基于ARM的移動式充電寶監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)對可移動式充電寶的監(jiān)測、控制和管理?？梢苿邮匠潆妼毷且环N專門為電動汽車設(shè)計(jì)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(bǔ)充能源。本文介紹的分布式監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)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(shí)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(jì)量和計(jì)費(fèi)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(shí)際的大功率移動充電寶中的驗(yàn)證測試，表明本文設(shè)計(jì)的方案性能穩(wěn)定，功能完善，滿足實(shí)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(jì)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(yán)重的瓶頸，而且石油燃料驅(qū)動的車輛排出大量尾氣，嚴(yán)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(shí)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(dá)到幾千萬輛?，F(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?yàn)殡娔芎谋M而停止在路途途中情況，需要補(bǔ)充能源才能到達(dá)附近的充/換電點(diǎn)。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(jì)一種專用的移動式充電寶。本文提出并設(shè)計(jì)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(jìn)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(dá)、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(gè)高性能CPU單元為核心，配置必要的存儲單元、時(shí)鐘和電源。并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展若干必要的外部設(shè)備。根據(jù)對移動時(shí)充電寶作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)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(kuò)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(jì)費(fèi)、電能計(jì)量、語音提示、報(bào)警等常規(guī)接口;同時(shí)還可以連接車載無線網(wǎng)絡(luò)和GPS定位裝置，實(shí)現(xiàn)移動式充電寶的定位和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，便于對大范圍移動的充電寶車輛進(jìn)行集中監(jiān)測和控制。

移動式充電寶一般設(shè)置了多個(gè)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(jìn)行監(jiān)視和控制，對電池和電能變換單元進(jìn)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(shí)也不便于檢修和擴(kuò)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(gè)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)控制的串行通信，具有成本低、可靠性高、抗干擾能力和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jià)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(kuò)展連接的外部監(jiān)控單元包括：

（1）充電槍接口控制單元，實(shí)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(xì)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(shí)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(shí)對逆變過程的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)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(shí)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(shí)變換過程的溫度、電壓和電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。

（4）電池監(jiān)視單元，主要實(shí)現(xiàn)對電池組和單體電池的狀態(tài)參數(shù)，電壓、溫度等，進(jìn)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(kuò)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(hù)、整流、直流變換和均衡控制等部分，實(shí)現(xiàn)對電池組單元的平穩(wěn)充電。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dá)到210DMIPS@168 MHz，內(nèi)部集成了單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元提升了計(jì)算能力，可以高效地完成一系列復(fù)雜的計(jì)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(kuò)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。