設(shè)置，主機(jī)發(fā)送命令幀（包含地址信息），所有叢機(jī)接收命令幀并與自己內(nèi)部地址進(jìn)行比較，若對(duì)應(yīng)上，則返回?cái)?shù)據(jù)包；此時(shí)返回的數(shù)據(jù)包為8位數(shù)據(jù)格式，所以其它叢機(jī)被設(shè)置為9位接收方式不會(huì)產(chǎn)生接收中斷，而只有主機(jī)產(chǎn)生接收中斷，這樣就可以實(shí)現(xiàn)從機(jī)保留足夠多的時(shí)間去采集相應(yīng)的參數(shù)而不至于被串口中斷干擾。

主機(jī)發(fā)送命令包格式：

0xFF，0xFF，0x55，cmd，CRC16L，CRC16H；

Cmd=0x0N：訪問(wèn)N號(hào)從機(jī)；對(duì)應(yīng)被訪問(wèn)到的N號(hào)從機(jī)返回?cái)?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(yàn)所產(chǎn)生的低和高字節(jié)，以提高通信數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)能力；20 Byte Data為從機(jī)采集的5個(gè)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(duì)目前電動(dòng)轎車(chē)、旅游觀光車(chē)和高爾夫球車(chē)中動(dòng)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(jì)方案。并重點(diǎn)對(duì)鋰電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了基于微功耗控制器MSP430F149芯片的主從機(jī)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)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(jìn)行了設(shè)計(jì)。本方案在山東威能電池、河南環(huán)宇電池集團(tuán)等企業(yè)進(jìn)行了相關(guān)評(píng)審，獲得好評(píng)。

創(chuàng)新點(diǎn)：在以往鉛酸電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)轎車(chē)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(jī)、智能DC-DC控制器、具有過(guò)流檢測(cè)功能的改進(jìn)型電機(jī)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(duì)鋰電池的合理運(yùn)用和保護(hù)，徹底解決過(guò)流、過(guò)放、過(guò)溫對(duì)鋰電本身及其次生危害。

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[2]溫家鵬, 姜久春, 張維戈, 文鋒.無(wú)軌電車(chē)用鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010(5).

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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(zhǎng)且無(wú)污染等特點(diǎn)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(dòng)力源的電動(dòng)轎車(chē)可行性電控總成設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)對(duì)鋰電池管理系統(tǒng)、智能DC-DC模塊、電機(jī)控制器、智能充電器的功能進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)；基于MSP430低功耗核心芯片，對(duì)其主要功能模塊電路及其接口通信協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和說(shuō)明。

MSP430F149；鋰電池；電動(dòng)轎車(chē)；通信協(xié)議

洪耀球（1980－），男，江西人，講師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

TP368;TP393

B

1009-0134(2011)4(下)-0124-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).36

2010-11-21