基于ARM的移動式充電寶監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

許楫 畢蔚蓉 苗偉杰 沈曉枉

摘要 本文介紹了一種基于ARM處理器的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對可移動式充電寶的監(jiān)測、控制和管理。可移動式充電寶是一種專門為電動汽車設(shè)計的應(yīng)急電源裝置，一般通過車載方式為行駛途中由于電池能源耗盡不能行駛的車輛補充能源。本文介紹的分布式監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對移動式充電寶內(nèi)部電池組的監(jiān)測、控制和診斷功能，實現(xiàn)和電動汽車的通信聯(lián)絡(luò)和充電過程的控制，支持電能計量和計費等輔助功能。系統(tǒng)功能完善，系統(tǒng)集成度和自動化程度高。通過在實際的大功率移動充電寶中的驗證測試，表明本文設(shè)計的方案性能穩(wěn)定，功能完善，滿足實際作業(yè)需求。

【關(guān)鍵詞】移動式充電寶 分布式系統(tǒng) 狀態(tài)監(jiān)視CAN總線

1 引言

電動汽車（EV）主要包括大型的電動公共交通車輛和家用小車兩種，是一種在本世紀快速發(fā)展的清潔、高效的交通工具，采用電力作為主要的驅(qū)動方式。隨著全球人口的快速增長，石油供給將會出現(xiàn)嚴重的瓶頸，而且石油燃料驅(qū)動的車輛排出大量尾氣，嚴重污染環(huán)境，為了降低排放，凈化空氣環(huán)境發(fā)展電動汽車不但是必要的，而且是必須的。在城市交通中使用電動汽車基本可實現(xiàn)零排放或極低排放。

由于電動汽車的顯著優(yōu)勢，目前電動汽車已經(jīng)快速發(fā)展成為一種非常重要的交通工具。各主要國家都把推廣和發(fā)展電動汽車作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略，作為節(jié)能減排的重要手段。我國目前的各種電動汽車已經(jīng)達到幾千萬輛。現(xiàn)有的電動汽車大多用電池作為儲能裝置，在電動汽車使用過程中，由于人為疏忽或設(shè)備故障，會出現(xiàn)在因為電能耗盡而停止在路途途中情況，需要補充能源才能到達附近的充/換電點。針對上述可能的意外情況，國家電網(wǎng)公司等單位提出了研制可自由移動式的充電單元作為應(yīng)急搶修裝備的設(shè)想，即為電動汽車設(shè)計一種專用的移動式充電寶。本文提出并設(shè)計了一種適合移動充電寶使用的功能完善的監(jiān)測控制裝置，可以對大型充電寶內(nèi)部的電池組、電能轉(zhuǎn)換裝置等進行協(xié)同控制。

2 移動式充電寶監(jiān)控系統(tǒng)的組成和功能

移動式充電寶作為一種電動汽車的應(yīng)急能源裝置，其主要構(gòu)成如圖1所示。包括充電控制電路、電池組、逆變電路（或DC/DC變換電路）、電動汽車充電接口控制電路、監(jiān)控系統(tǒng)等基本部分構(gòu)成。移動式充電寶中電池組是最重要的組成部分，容量達、體積和重量也非常大，所以對電池組的監(jiān)視、控制在移動式充電寶中具有非常重要的作用。

作為移動式充電寶的核心組成單元，監(jiān)控系統(tǒng)一般組成如圖2所示。監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)由一個高性能CPU單元為核心，配置必要的存儲單元、時鐘和電源。并在此基礎(chǔ)上擴展若干必要的外部設(shè)備。根據(jù)對移動時充電寶作業(yè)任務(wù)特點和基本功能需求的深入分析，本文提出了如圖2所示的分布式方案，改方案具有良好的可擴展性，適應(yīng)于不同規(guī)模的電動汽車充電寶。

在圖2所表示的方案中，配置了常規(guī)充電控制必須的鍵盤、液晶顯示器、刷卡計費、電能計量、語音提示、報警等常規(guī)接口;同時還可以連接車載無線網(wǎng)絡(luò)和GPS定位裝置，實現(xiàn)移動式充電寶的定位和數(shù)據(jù)遠程傳輸，便于對大范圍移動的充電寶車輛進行集中監(jiān)測和控制。

移動式充電寶一般設(shè)置了多個電動汽車充電接口，內(nèi)部電池組由數(shù)量眾多的單體電池通過串/并聯(lián)方式組合而成，作為監(jiān)控系統(tǒng)對充電接口進行監(jiān)視和控制，對電池和電能變換單元進行監(jiān)視、測量是必須的。如果把上述接口功能直接連接到CPU單元，幾乎沒有合適的芯片可以滿足上述要求，同時也不便于檢修和擴展。為此，在圖2中采用了以CAN總線為基礎(chǔ)的分布式監(jiān)控方案，每個電池狀態(tài)監(jiān)視單元，逆變或DC/DC控制單元，充電接口單元等分別設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線接口和自定義的用戶層協(xié)議實現(xiàn)與主CPU單元之間數(shù)據(jù)、信號、控制指令和控制參數(shù)的傳輸。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)屬于一種較為常用的總線式通訊網(wǎng)絡(luò)。在上世紀80年代初由德國BOSCH公司提出，主要用于為解決汽車內(nèi)部控制器與測量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換問題;CAN總線網(wǎng)絡(luò)能有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r控制的串行通信，具有成本低、可靠性高、抗干擾能力和實時性強的特點，在國內(nèi)外的工業(yè)過程中具有非常廣泛的應(yīng)用。CAN總線與其他各種現(xiàn)場總線相比，性價格比相對較高，通過在其基礎(chǔ)上定義符合用戶要求的應(yīng)用層協(xié)議，基本上可以解決大多數(shù)中低速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的需求。

在移動式充電寶監(jiān)控系統(tǒng)中，通過CAN總線擴展連接的外部監(jiān)控單元包括：

（1）充電槍接口控制單元，實現(xiàn)對接口的控制，完成與充電汽車的通信聯(lián)絡(luò)和連接監(jiān)測，控制充電槍的通斷狀態(tài);現(xiàn)在國內(nèi)使用的電動汽車充電接口有國標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)等不同類型，相互間還存在一定細微的差異。為此可以通過配置不同的充電槍接口控制單元完成充電控制。

（2）逆變控制單元，主要為交流電動汽車提供充電電源，主要實現(xiàn)把電池存儲的低壓直流電轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的工頻正弦交流電，同時對逆變過程的狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)視。

（3） DC/DC變換單元，主要為直流電動汽車提供充電電源，主要實現(xiàn)把電池存儲的低壓直流電轉(zhuǎn)換為較高電壓的直流電，同時變換過程的溫度、電壓和電流等參數(shù)進行監(jiān)視。

（4）電池監(jiān)視單元，主要實現(xiàn)對電池組和單體電池的狀態(tài)參數(shù)，電壓、溫度等，進行測量、監(jiān)視和評估。電池監(jiān)視單元測量的單體電池電壓也是均衡充電控制系統(tǒng)重要的參數(shù)采集傳感器。

在上述擴展模塊基礎(chǔ)上，還配置有均衡充電控制回路，該回路通過串行接口連接到主CPU單元，內(nèi)部包含了電源保護、整流、直流變換和均衡控制等部分，實現(xiàn)對電池組單元的平穩(wěn)充電。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主控系統(tǒng)設(shè)計

主控系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖3所示，主控系統(tǒng)CPU單元選用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列的STM32F407VGT6芯片。該芯片是一種基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核的高性能微控制器，工作頻率可達到210DMIPS@168 MHz，內(nèi)部集成了單周期DSP指令和浮點單元提升了計算能力，可以高效地完成一系列復(fù)雜的計算和控制任務(wù);內(nèi)部集成了1 MB Flash和192Kb SRAM，減少了外圍擴展電路，基本滿足充電寶狀態(tài)監(jiān)視和控制任務(wù)的要求。