CN103208839A

CN103208839A - 基于can总线的锂离子电池组充电机及充电控制方法

Info

Publication number: CN103208839A
Application number: CN2013101079641A
Authority: CN
Inventors: 吴爱国; 王硕; 吴国强; 何熠
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-07-17

Abstract

一种基于CAN总线的锂离子电池组充电机及充电控制方法，主要分为三个部分，整流装置部分，充电控制模块部分和总线上位机部分，充电机运行全过程可以简述如下：上位机与模块的总线通信机制采用轮询的方式和插件式充电模块（可扩展）进行通讯，上位机首先向特定模块发送一帧数据，该模块接收到后回传给上位机相应数据，下一通讯周期继续重复该操作。当接收到上位机总线总线传来的启动信号时，控制系统通过总线上传数据电压电流，充电控制模块控制电池单体恒流恒压充电，充电完成后自动切断充电线。本发明结构简易、可靠性高、使用更换容易、充电一致性良好、通用性强。解决了现有锂电池组充电管理系统通用性差，充电不均衡，结构复杂，不易扩展等不足。

Description

基于CAN总线的锂离子电池组充电机及充电控制方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池充电装置。特别是涉及一种基于CAN总线的锂离子电池组充电机及充电控制方法。

背景技术

随着我国工业的快速发展，动力锂电池产业发展已经进入产业化建设和规模化推广应用阶段。动力锂电池组在新能源汽车、电网储能、特种车、通信基站四大领域发展需求迅猛，再加上现代电力电子技术以及嵌入式控制器的的推广与普及，充电设备的控制技术有了快速的发展，动力锂电池的充电设备已经从手动调整发展到了全智能充电管理系统的新阶段，电池管理系统（BMS）将起到对锂电池二次充电的监控，智能充放电，均衡的作用，充分保障电池电量充足，均衡，延长寿命，防止电池出现过充电，是连接电池和用户的纽带。其市场规模将与动力、储能领域的锂电池同步扩张。

就现阶段锂电池组的充电控制器发展而言，现阶段对于控制器的控制精度、抗干扰性、稳定性、充电的一致性也有了更高的要求，当锂电池用于动力设备时，需要将每个单体串联起来，由于电池单体内阻和放电倍率的不同，个体差异较大，各自充电放电特性不同，串联起来的电池组的容量由单体电池的最小容量决定，同时，现代充电设备仅仅针对一款特定的锂电池而设计出的产品已经很多，不同电池组含有的电池单体数不同，不同型号的锂电池单体电压特性有高有低，换到另外的特性的锂电池组同时也需要更换特定的充电机。

所以，设计一款结构简洁，方便扩展及更换，精度高，电池均衡性良好的通用充电机是有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决现有锂电池组充电管理系统通用性差，充电不均衡，结构复杂，不易扩展的基于CAN总线的锂离子电池组充电机及充电控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于CAN总线的锂离子电池组充电机，包括有机柜本体，所述的机柜本体内设置有上位机触摸屏、整流电源组件箱和五个充电控制组件箱，所述的五个充电控制组件箱结构相同，分别通过CAN总线连接上位机触摸屏，所述的五个充电控制组件箱的电源输入端分别连接整流电源组件箱的输出端，所述的五个充电控制组件箱的输出端构成电源接口连接被充电电池，所述的整流电源组件箱的输入端连接三相交流电源，所述的上位机触摸屏、整流电源组件箱和五个充电控制组件箱之间都设置有风道及风扇。

所述的五个充电控制组件箱中的任一个充电控制组件箱都设置有16个结构相同的插件式充电控制模块。

所述的任一个充电控制模块包括有：中央处理器和功率电源变换模块，所述的中央处理器依次通过CAN模块和CAN总线连接上位机触摸屏，所述的中央处理器的数字量输出信号依次通过三路磁耦隔离芯片和D/A转换芯片连接功率电源变换模块的信号控制端，所述的功率电源变换模块的信号输出端通过模拟量采集模块连接中央处理器中A/D转换器的输入端，所述的功率电源变换模块的电源输出构成电源接口连接被充电电池，该电源输出还通过电平变换电路连接中央处理器的电源输入端，所述的中央处理器还分别连接JTAG调试接口、晶振及时钟、内置硬件看门狗、复位按钮的指示灯，所述的功率电源变换模块上还设置有用于控制模块通断以及指示的带灯船型开关。

所述的模拟量采集模块包括有内置隔离电路的电流检测模块和内置隔离电路的电压检测模块，所述的电流检测模块和电压检测模块的信号输入端连接功率电源变换模块的信号输出端，电流检测模块和电压检测模块的信号经过调理电路输出端连接中央处理器中A/D转换器的输入端。

所述的电平变换电路包括有依次相连接的升压芯片、DC-DC隔离模块和双电压稳压器，其中，所述的升压芯片输入端连接功率电源变换模块的电源输出端，所述的双电压稳压器的输出端连接中央处理器的电源输入端。

一种基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，包括有主控制部分和接收中断部分，所述的主控制部分包括：依次对DSP时钟、中断向量、数字量输入输出、模拟量输入输出、SPI串口通信、ECAN通信和看门狗进行初始化，然后进入主循环阶段，所述的主循环阶段包括有A/D数据采集及格式转换、ECAN通信、过压过流判断以及模式选择、恒流闭环PID控制和恒压闭环PID控制。

所述的接收中断部分是依次进行：CAN接收中断子程序；判断CAN接收标志是否置位；如果置位则对接收的CAN总线数据进行分解，如果没有置位则继续判断CAN接收标志是否置位，分解的CAN总线数据是：充电电流、标称电流、截止电压、截止电流、限流电流、启停信号以及请求信号。

所述的主控制部分具体包括如下步骤：

1）对电压和电流分别采样8次，并对8次采样的电压和电流除去极值取平均；

2）调整所得到的电压和电流数值；

3）判断电压是否过压，是则将过压计数器加1，当过压计数器累计达到5后自动切断功率电源变换模块的输出，并将过压标志置1后进入下一步骤，否则，进入下一步骤；

4）判断电流是否过流，是则将过流计数器加1，当过流计数器累计达到5后自动切断功率电源变换模块的输出，并将过流标志置1后进入下一步骤，否则，进入下一步骤；

5）判断是否到达截止电压，是则进入下一步骤，否则进入步骤7）；

6）将截止电压计数器加1，当截止电压计数器累计达到5，将恒压标志置1后进入步骤8）；

7）判断恒压标志是否为1，是则进入步骤8），否则将恒流标志置1后进入步骤8）；

8）判断是否接收到请求信号，是则将电压电流数据CAN协议打包后进入下一步骤，否则直接进入下一步骤；

9）判断是否进入恒流状态，是则进入恒流充电子程序，否则进入下一步骤；

10）判断是否进入恒压状态，是则进入恒压充电子程序，否则进入下一步骤；

11）判断充电是否完成，是则将充电标志置1，并将功率电源变换模块的输出降低后返回步骤1）继续循环，否则直接返回步骤1）继续循环。

步骤9）所述的恒流充电子程序包括如下步骤：

（1）调整功率电源变换模块的调压起点，克服电池死区特性；

（2）计算设定电流与检测电流的偏差ierror（k）；

（3）计算控制量增量：

△u1=ikp×(ierror(k)-ierror(k-1))+iki×ierror(k)，其中ikp和iki两个参数是PID运算参数通过反复试验试凑的方式得出，以响应速度加快并且无超调为标准；

（4）通过增量调整DA，并限幅，

DA芯片输出的电压量为u,u=u+△u1,软件里面保证u在合理的范围内限幅；

（5）恒流调节结束。

步骤10）所述的恒压充电子程序包括如下步骤：

（2）计算设定电压与检测电压的偏差uerror（k）；

（3）计算控制量增量：

△u2=ukp×(uerror(k)-uerror(k-1))+uki×uerror(k),其中ukp和uki两个参数是PID运算参数通过反复试验试凑的方式得出，以响应速度加快并且无超调为标准；

（4）通过增量调整DA，并限幅，

DA芯片输出的电压量为u,u=u+△u2,软件里面保证u在合理的范围内限幅；

（5）判断电流是否超过限流充电电流，是进入下一步骤，否则返回主控制部分；

（6）计算设定的限流电流与检测电流的偏差ie（k）；

（7）计算控制量增量：

△u3=i2kp×(ie(k)-ie(k-1))+i2ki×ie(k),其中i2kp和i2ki两个参数是PID运算参数通过反复试验试凑的方式得出，以响应速度加快并且无超调为标准；

（8）通过增量调整DA，并限幅后返回主控制部分。

本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机及充电控制方法，解决了现有锂电池组充电管理系统通用性差，充电不均衡，结构复杂，不易扩展等不足。本发明的锂电池充电机结构简易、可靠性高、使用更换容易、充电一致性良好、通用性强。锂电池充电机柜中的每个充电模块独立控制，可以对单体锂电池进行充电，插件式模块结构，不单实现基本的性能控制，便于扩展和更换，并且和采用工业触摸屏能搭建满足用户需要的友好界面通信，为使用者提供一个简便易操作的环境，并具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明控制部分的构成示意图；

图3是三相四线半波整流电路图；

图4是本发明充电控制模块构成框图；

图5是电流传感器调理电路图

图6是图4中电平变换电路构成框图；

图7是恒流闭环充电系统控制框图；

图8是恒压闭环充电系统控制框图；

图9是TMS320F2812主程序流程图；

图10是CAN总线接收中断子程序流程图；

图11TMS320F2812主循环流程图；

图12是恒流充电子程序流程图；

图13是恒压充电子程序流程图。

图中

A：机柜本体 B：上位机触摸屏

C：整流电源组件箱 D：充电控制组件箱

E：风道及风扇 1：中央处理器

2：功率电源变换模块 3：CAN模块

4：三路磁耦隔离芯片 5：D/A转换芯片

6：模拟量采集模块 7：电平变换电路

8：JTAG调试接口 9：晶振及时钟

10：硬件看门狗 11：复位按钮

12：指示灯 13：船型开关

61：电压检测模块 62：电流检测模块

71：升压芯片 72：DC-DC隔离模块

73：双电压稳压器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机及充电控制方法做出详细说明。

本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机，主要分为三个部分，整流装置部分，充电控制模块部分，总线上位机部分，充电机运行全过程可以简述如下：上位机与模块的总线通信机制采用主从轮询的方式和插件式充电模块（可扩展）进行通讯，上位机首先向特定模块发送一帧数据，该模块接收到后回传给上位机相应数据，下一通讯周期继续重复该操作。当接收到上位机总线传来的启动信号时，控制系统通过总线上传数据电压电流，充电控制模块控制电池单体恒流恒压充电，充电完成后自动切断充电线。

本发明旨在设计一种可扩展、结构简单、更换和维护方便整体架构的锂离子电池组充电机。每个单元模块可以和触摸屏通信直观、操作容易。为了达到上述目的，本发明采用的整体技术方案为,基于CAN总线的锂离子电池组充电机，机柜本体自上到下包括10.4寸工业触摸屏、整流组件箱、5个充电控制组件箱（每个组件箱含有插件式电源充电控制电路16个）。每个充电控制插件通过滑道可与接插件相连，方便更换以及扩展，组件箱可通过机柜内部横梁滑入，方便拆卸。各个插件式结构充电控制模块通过工业总线CAN与上位机工业触摸屏连接进行通信。

机柜整体采用插箱式组件箱结构，均为3U标准高度，每个组件箱之间留有风道1U，保证散热正常，每个插件箱为标准尺寸482.6X132X330毫米，每个组件箱含有16个插板式电路板，尺寸为100X318毫米，前面板上含有指示灯，包括充电、控制、通信、故障。机柜后面接线分为供电线，充电线，检测线和通信线，供电线由整流柜引出进端子进入接插件供电，检测线和充电线引出后进线槽接航空接头，通信线采用屏蔽双绞线引出至上位机触摸屏的CAN总线接口。

如图1、图2所示，本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机，包括有19英寸标准机柜本体A，所述的机柜本体A内设置有由10.4寸工业触摸屏构成的上位机触摸屏B、整流电源组件箱C和五个充电控制组件箱D，所述的五个充电控制组件箱D结构相同，分别通过CAN总线连接上位机触摸屏B，所述的五个充电控制组件箱D的电源输入端分别连接整流电源组件箱C的输出端，所述的五个充电控制组件箱D的输出端构成电源接口连接被充电电池，所述的整流电源组件箱C的输入端连接三相交流电源。所述的上位机触摸屏B与整流电源组件箱C之间，整流电源组件箱C与相邻的充电控制组件箱D之间，以及五个充电控制组件箱D之间都设置有风道及风扇E。

本发明的上位机触摸屏B采用10.2寸真彩色的工业CAN总线触摸屏,内部主频为32-bit，400MHz RISC，128M FLASH+64M DDRAM，外壳尺寸为272X200X47.5毫米，占用机柜的上层，通过机架和机柜固定。供电电压为24V，可由24V工业稳压电源提供，该模块被封装到整流机柜内部。

如图3所示，整流电源组件箱C为三相四线半波桥式整流电路完成，输入为三相线电压380V，50Hz工频交流电，整流后电容电感滤波，可以得到近似300V的直流电源，供给各个充电模块，整流电路含有控制接触器（图3中的开关S就是接触器，目的是控制电路的通断），整流电源组件箱前面板嵌入直流电压表，直流电流表，指示整流电路的总电流总电压，前面板有带灯的接触器按钮，指示灯可以表征工作状态，可以手工切断整流电源，以应对可能出现的突发情况。

采用机柜标准组件箱设计插件式充电控制组件箱，插件式充电控制组件箱尺寸为482.6X132X330毫米,长度为482.6mm（19英寸标准机柜），高度为3U（132mm），深度为330mm，插件式充电控制组件箱与机柜本体A相连接。一共五个插件式充电控制组件箱，分布在最下层，每个插件式充电控制组件箱之间含有1U（44.45mm）风道以便散热，每个风道含有一个四扇叶的排风扇。每个插件式充电控制组件箱由16个插件式充电控制模块组成，每个小模块前面板含有助拔器、指示灯以及船型开关，助拔器可以方便更换插件式充电控制模块，前面板上附有发光二极管作为指示灯分别指示充电状态、通信状态、控制状态以及故障状态，带灯的船型开关可以手动控制模块供电通断以及指示控制每个插板式电路的供电，同时可以分别控制每个电池单体充电与否。

所述的五个充电控制组件箱D中的任一个充电控制组件箱D都设置有16个结构相同的插件式充电控制模块D01、D02……D16。

72节锂电池组（可扩展）和每个插件式充电模块相连接，通过电压检测模块和电流传感器隔离进入AD中，主控芯片读取电池状态电流电压状态，并将电压和电流信息转化为主控芯片能识别的并行二进制信息。主控芯片通过控制集成功率模块VICOR变换器的控制端，改变电压电流，从而完成恒流源恒压源设计。

插件式充电控制模块是本控制器的核心，每个插件式充电控制模块相互独立，其功能电路包括，VICOR功率电源变换模块、数字量输出模块，TMS320F2812数字信号处理模块、CAN总线通信模块、模拟量输入输出模块、芯片供电部分。

如图4所示，所述的任一个充电控制模块D01/D02...../D16都包括有：中央处理器1和功率电源变换模块2，所述的中央处理器1依次通过CAN模块3和CAN总线连接上位机触摸屏B，所述的中央处理器1的数字量输出信号依次通过三路磁耦隔离芯片4和D/A转换芯片5连接功率电源变换模块2的信号输入控制端，所述的功率电源变换模块2的信号输出端充电回路通过模拟量采集模块6连接中央处理器1中A/D转换器的输入端，所述的功率电源变换模块2的电源输出构成电源接口连接被充电电池，该电源输出还通过电平变换电路7连接中央处理器1的电源输入端，所述的中央处理器1还分别连接JTAG调试接口8、晶振及时钟9、内置硬件看门狗10、复位按钮11和指示灯12，所述的功率电源变换模块2上还设置有用于控制模块通断以及指示的带灯船型开关13。

本发明的中央处理器1采用型号为TMS320F2812的数字信号处理模块。TMS320F2812数字信号处理模块是该充电控制模块的核心控制模块。所述的TMS320F2812数字信号处理模块同CAN总线通信模块相连接，完成CAN总线同上位机触摸屏的通信，与支持CAN总线接口的工业控制触摸屏相互数据交换。TMS320F2812数字信号处理模块正常工作时所要求的电压是3.3V和1.8V，该电位由双电压稳压器TPS70302提供，TMS320F2812数字信号处理模块（DSP）主要完成供电控制的全过程控制，简而言之，就是将采样的电压电流信号与上位机CAN总线下发的电压电流设定信号相比较，调节VICOR功率电源模块输出电压，并将电压电流信号上传至上位机，从而完成恒流充电恒压充电，充电完成切断，故障报警等功能。TMS320F2812是充电控制的协调管理核心。其使用到的内部资源包括ECAN、SPI、AD、IO端口，其中ECAN端口负责将CAN总线下达的数据进行解析，将设定电压、电流，截止电压、电流转变为可以识别的变量，同时上传AD电压电流采样出来的实时电压电流；A/D端口负责将外部物理量电压电流，转变为可以识别的12位数字量；SPI端口是访问外部D/A的串行接口，发送数字量，控制VICOR功率电源模块的控制端；IO端口负责指示充电、通信、故障、控制的不同状态。

模拟量输出主要是指TMS320F2812的数字信号处理模块通过SPI通过磁耦访问外部D/A转换芯片5，TMS320F2812的数字信号处理模块作为执行装置控制VICOR调节电压，外部D/A转换芯片5采用的是DAC7311，12位精度，DSP输出的数字量通过SPI串行输出，三路磁耦隔离芯片4，数字量0-4095可以转变为0-5V电压，DA由DSP内部发出的数字量决定。

模拟量输出信号走向：数字信号由TMS320F2812通过SPI总线传输至数字量三路磁耦隔离芯片ADUM1300，在此进行数字信号的电气隔离，串行数字信号通过D/A转换芯片DAC7311将12位高精度数字信号转换为模拟量信号，该电平直接接到VICOR控制端。

TMS320F2812的数字信号处理模块通过IO配置将GPIOA配置成通用IO接口，可以输出数字量控制插件模块前面板指示灯12，GPIOA0-GPIOA3四个IO通过双P沟道增强型MOS管驱动芯片74HC245，驱动电流提高到50mA，可以驱动发光二极管的亮灭，指示充电状态，通信状态，控制状态以及故障状态。

所述TMS320F2812数字信号处理模块与JTAG调试接口箱连接，实现对TMS320F2812数字信号处理模块控制算法的写入、调试与烧写。所述TMS320F2812数字信号处理模块与双P沟道增强型MOS管驱动芯片74HC245相连接，输出由限流电阻接入发光二极管引致3.3V电平，确保发光二极管由IO端口控制。

数字信号处理模块TMS320F2812将引脚TCK、TDO、TMS、TDI、VCC、GND配置为JTAG调试接口。具有JTAG调试口的芯片都有如下JTAG引脚定义：TCK——测试时钟输入；TDI——测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口；TDO——测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出；TMS——测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。在使用PC机进行在线调试时,仿真模式下，数据可以通过JTAG接口传入上位机，实时在线观测数据变换，便于编程调试，同时也可以用作程序烧写的接口。

数字信号处理模块TMS320F2812支持CAN协议，版本2.0B完全兼容，支持高达1Mbps的数据速率，通过配置CAN的内部控制寄存器，CAN控制器内部TXD和RXD，完成发送和接受功能，CAN总线的驱动模块采用的是TD301DCAN的CAN模块3，TD301DCAN是一款隔离电压3000V的CAN模块驱动器，目的是将3.3V的逻辑电平，转换成CAN总线的差分电平，完成CAN总线通信功能，同一网络可支持连接110个节点，每个组件箱16路共80路通过CAN总线相连接。

本发明的功率电源变换模块2采用VICOR功率电源模块。RM1～80为VICOR公司生产的插件式模块设计,采用微控制器与可靠性极高的全砖功率模块实现300V输入电压至输出3～5V隔离变换,采用零电流谐振变换，开关频率高达40MHZ，极大地缩小了电源尺寸。第二代VICOR模块使用了ZCS/ZVS（零电流/零电压开关）技术，能有效率、低噪声，高频操作。控制功能则是通过输出电压编程可通过固定电阻、电位器或者DAC调整或程控转换器的输出电压。对于控制端SC端对-OUT的电平在0-1.23V时可以使VICOR输出电压成正比的变为0-5V。本发明的电路结合了程控DA芯片和电位器的二者的调压原理，电位器作为调压的起点限制了VICOR的电压调整起点。由DSP2812的SPI串行外设接口通过磁耦ADUM1300访问D/A转换芯片。完成对VICOR的电压的任意范围内的控制。

所述TMS320F2812数字信号处理模块与模拟量采集模块6相连接，检测电压电流模块采集两端隔离将采集到的电压电流物理信号，转变为DSP可以识别的电平信号经过调理电路进入DSP内部AD,转变为可以识别的12位2进制数据。

输入的模拟量主要是外部采集的电压电流信号，通过电流和电压检测模块转换为电平信号，进入电路板，数字信号处理模块TMS320F2812具有内置S/H的12位ADC内核模拟输入，其电平输入范围是0.0V至3.0V（高于3.0V的电压产生满量程转换结果），25MHz ADC时钟，12.5每秒百万次采样(MSPS)时间为80ns，每个DSP内部有16路AD转换通道，采集到的电流信号经过两个电压平移元件LM385，完成2.46V的电压偏移，防止AD烧坏，0.0V至3.0V的电压模拟量进入DSP内部转换为数字量0-4095，由此可以得知电流电压信号。

所述的模拟量采集模块6包括有内置隔离电路的电流检测模块62和内置隔离电路的电压检测模块61，所述的电流检测模块62和电压检测模块61的信号输入端连接功率电源变换模块2的信号输出端，电流检测模块62和电压检测模块61的信号输出端连接中央处理器1中A/D转换器的输入端。

本发明的电流检测模块62是采用ACS712-20A的传感器，电流测量原理是霍尔效应，测量精度是100mV/A,测量范围是0-20A，充电线正进负出电流穿过传感器，10A转换到传感芯片输出则为1V偏移量，当没有电流时基准值为2.5V，原端副端电路隔离电压可以达到2.1kV,通过副边电压偏移基准电压的偏移量可以测量电流大小。电压检测模块61选用IPO-OC-U1-P3-U4的隔离电压线性变换器，电源、信号、输入/输出高达3000V两两耐压隔离，该线性变换器的作用是将0-5V的电压隔离变换到0-2.5V，通过调节两引脚之间连接的滑动变阻器，可以校对电压使，输入和输出电压是2倍的关系，电压精度可以达到0.1%，可以通过副边电压的2倍来确定原边的电压。

电流信号通过电流传感芯片ACS712-20A，转换为电压信号，如图5所示，经过两个LM38563，目的是将ACS712-20A输出的电压减去2X1.23V=2.46V，之后进入AD。看芯片手册既可以明白，LM385是精准电压源。调理信号1.23V精密电压，进入TMS320F2812的AD寄存器，电压信号通过IPO-OC-U1-P3-U4的隔离电压线性变换器，采集电压信号通过变换器隔离之后直接进入TMS320F2812的AD寄存器。

如图6所示，所述的电平变换电路7包括有依次相连接的升压芯片71、隔离模块72和双电压稳压器73，其中，所述的升压芯片71输入端连接功率电源变换模块2的电源输出端，所述的双电压稳压器73的输出端连接中央处理器1的电源输入端，中间通过72DC-DC隔离模块隔离,即升压芯片71的输出端连接至72DC-DC隔离模块的输入端，72DC-DC隔离模块的输入端连接至双电压稳压器73。

电平变换电路7采用充电线和芯片供电线复用的方式，从VICOR功率电源模块输出端取出的电压3-5V，经过一款SX1301升压芯片71，最大可以提供1A的供电电流，将电压稳定到5V，该5V是DAC7311的供电电平，在经过5V转5V隔离模块72，变换到隔离的5V给TPS70302双电压稳压器73供电，TPS70302双电压稳压器73产生两种电平3.3V和1.8V内核电压，供给TMS320F2812中央处理器的供电，同时3.3V是CAN模块3（型号TD301DCAN），三路磁耦隔离芯片4（型号ADUM1300），驱动模块74HC245，运算放大器LM358的供电芯片。

本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机，特点在于每个充电控制电路采用插板式结构，如出现故障，可通过滑道拆卸，每个组件箱也可以同样的自由拆卸，每个充电控制电路是各自独立的，为了提高通用性，可以由上位机设定不同特性的锂离子电池的充电电流，充电电压，截止电压和截止电流，增强了对不同特性锂离子电池的通用性。本发明在TMS320F2812中央处理器的控制芯片上烧写了控制程序，可以接收上位机下传来的不同特性的锂电池充电电压，充电电流，截止电压，截止电流CAN数据信号，DSP解析这四个信号之后完成适用于不同特性锂电池的充电要求的充电过程，电池的不同特性由上位机设定，通过用户可视化界面，操作直观、简易。

本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的另外一个特点是充电控制电路简洁，采用技术成熟的美国VICOR功率变换模块，采用PID控制算法实现恒流恒压充电，通过判断采集进来的电压和电流，是否和设定值一致，完成恒流和恒压调节，同时可以判断是否过压或者过流，立即切断充电保护电池，保证充电可靠充分，同时完成充电之后充电模块可自行切断充电。

TMS320F2812数字信号处理模块是运行控制算法的核心处理器，各种控制算法可以以C语言编写实现，触摸屏主要运行用户监控界面，实现用户对当前系统状态的实时监控和参数改写，因此DSP程序设计是体现本发明控制方案的核心所在。本发明为用户编写了用于TMS320F2812数字信号处理模块上的模块化的CAN数据传输协议，D/A输出函数，A/D采样程序。本发明为用户编写了触摸屏与80个充电控制模块的之间通信的驱动程序，同时编写了如图9所示的充电模块并联充电全过程C语言程序。

如图9和图10所示，DSP程序流程图，包括各功能模块初始化、主循环、中断程序三个部分。在主循环中又包括四个主要功能模块，分别是：AD数据采集滤波及格式转换模块、CAN总线通信数据包转换、恒流恒压充电模式充电状态判断、恒压恒流充电控制算法。

如图9所示，本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，包括有主控制部分和接收中断部分，所述的主控制部分包括：依次对DSP时钟、中断向量、数字量输入输出、模拟量输入输出、SPI串口通信、ECAN通信和看门狗进行初始化，然后进入主循环阶段，所述的主循环阶段包括有A/D数据采集及格式转换、ECAN通信、过压过流判断以及模式选择、恒流闭环PID控制和恒压闭环PID控制。

CAN总线通信采用主从通信方式，上位机与模块的总线通信机制采用轮询的方式和插件式充电模块进行通讯，上位机首先向特定模块发送一帧数据，该模块接收到中断后，回传给上位机相应数据，下一通讯周期继续重复该操作。

如图10所示，所述的接收中断部分是依次进行：CAN接收中断子程序；判断CAN接收标志是否置位；如果置位则对接收的CAN总线数据进行分解，如果没有置位则继续判断CAN接收标志是否置位，分解的CAN总线数据是：充电电流、标称电流、截止电压、截止电流、限流电流、启停信号以及请求信号。

如图11所示，所述的主控制部分具体包括如下步骤：

2）调整所得到的电压和电流数值；

3）判断电压是否过压，是则将过压计数器加1，当过压计数器累计达到5后自动切断功率电源变换模块（VICOR）的输出，并将过压标志置1后进入下一步骤，否则，进入下一步骤；

11）判断充电是否完成，是则将充电标志置1，并将功率电源变换模块（VICOR）的输出降低后返回步骤1）继续循环，否则直接返回步骤1）继续循环。

如图7、图12所示，步骤10）所述的恒流充电子程序包括如下步骤：

（1）调整功率电源变换模块（VICOR）的调压起点，克服电池死区特性；

克服电池的死区特性的方法：

VICOR模块的输出电压和控制电压的关系如下式，Vout=3.0188Vsc+1.2581，其中Vout是输出电压，Vsc是控制电压，计算关系是由多次试验一次线性方程拟合得出，为了克服电池的死区特性，电池电压检测到记为Voltage，实时采样更新，反解得到控制电压：Vsc=(Voltage-1.2581)/3.0188，Vsc可以由12位精度DA折算出需要发送的数字量，即调整功率电源变换模块（VICOR）的调压起点。

（2）计算设定电流与检测电流的偏差ierror（k），即将设定的电流值减去电流传感器的采样值，

设定电流变量为current_r,检测到的电流是current.电流偏差为ierror=current_r-current，第k次的采样值对应的第k次的误差ierror（k）；

（3）计算控制量增量：

（4）通过增量调整DA，并限幅，

（5）恒流调节结束。

如图8、图13所示，步骤11）所述的恒压充电子程序包括如下步骤：

（1）调整功率电源变换模块（VICOR）的调压起点，克服电池死区特性，

（2）计算设定电压与检测电压的偏差uerror（k），即将设定的电压值减去电流传感器的采样值，

设定电压变量为voltage_r,检测到的电压是voltage.电流偏差为uerror=voltage_r-voltage，第k次的采样值对应的第k次的误差uerror（k）；

（3）计算控制量增量：

（4）通过增量调整DA，并限幅，

（6）计算设定的限流电流与检测电流的偏差ie（k），即将设定的限流电流减去电流传感器的采样值。

设定限流电流为current_limit,检测到的电流是current，ie=current_limit-current,其中current_limit是限流电流的设定值，当所得的ie>0时，不进行限流调节，如果所得的ie<0，进行限流子程序。第k次的采样值对应的第k次的误差ie（k）；

（7）计算控制量增量：

（8）通过增量调整DA，并限幅后返回主控制部分。

DA芯片输出的电压量为u,u=u+△u3,软件里面保证u在合理的范围内限幅。

下面对TMS320F2812中央处理器中的各个功能模块进行说明：

（1）AD数据采集滤波及格式转换模块

每一节电池电压电流模拟信号，经过电流电压检测模块加上外围调理电路，进入TMS320F2812内部AD,转变为12位高精度数字信号，DSP在一次循环中采用数字滤波方式，加强AD采样精度，通过对电压电流分别采集8次，程序上，除去最大值，除去最小值，其他六次取平均，将电压电流转变为DSP内部变量。

（2）CAN总线通信数据包转换

CAN总线的接收方式采用中断方式，如图10所示，收发双方数据包约定如下，由触摸屏下发数据包包含，截止电压、终止电流、标称电压、充电电流、启停信号以及请求信号等，数据格式规定如下：

接收的数据包设定如下：

0x FF F FFF FF F FFF FF F F

① ② ③ ④ ⑤ ⑥

①000-FFF代表下发电池截止电压(3.00-4.20V(300-420))。

②00-FF代表下发电池终止电流(3.0-10.0A(30-100))。

③000-FFF代表下发电池标称电压(3.00-4.20V(300-420))。

④00-FF代表下发电池充电电流(3.0-10.0A(30-100))。

⑤F表示下发启动信号；0表示下发待机信号。

⑥F表示下发请求回发信号：0表示下发不回发信。

注意：电压范围为(250-420)(12C-1A4)；

电流范围为(30-100)(1E-64)。

其余为保留功能，可扩展。

下位机DSP将AD采样后电流电压的实际值按如下格式进行打包，并上传给触摸屏，包括模块ID信息，实时电压值、实时电流值以及电池的状态。

上传数据包设定如下：

0x FF FF FF FF FFFF FF FF

① ② ③ ④

①0-FF代表上传模块ID。

②0000-FFFF代表上传的电压值(3.00-4.20V(3000-4200))。

③00-FF代表上传的电流值(3.0-10.0A(30-100))。

④00-FF代表上传的电池状态（0：待机；1：过压；2：过流；3：恒压；4：恒流；5：充电完成）。

其余为保留功能，可扩展。

（3）恒流恒压充电模式充电状态判断

如图11所示，充电的状态都是通过判断电流和电压采样值的多少来判断的，采集到的电压电流5次超过过压值、过流值时，判断为过流过压状态，此时将VICOR输出拉低，切断充电，上传状态。恒流充电和恒压充电，是通过比较电池电压值和截止电压值之间的关系，当电池电压值5次超过标称电压值，则转入恒压状态，进入恒压状态后，保持电压恒定在标称电压值不变，检测电流，当电流下降到终止电流时，判断为充电完成。

（4）恒压恒流充电控制算法

恒流限压充电方式，电池进入恒流状态充电后，由于电池具有一定电压，被控对象含有死区特性，故将电池电压作为VICOR调整电压电流的起点，VICOR模块用作恒流源输出充电电流，通过将上位机下传的设定电流值同检测电流值作比较，偏差进入增量PI，计算出控制量增量，通过串行外设接口SPI，将数字量加上控制量增量发送给DA芯片，同时对DA进行限幅，保证充电安全，从而保证VICOR输出的电流稳定为设定的电流，进行电池的恒流充电。系统控制框图如图7所示。

恒压限流充电方式，电池进入恒压状态充电后，为了克服电池的死区特性，同样将电池电压作为VICOR调整电压电流的起点，VICOR模块用作恒压源输出标称电压，通过将上位机下传的设定的标称电压值同检测电压值作比较，偏差进入增量PI，计算出控制量增量，同时将充电电流同限流值作比较，如果充电电流超过限流值，则通过另外的PI运算，计算出控制量增量，通过将串行外设接口SPI，将数字量加上控制量增量发送给DA芯片，电流反馈环限制充电电流，系统控制框图如图8所示。

本发明的上位机触摸屏软件设计如下：

上位机触摸屏包括以下几个界面：参数设定界面、全局监视界面、电池实时曲线界面六个界面组成。

（1）上位机参数设定界面

参数设定界面包括以下几个功能，充电限时功能、参数设定功能、指定模块充电功能、历史数据存储功能。

充电限时功能：无论当前充电处于何种状态，只要初始设定的充电时间到，充电即停止充电，返回待机状态。

参数设定：设置三个参数，标称电压（保留小数点后两位3.00-4.20），截止电压（保留小数点后两位3.00-4.20），充电电流（小数点后一位0.0-10.0），终止电流（小数点后一位0.0-10.0）。

指定模块充电功能：充电机共80个充电模块，但是实际使用的并不一定有80个，因此为用户提供自定义个数设定接口，比如设定60，即1-60号模块进行充电动作，其他模块处于待机状态，不执行充电。

（2）全局监视界面

全局监视界面：对所有电池单体进行监视，测量其电压值，此处得到的电压值保留2位小数。

电流全局监视界面：对所有电池单体进行监视，测量其电流值，要求保留小数点后一位。

电量全局监视界面：本次试验中，检测的电流和实践的乘积作为电量，单体电池容量为15AH，电量计算以AH为单位，保留小数点后一位。

电池状态全局监视界面：一共有六种状态，直接由CAN约定协议中得来，为待机0、过压1、过流2、恒流3、恒压4、充电完成5六种状态，六种状态要用不同的颜色来表示，以便区分。

（3）电池实时曲线

这里的电池实时曲线指的是单体电压、单体电流、单体电量对时间的变化曲线，便于实时监控，分析故障原因等。

（4）历史数据存储功能

由上位机可以将充电全过程的电压、电流、电量的历史记录记录在EXCEL文档中，便于存储历史数据，分析电池性能。

本发明的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，借助于前述设计的基于CAN总线的锂离子电池组充电机柜实现，并包括下列功能：

在插件式充电控制模块上，执行的功能是：主要用来发送指令、接受数据以及完成一些复杂的算法控制并通过其与CAN总线触摸屏相连，此芯片为专为工业控制设计的芯片，带有多种外部接口，其内部时钟高达150MHZ，计算速度快，可减小控制程序的运行时间，以提高控制效果；

在10.4寸工业触摸屏上，执行的功能是：全部电池单体的电流、电压、电量的监控功能，标称电压、充电电流、终止电流、截止电压的设定功能，单体电压电流电量实时曲线功能，历史数据记录存储功能。选用工业触摸屏，系统运行可靠稳定，软件组态比较成熟，通信机制简单，操作直观、简洁，在工业控制人机界面上有重要作用；

本发明解决了现有锂电池组充电管理系统通用性差，充电不均衡，结构复杂，不易扩展等不足。设计了一种结构简易、可靠性高、使用更换容易、充电一致性良好的通用锂电池充电机柜。该充电机柜每个充电模块独立控制，可以对单体锂电池进行充电，插件式模块结构，不单实现基本的性能控制，便于扩展和更换，采用工业触摸屏能搭建满足用户需要的友好界面，为使用者提供一个简便易操作的环境，具有良好的经济效益和社会效益。

Claims

1.一种基于CAN总线的锂离子电池组充电机，包括有机柜本体（A），其特征在于，所述的机柜本体（A）内设置有上位机触摸屏（B）、整流电源组件箱（C）和五个充电控制组件箱（D），所述的五个充电控制组件箱（D）结构相同，分别通过CAN总线连接上位机触摸屏（B），所述的五个充电控制组件箱（D）的电源输入端分别连接整流电源组件箱（C）的输出端，所述的五个充电控制组件箱（D）的输出端构成电源接口连接被充电电池，所述的整流电源组件箱（C）的输入端连接三相交流电源，所述的上位机触摸屏（B）、整流电源组件箱（C）和五个充电控制组件箱（D）之间都设置有风道及风扇（E）。

2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机，其特征在于，所述的五个充电控制组件箱（D）中的任一个充电控制组件箱（D）都设置有16个结构相同的插件式充电控制模块（D01、D02……D16）。

3.根据权利要求2所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机，其特征在于，所述的任一个充电控制模块（D01）包括有：中央处理器（1）和功率电源变换模块（2），所述的中央处理器（1）依次通过CAN模块（3）和CAN总线连接上位机触摸屏（B），所述的中央处理器（1）的数字量输出信号依次通过三路磁耦隔离芯片（4）和D/A转换芯片（5）连接功率电源变换模块（2）的信号控制端，所述的功率电源变换模块（2）的信号输出端通过模拟量采集模块（6）连接中央处理器（1）中A/D转换器的输入端，所述的功率电源变换模块（2）的电源输出构成电源接口连接被充电电池，该电源输出还通过电平变换电路（7）连接中央处理器（1）的电源输入端，所述的中央处理器（1）还分别连接JTAG调试接口（8）、晶振及时钟（9）、内置硬件看门狗（10）、复位按钮（11）的指示灯（12），所述的功率电源变换模块（2）上还设置有用于控制模块通断以及指示的带灯船型开关（13）。

4.根据权利要求3所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机，其特征在于，所述的模拟量采集模块（6）包括有内置隔离电路的电流检测模块（62）和内置隔离电路的电压检测模块（61），所述的电流检测模块（62）串接入充电回路中，电压检测模块（61）的信号输入端连接功率电源变换模块（2）的信号输出端，电流检测模块（62）和电压检测模块（61）的信号经过调理电路输出端连接中央处理器（1）中A/D转换器的输入端。

5.根据权利要求3所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机，其特征在于，所述的电平变换电路（7）包括有依次相连接的升压芯片（71）、DC-DC隔离模块（72）和双电压稳压器（73），其中，所述的升压芯片（71）输入端连接功率电源变换模块（2）的电源输出端，所述的双电压稳压器（73）的输出端连接中央处理器（1）的电源输入端。

6.一种权利要求1所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，包括有主控制部分和接收中断部分，其特征在于，所述的主控制部分包括：依次对DSP时钟、中断向量、数字量输入输出、模拟量输入输出、SPI串口通信、ECAN通信和看门狗进行初始化，然后进入主循环阶段，所述的主循环阶段包括有A/D数据采集及格式转换、ECAN通信、过压过流判断以及模式选择、恒流闭环PID控制和恒压闭环PID控制。

7.根据权利要求6所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，其特征在于，所述的接收中断部分是依次进行：CAN接收中断子程序；判断CAN接收标志是否置位；如果置位则对接收的CAN总线数据进行分解，如果没有置位则继续判断CAN接收标志是否置位，分解的CAN总线数据是：充电电流、标称电流、截止电压、截止电流、限流电流、启停信号以及请求信号。

8.根据权利要求6所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，其特征在于，所述的主控制部分具体包括如下步骤：

2）调整所得到的电压和电流数值；

9.根据权利要求8所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，其特征在于，步骤9）所述的恒流充电子程序包括如下步骤：

（2）计算设定电流与检测电流的偏差ierror（k）；

（3）计算控制量增量：

（4）通过增量调整DA，并限幅，

（5）恒流调节结束。

10.根据权利要求8所述的基于CAN总线的锂离子电池组充电机的充电控制方法，其特征在于，步骤10）所述的恒压充电子程序包括如下步骤：

（2）计算设定电压与检测电压的偏差uerror（k）；

（3）计算控制量增量：

（4）通过增量调整DA，并限幅，

（6）计算设定的限流电流与检测电流的偏差ie（k）；

（7）计算控制量增量：

（8）通过增量调整DA，并限幅后返回主控制部分。