基于ARM的電動汽車智能快速充電系統研究

肖金球， 劉士游， 陳聰偉， 雷 巖

(1.蘇州科技學院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市智能測控工程技術研究中心，江蘇蘇州215009)

基于ARM的電動汽車智能快速充電系統研究

肖金球1,2， 劉士游1,2， 陳聰偉1， 雷 巖1

(1.蘇州科技學院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市智能測控工程技術研究中心，江蘇蘇州215009)

能源問題、城市污染問題及二氧化碳的排放問題使電動汽車在交通市場上具有很大的優越性，但電動汽車蓄電池快速智能充電問題限制了電動汽車工業的發展。提出了以ARM處理器為核心，結合嵌入式操作系統的一種快速智能充電系統，該充電系統減少了汽車蓄電池的充電時間。LCD觸摸屏實現人機交互并顯示蓄電池的電壓、電流和溫度，GSM通信以短信的方式通知車主蓄電池的充電情況，實現遠程操控與智能充電。

ARM；電動汽車；GSM；智能充電；電池檢測

與傳統的內燃汽車相比電動汽車具有功耗低、節能環保、結構簡單且便于普及等特點，從而得到了很大的發展。由于電動汽車的動力來源是蓄電池，因此蓄電池的使用安全性、使用成本及蓄電能力都影響著電動汽車的推廣。而目前現有的電動汽車充電系統采用的都是即插即充模式[1]，這種大規模無序的充電方式不僅會引發一系列的安全問題而且對汽車蓄電池的壽命產生了巨大的影響。對此本文在原有充電系統的基礎上進行了優化，采用以ARM7TDMI為核心的LPC2138處理器，提高了整個充電系統的處理速度。對蓄電池的電壓、電流以及內部溫度進行實時的檢測，如若發生異常LPC2138處理器會發出相應的控制指令，增強了整個充電系統的穩定性與安全性。

1 智能充電系統總體設計

智能充電系統的設計，主要目的是實現鉛酸蓄電池組的智能充電[2]，在較短的時間內完成對蓄電池的充電。對蓄電池組的初始狀態做出檢測，確定蓄電池組的初始荷電狀態、端電壓和內部溫度。在智能充電系統充電的過程中對蓄電池進行實時監測，并對蓄電池參數進行實時采樣。結合蓄電池性能指標(額定電壓、電流、溫度等)的資料數據，處理器就可以分析得到當前蓄電池及其連接線路的性能狀況和負載驅動能力并將分析結果顯示在觸摸屏上。發生異常時自動轉入停充狀態，且GSM通信將以短信的形式告知車主。通過觸摸屏設定充電電壓、電流及充電時間的大小。從而實現了智能化充電。智能充電系統結構框圖如圖1所示。

圖1 智能充電系統結構框圖

鉛酸電池由于其性能上的優勢已成為電動汽車的首選，本文采用鉛酸電池為動力電池組。由鉛酸電池的電化學理論[3-4]可知，在充電電流大于蓄電池的可接受電流時，多出的電能將用于水的電解反應導致電池極板上產生氣泡，電池內部溫度上升，產生極化現象，對蓄電池造成了很大的損害。因此不能再用傳統的恒壓、恒流充電方式對蓄電池進行充電。對此本文采用脈沖充電方式，所謂脈沖充電就是充電-停充-充電反復進行。正脈沖充電產生的電池極化由放電負脈沖及時消除，可以減小充電過程中產生的極化現象。從而達到了縮短充電時間，提高充電效率的目的。脈沖充電形式如圖2所示。

圖2 脈沖充電示意圖

2 智能充電系統硬件設計

2.1 ARM硬件系統設計

嵌入式系統是目前比較熱門的研究領域[5]，具有軟件代碼小，高度自動化，響應速度快等特點被廣泛應用到諸如網絡通信、工業控制、汽車電子等行業。它是軟件與硬件的綜合體，以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可根據自己的需求進行裁剪。本智能充電系統以LPC2138處理器為硬件核心，其硬件結構框圖如圖3所示。其中JTAG、UART、FLASH、SDRAM等構成了ARM的最小系統。通過JTAG直接控制ARM的內部總線、I/O口等信息，從而達到對整個系統進行調制的目的。UART用來實現串口通信[6]。LCD觸摸屏、輔助電路、SIM100等為擴展部分。其中LCD觸摸屏實現了人機交互，SIM100用來實現GSM通信。

圖3 ARM嵌入式硬件結構圖

2.2 主充電電路設計

智能充電系統的主充電電路如圖4所示，該電路由兩個全橋電路、一個由4個絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)組成的全橋逆變電路、高頻變壓器等組成。220 V市電首先經過全橋電路進行整流，再經過大電容濾波得到直流電，但此時的直流電中紋波比較大。直流電通過全橋逆變電路[7]，得到電壓可調的高頻交流電，經高頻變壓器耦合到副邊，再經全橋整流，最后通過電感電容濾波得到紋波很小的直流電壓。

2.3 參數檢測電路設計

參數檢測電路對蓄電池的電壓、電流以及溫度進行檢測。電壓檢測采用電壓比較器[8]，將檢測到的信號傳送到LPC2138處理器的P0.1端口進行處理。采用電流傳感器對蓄電池的電流進行實時的檢測并傳送至P0.2端口，對蓄電池的內部溫度采用熱敏電阻進行檢測。由于LPC2138處理器內部集成了A/D轉換器，因此就不需要搭建額外的轉換電路[9]，直接將檢測到的信號傳送至處理器進行處理。其檢測電路如圖5所示。

圖4 主充電電路

圖5 檢測電路

2.4 GSM通信設計

GSM(Global System for Mobile communication)系統是目前基于時分多址技術的移動通訊體制中比較成熟、完善且應用最廣泛的一種系統。基于GSM的短信息服務，是一種在移動網絡上傳送簡短信息的無線應用，是一種信息在移動網絡上儲存和轉寄的過程。本文采用中興通訊推出的GSM無線雙頻調制解調器MZ28來實現通信功能[10-11]。其硬件結構如圖6所示。

圖6 GSM通訊硬件結構圖

3 智能充電系統軟件設計

智能充電系統的軟件按功能可分為5個部分：蓄電池參數檢測任務(電壓數據檢測、電流數據檢測、溫度數據檢測)、數據存儲與處理任務、UART通訊任務、異常報警任務和GSM通信任務，其主程序流程圖如圖7所示。

3.1 系統軟件開發流程

(1)源代碼編寫：編寫源程序[4](C/C++或匯編)。

(2)程序編譯：通過專用編譯器編譯程序。

(3)程序下載：通過USB、UART等方式下載到目標板上。

(4)軟硬件調試：通過JTAG等方式調試程序。

(5)下載固化：程序無誤，下載到指定產品上。

3.2 任務優先級設計

在系統執行任務前首先對任務的優先級[8]進行規劃，防止系統發生紊亂。根據任務的關聯性、關鍵性、緊迫性、繁瑣性和快捷性來確定任務的優先級，其結果如表1所示。

3.3 GSM通信指令

根據GSM 07.05的定義，SMS短信息的發送和接收模式共有三種：Block模式、基于AT命令的于AT命令的Text模式。Text模式發送接收短信息的步驟分為初始化GSM模塊、發送文本短信息和接收短信息。其指令如下：

其中PRINT語句的功能是通過URAT串行口發送字符串。

圖7 主程序流程圖

表1 任務優先級規劃

4 實驗結果分析

選用額定容量為40 000 mAh的鉛酸電池進行充電實驗，在充電過程中電壓、電流以及電容量的變化情況如圖8所示，蓄電池內部溫度的變化如圖9所示。從充電曲線看，隨著充電時間的增加充電電流在慢慢的減小，達到了最佳充電曲線的要求。并且與其他充電方式進行了比較，結果如表2所示。

從表1中數據可知脈沖充電較恒流恒壓充電有很大的優勢，充電時間節約了兩個小時，充電效率較恒流恒壓充電提高了8.62%。

5 結束語

本文以LPC2138處理器為核心，構建電動汽車智能充電系統的軟硬件平臺，分析了ARM硬件結構、主充電電路、GSM通信及檢測電路，闡述了智能充電系統的設計方法與實現理論。與原有充電系統相比本智能充電系統對蓄電池參數進行實時的監測，提高了充電系統的穩定性與安全性。脈沖充電對鉛酸電池起到了保護與延長壽命的作用。實驗結果證明了該智能充電系統的可行性，且具有重要的實際應用價值，為電動汽車的快速發展提供了有利的條件。

圖8 充電性能實驗電壓、電流的變化

圖9 蓄電池溫度的變化

表2 兩種充電方式的比較

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[10]陳超，謝瑞，何湘寧.電動汽車車載鋰電池分段充電策略研究[J].機電工程，2011，28(7)：887-900.

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Research on smart fast charging system for electric vehicle based on ARM

XIAO Jin-qiu1,2,LIU Shi-you1,2,CHEN Cong-wei1,LEI Yan1

Energy issues,urban pollution and carbon dioxide emissions make electric vehicles have great advantages in the transport market.However,the development of the electric vehicles industry is restricted by the problem of fast smart charging for electric vehicles battery.The fast smart charging system using ARM processor as core combined with the embedded operation system was proposed,reducing charging time.LCD touch screen was used to achieve human-computer interaction and display battery voltage, current and temperature. GSM communication was designed to notify owners the charging condition of battery,achieving the remote control and smart charging.

ARM;electric vehicle;GSM;smart charging;battery detection

TM 910

A

1002-087 X(2015)04-0815-03

2014-09-05

蘇州市工業基礎研究項目資助（20123425）

肖金球（1963—），男，江蘇省人，碩士，教授，高級工程師，主要研究方向為智能儀器與自動檢測系統；劉士游（1989—），男，江蘇省人，碩士，主要研究方向為智能測控技術。