基于STC15 单片机的电动车充电保护装置设计

刘易君，苏凯

（南昌航空大学测试与光电工程学院，江西南昌 330000）

随着人们生活节奏的加快，电动车给人们交通出行带来便利的同时，也带来了不可忽视的安全隐患。数据显示，绝大部分电动车火灾发生在充电时期。因此，实现电动车的安全充电，避免火灾等严重安全事故的发生，是目前亟待解决的问题[1]。

目前市面上已有防过充的转接插板，但该插板不能过温保护，功能单一。有的发明专利利用内部接线作为控制信号插头对充电器进行改装，但需要对充电器进行破拆或替代，难以推广使用[2]。设计的充电保护装置使用期间连接在充电器与蓄电池组之间，采用STC15 单片机作为控制中心，通过检测模块对充电参数进行实时监测。PMOS 与继电器配合断电的模式，使得该装置能够以较低成本安全兼容多种规格的充电电压，相较于传统充电保护装置而言，杜绝了因充电器故障、电池鼓包引起的危险事故。

1 设计方案

1.1 原因分析

电动车充电期间起火的原因可分为以下3 种：1）电池老化导致漏液短路，电池鼓包后造成热失控。2）充电器线路故障导致电池过充发热。3）电池组充电时与高温源接触或太阳暴晒过程中导致过热[3]。因此，针对以上3 种原因进行功能开发，该方案实现以下情况的自动断电：1）当电池组达到用户设定的告警温度。2）充电期间实时监测电压和电流，当电压或电流出现异常波动（电流过大切断电路，电流过小进入浮充）。

1.2 整体设计

该装置采用STC15W4K32S4 芯片作为主控芯片，由PMOS 与继电器配合切断的开关控制电路、电流电压检测电路、温度监测电路、OLED 显示模块、电容触摸按键电路、继电器驱动电路以及其他必要电路构成。通过type-C 串口通信电路对单片机进行程序烧录。电压电流检测电路以及电容触摸按键电路均通过单片机AD 采样引脚进行数据读取。温度传感器电路采用单总线通信模式通过IO 口实现数据读取。OLED 显示模块通过单片机模拟IIC通信实现电路参数显示。原理图如图1 所示。

图1 系统原理图

2 硬件电路设计

该装置针主要以STC15W4K32S4 单片机为控制核心，配合外围电路主要分为8 个模块：控制模块、电源模块、电流电压检测模块、温度监测模块、开关控制模块、电容按键模块、时钟模块和OLED 显示模块。硬件连接图如图2 所示。

图2 硬件设计原理图

2.1 控制模块

该装置采用的STC15W4K32S4 单片机，相较于传统51 系列，该系统不需外部晶振和外部复位，还可对外输出时钟和低电平复位信号，具有8 通道10位高速AD，内置11.059 2 MHz 的晶振，且具有26k 的EEPROM。其原理图如图3 所示，两路LED 作为编译调试点，其指令代码完全兼容于传统8051。

图3 STC15W4K32S4系统原理图

2.2 电源模块

充电电压从充电器端输出，通过两组XL7005A开关芯片将48～80 V 的电压进行降压，一组输出12 V提供继电器驱动电压，另一组输出6.5 V 通过三端稳压器件降压至稳定的5 V 电压给单片机电路供电。其原理图如图4 所示。

图4 电源模块原理图

2.3 开关控制模块

该电路设计了一种PMOS 管和继电器配合的方式控制充电电流的通断，当在充电器满载充电时（通常为48 V、3 A），由于继电器对于直流高压的通断可能出现触电打火粘连的情况，采用高规格或增加继电器个数均会大幅提高设计成本，故先通过PMOS管预夹断电流再用磁保持继电器进行二次夹断；当需要接通充电电路时，在PMOS 管夹断状态下闭合磁保持继电器，通电时先开启磁保持继电器再导通PMOS 管，单片机引脚控制光耦器件对电压进行隔离，从而实现在较低成本下大电流的通断切换。

继电器采用磁保持常开2 继电器，双向继电器驱动芯片对其进行驱动控制，如图5 所示。单片机给A、B口分别置高低电平，OA 和OB端分别输出12 V和0 V，若AB 电平相反，则芯片输出也相反。

图5 开关模块原理图

2.4 温度监测模块

使用单总线通信的形式，即单根信号线双向数据传输，读取DS18B20 探头的实时温度，使用时设置一个温度阈值，当温度超过此数值时，说明温度异常，极有可能电池出现充电异常，单片机通过IO 口控制PMOS 和磁保持继电器立即切断充电回路。其原理图如图6 所示。

图6 温度监测模块原理图

2.5 电压检测电路

充电电压通过500 kΩ与200 kΩ可调电阻进行分压与限流后输入单片机IO 口，利用STC15W4K32S4自带10 位AD 检测功能，通过程序按以下公式进行换算对电压值进行读取。

2.6 电流检测电路

电流检测部分在充电回路中采取高测检流方式。其原理图如图7 所示。INA193AIDBVT 作为电流分流监控器，能够在-16～+80 V 范围内的共模电压下检测分流电阻两端的压差，由单片机AD 引脚进行电流值的读取。其输出电压与输入电压满足以下等式：

图7 电流电压检测模块原理图

2.7 电容触摸按键电路

设置单片机时钟输出300 kHz的方波输入按键电路，当手指按压取样用的金属片时，输出到ADC的电压降低，即可检测到按键动作。通过触摸按键可以延长使用寿命，方便用户进行参数查看。其原理图如图8所示。

图8 电容触摸按键电路原理图

2.8 时钟模块

DS1302 时钟芯片提供时间基准，单片机循环程序每经过Flag=200 次的循环，将阈值温度、当前温度以及电压电流值存入单片机EEPROM 中。

2.9 OLED显示模块

基于1306 驱动芯片的OLED 显示模块采用IIC通信，在系统中显示实时充电状态，配合电容触摸按键电路进行参数显示以及充电开启关闭状态的切换。

3 软件设计

程序在KEIL5 软件中采用C 语言编译，程序框架主要由参数检测、开关控制、显示函数构成。程序流程图如图9 所示。

图9 程序流程图

部分框架代码如下所示：

1）参数检测部分

温度传感器：

void DS18B20Init()；//初始化温度传感器单总线

void TempGet()；//获取温度数据

电容触摸按键：

void ADCButInit()；//初始化电容触摸按键

void ShowBut()；//输出按键数据

2）继电器和PMOS 控制部分

void RelayOn()；//继电器开关打开

void RelayOff()；//继电器开关关闭

3）OLED 显示

void OLED_Init(void)；//OLED 初始化

void OLED_ShowChinese

(uchar x,uchar y,uchar no,uchar sizey)；//显示汉字

void OLED_ShowNum

(uchar x,uchar y,ulong num,uchar len,uchar sizey)；//显示数字

4 调试结果

通过串口烧录程序后，系统正常运行。单片机可以正常控制PMOS 和磁保持继电器对电路进行夹断。接入实验室48 V 稳压电源时，万用表测量到检测点正常分压，单片机AD 引脚电压为4.5 V。电流监测电路经多次实验后设置检流电阻为30 mΩ时电源接入电流为1.5 A，10 位ADC 读数位于中间值500，此时为检测最佳范围。通过物理加热DS18B20 温度探头，OLED 显示屏显示当温度超过阈值时电路自动切断，蜂鸣器发出警报，当DS18B20 离线时，显示屏会自动跳转到报错界面。按下弹簧触摸按键片时，显示屏上参数显示正常切换。经过多次调试，该装置可以连接在充电器与电池组之间进行充电保护。

5 结论

由于电动车作为越来越多家庭的代步工具，充电时期引发的火灾问题会造成严重的人身伤害和财产损失。该设计解决了电动车充电时因线路故障或电池鼓包造成危险事故的问题，PMOS 与继电器配合的断电方式使得该装置兼容于多种规格的充电电压。其成本低、体积小、安全性高等特点使其具有广阔的应用前景。